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管道消声器工作原理及其工程应用
发布时间:2023/2/3 点击次数:579

管道消声器工作原理及其工程应用
 

综述了不同管道消音器的原理以及工程应用情况。探讨了管道消音器工程应用中涉及的若干问题。

管道消音器回是安装在空气动力设备气流通道上或进、排气系统中的降低噪声的装置。它既能允许气流顺利通过,又能有效地阻止或减弱声能向外传播。一个合适的管道消音器,可以使气流噪声降低20~40dB,相应响度降低75%~93%因此在噪声控制工程中得到了广泛的应用。笔者综述不同管道消音器原理及其工程应用,探讨影响管道消音器性能的若干因素。

2管道消音器原理及分类

管道消音器具有很多种类,其结构形式也各不相同。根据管道消音器的消声原理和结构不同,大致可将管道消音器分为阻性管道消音器、抗性管道消音器、阻抗复合式管道消音器和有源管道消音器等。

2.1阻性管道消音器

阻性管道消音器是一种吸收型管道消音器,利用声波在多孔性吸声材料中传播时,因摩擦将声能转化为热能而消耗掉,从而达到消声的目的。这种管道消音器的有效频带较宽,对中高频噪声的消声效果较好。缺点是吸声材料的孔易被烟尘油污阻塞,在高温侵蚀性气体中使用寿命短,低频噪声效果较差,实际消声量的大小与噪声频率有关,存在上限失效频率等。

阻性管道消音器按气流通道的几何形状不同,又分为直管式、片式、蜂窝式、折板式、盘式、弯头式管道消音器等。其中,片式管道消音器应用为广泛;而弯头式管道消音器在国外已经得到广泛应用,以前国内对它重视不够,发展相对比较缓慢。阻性管道消音器性能的改进主要在于寻求具有防潮、防火、耐高温、耐腐蚀等特点的高性能吸声材料。同时,根据不同的工程需要选取不同形状的阻性管道消音器和吸声材料的护面结构。

2.2抗性管道消音器

抗性管道消音器与阻性管道消音器不同,它不使用吸声材料,是借助管道截面的突然扩张和收缩,或旁接共振腔,使沿管道传播的噪声在突变处向声源反射回去,而不通过管道消音器,从而达到消声的目的。按其消声原理又可分为干涉型、共振型和扩张型等。这类管道消音器构造简单,耐高温和气体侵蚀,但频率选择性较强,适用于窄带噪声和中低频噪声的控制,高频噪声消声效果较差,与阻性管道消音器相比,阻力损失较大。

在工程实际中,为了改善单个扩张室式管道消音器消声性能,通常将多个单节扩张室管道消音器串联起来。对于共振式管道消音器,除了串联不同频率的共振腔外,还可在共振応中填充一些吸声材料以增加声阻,使有效消声的频率范围展宽。

此外,气体流动对管道消音器性能也有一定的影响。对于不同结构形式的管道消音器,气体流动影响声学性能的效果不同,如:单端插入结构对抑制中低频气流再生噪声效果较好,而插入共振和典型空腔两个结构的中低频再生噪声较大。如何使抗性管道消音器自身的声学性能好而气流再生噪声较小,是需要进一步研究解决的课

题之一。

23阻抗复合管道消音器

在实际噪声控制工程中,噪声以宽频带居多,通常将阻性和抗性两种结构管道消音器组合起来使用,以控制高强度的宽频带噪声。常用的形式有阻性-扩张室复合式、阻性-共振腔复合式和阻性-扩张室-共振腔复合式等。

近年来,中国研制的新型管道消音器——微穿孔板管道消音器从消声原理上看,实质上也是一种阻抗复合式管道消音器。这种管道消音器采用金属结构代替多孔性吸声材料,并适用于高温、高速气流及有水气、粉尘等特殊环境,在较宽的频带范围内具有良好的消声效果。

2.4有源管道消音器

对于一个待消除的声波,人为的产生一个幅值相同而相位相反的声波,使它们在一定空间区域内相互干涉而抵消,从而达到在该区域消除噪声的目的,这种消声装置叫做有源管道消音器ActiveMuffler)0由于外加的声波往往需要借助电声技术产生,因此此种管道消音器通常也被称为电子管道消音器

有源管道消音器的基本设计思想,早在二、三十年代就已形成。在50年代中期,Olson等设计的电子管道消音器,可在人头附近的小区域和较窄的频带内有一定的抗噪效果。60年代末至70年代,有源管道消音器有了新发展,并在管道消声应用方面取得了较大的进展。到了80年代,自适应系统开始用于噪声控制。近几十年来,有源消声技术的优越性吸引了越来越多的人的研究兴趣。其优越性包括:对低频声具有很好的消声效果,体积小,减小了对吸声材料的需求,增加了设计的可变性及对噪声源的可适应性等。

