•   消声器结构设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。详细介绍了各种消音器的结构设计,分类,性能,消音原理

      消音器结构设计 课题目的: 了解常见消音器种类、消音原理及常见消音 器设计中应注意的问题和设计方法 目录 ? ? ? ? ? ? 1 2 3 4 5 6 消声器性能评价 消声器的分类和消声机理 阻性消声器 抗性消声器 其他消声器 消声设计及总结 1 消声器性能评价 ? 消音器的性能主要包括: 声学性能、空气动力性能、结构性能 具体来讲,对一个好的消声器要有五方面的基本要求: 1)声学性能要求。具有高的消声值和宽的消声频率,即在所需要 的消声频率范围有足够大的消声量; 2)空气动力性能要求。消声器的气流阻力小,安装消声器后所增 加的阻力损失,要控制在实际容许的范围内; 3)机械结构性能要求。体积小,重量轻,结构简单,便于加工, 安装和维修; 4)外形和装饰的要求。符合实际安装空间的需要,美观大方,表 面装饰与设备相协调 5)价格费用要求。制造成本低,使用寿命长。 1.1 声学性能评价 ? 消声器声学性能评价量有: 插入损失(IL)、传声损失(TL)、减噪量(LNR)、衰 减量(LA)。 1.插入损失(IL):系统中插入消声器前后在系统外某点测得的声 功率级之差。在声场分布情况近似保持不变时,也可用指定测点上声压级 差代替。 IL ? L p1 ? L p2 2.传声损失(IL):消声器进口端声功率级与出口端声功率级之差。 由于声功率不宜直接测量,一般通过声压求得。传声损失仅反映消声器本 身的特性,不受声源、管道及出口端的影响。 3.减噪量(LNR):消声器进、出口端测得的平均声压级之差。 LNR ? L p1 ? L p 2 W TL ? 10 lg 1 ? LW 1 ? LW 2 W2 LW 1 ? L p1 ? 10 lg S1 LW 2 ? L p 2 ? 10 lg S 2 ? TL ? L p1 ? L p 2 ? 10 lg Si St 1.2 空气动力性能 ? 消声器的空气动力性能:是指消声器对气流阻力的大 小。通常用阻力系数或阻力损失来表示,包括摩擦阻 力损失和局部阻力损失两部分。 ? ? ? 阻力系数:消声器安装前后的全压差与全压之比。 阻力损失:出口端流体静压比进口端降低的数值。 摩擦阻损:是由于气流与消声器各壁面之间的摩擦而产生的阻力 损失。 ? 局部阻损:是指气流通过在消声器截面突变处产生的阻力损失。 如扩展、收缩、转弯等。 1.3 结构性能 ? 消声器结构性能: 是指它的外形尺寸、坚固程度、维护要求、 使用寿命等,它也是评价消声器性能的一项指标。好的消声器除 应有好的声学性能和空气动力性能之外;还应该具有体积小、重 量轻、结构简单、造型美观、加工方便、同时要坚固耐用、使用 寿命长、维护简单和造价便宜等特点。 ? 评价消声器的上述三个方面的性能,既互相联系又互相制约。 从消声器的消声性能考虑,当然在所需频率范围内的消声量越大 越好;但是同时必须考虑空气动力性能的要求。例如,汽车上的 排气消声器如果阻损过大,会使功率损失增加,甚至影响车辆行 驶。在兼顾消声器声学性能和空气动力性能的同时,还必须考虑 结构性能的要求,不但要耐用,还应避免体积过大、安装困难等 情况。在实际运用中,对这三方面的性能要求,应根据具体情况 做具体分析,并有所侧重。 2 消声器的分类和消声机理 ? 消声器类型很多,按其降噪原理主要有如下几种类型: 2.1 阻性消声器 ? ? ? ? 2.2 抗性消声器 2.3 复合式消声器 2.4 微穿孔消声器 ? 2.5 喷注型消声器 2 消声器的分类和消声机理 ? 分类图例 阻性消声器 抗性消声器 扩张室消声器 共振腔消声器 消 声 器 阻抗复合式消声器 无源消声器 干涉式消声器 有源消声器 微穿孔板消声器 小孔消声器 多孔扩散消声器 扩散性消声器 节流减压消声器 2.1 阻性消声器 ? 消声原理:利用吸声材料消声。把吸声材料固定在气流通道内 壁或按一定的方式在管道中排列起来,就构成了阻性消声器, 与电学类比,吸声材料就相当于电阻,故称阻性消声器。 包括的形式:直管式、片式、折板式、声流式、蜂窝式、弯头 式等。 消声的频率特性:具有中、高频消声性能。 适用范围:消除风机、燃气轮机进气噪声(即气体流速不大的 情况)。 ? ? ? 2.2 抗性消声器 ? 消声原理:通过控制声抗的大小来进行消声的。与阻性消声器 不同,它不使用吸声材料而是在管道上接截面积突变的管段或 旁接共