尽管人们对有源消声技术的研究兴趣不断增加,恒它在实际中的应用仍然有限。其中,有源管道消音器造价髙昂是一个重要的原因。但是,随着价格便宜的数字DSP芯片的不断发展,有源管道消音器的应用前景变得非常可观,目前,已经有几个型号的有源管道消音器投入使用,市场销售价格也在不断下降,而且有几家汽车制造商表示要在新一代汽车中安装这种装置。

目前,诸多研究人员重点研究管道消音器内部声场和流场的分布,并设计可变结构参数管道消音器,将声学有限元和声学边界元用于管道消音器结构参数的优化设计中。但管道消音器仍缺乏严格的科学计算方法和设计理论,需要通过实验来改进管道消音器的设计,国内也主要是在试验研究方法上与国外存在较大差距。

3工程应用

近年来,环境噪声已成为一种重要公害,是当今全球性的主要环境污染之一。噪声污染的治理已成为国内外环境保护工作的重要内容。生活噪声影响范围仍呈扩大趋势,交通噪声问题也日益突出,控制噪声污染是全球范围内亟待解决的环境问题。因此,管道消音器具有巨大的应用潜力。

3.1应用实例

地铁站管道消音器°同

地下铁道是一种城市现代化交通工具,地铁周围一般是城市居民众多、商业发达的地段,噪声治理显得非常重要。地铁站的主要噪声污染是空调系统中大功率风机产生的噪声,风机噪声主要是空气动力噪声。降低空气动力噪声的有效的方法就是加管道消音器,一般可以获得10-30dB(A)的降噪量。需要注意的是,在许多工程实际应用中,尤其是在地铁站特殊的环境下,如果不正确地设计、选用和安装管道消音器,许多管道消音器并没有出现消声效果,甚至会出现“加管道消音器不如不加管道消音器”的情况。

汽车管道消音器

汽车噪声是交通噪声和城市噪声污染的主要来源,随着汽车噪声危害的加剧,各国均已制定强制性法规,严格禁止噪声超标车辆生产、销售和使用。因此,即使管道消音器功率损耗惊人,各汽车生产厂家不得不在汽车上安装越来越复杂的排气管道消音器,以求得并不太大的降噪量。

汽车排气管道消音器是一种较为复杂的声学元件,既要消声量大,又要排气阻力小,能耗低。这些指标是相互矛盾的。要解决这个问题,实施设计是一个比较复杂的问题。虽然管道消音器的设计方面有些理论公式,但因这些公式计算的结果与实际情况相差较大,所以实际设计中除少部分公式作预估计,其余几乎都不使用,而常用试错法通过反复设计、试制、实验来研制管道消音器。这也是目前诸多管道消音器设计过程中所面临的主要问题。

管道消音器在空调通风系统中的应用

空调通风系统广泛地存在于人们的生产和生活中。在工业生产中,空调通风系统的噪声不仅影响着工人以及周围居民的身体健康,同时对某些设备的正常工作也会产生一定的影响。因此,许多工厂车间对空调的通风系统要求非常严格。

目前,无论是传统的无源管道消音器还是近年来蓬勃发展的有源管道消音器,都在多个领域获得了应用,但是在商业产品中仍以无源管道消音器为主,有源管道消音器仅仅有部分商业产品出现。

3.2影响管道消音器性能的若干因素

对于实际工程中使用的管道消音器,能否达到设计时所设定的消声指标,还要受到实际使用环境的影响。

气流对管道消音器性能的影响。气流速度对管道消音器性能的影响主要表现在两方面:一是气流的存在会引起声传播规律的变化;二是气流在管道消音器内产生一种附加噪声——再生噪声。

管道消音器结构对其性能的影响。一般来说,好的管道消音器除了要满足预定的声学性能和空气动力悻能之外,其结构还应该具有体积小、重量轻、结构简单'、造型美观、加工方便,同时具备坚固耐用、使用寿命长、维护简单和造价低等特点。因此,在设计管道消音器时要特别注意不同环境下管道消音器结构对其消声性能的影响。

不同安装对管道消音器性能的影响。同样一个管道消音器,安装位置不同,降噪效果不同。如风机排气管道消音器离排气口较远处安装,则由排气口到管道消音器之间这一段管道可能辐射较强的排气噪声,影响总的降噪效果,所以排气口管道消音器宜靠近排气口安装。

除了以上因素外,管道消音器的具体消声性能还受到气流温度、气流含尘量等诸多因素的影响。因此,在设计管道消音器时,需要根据管道消音器的实际使用环境有针对性地进行设计。

管道消音器是一个很值得研究的课题,它不仅是汽车工程、地铁站通风系统以及车间空调排气系统急需解决和提高的实际问题,在理论上也很有价值。目前管道消音器仍缺乏严格的科学计算方法和设计理论,因此管道消音器的试验方法和试验设备的研制是一个非常重要的工作。有源管道消音器是一个有前途的产品,它的研究与有源控制密切相关。由于有源控制是个交叉的新技术,且在诸多领域都有应用,因此应该重视有源管道消音器的研究。

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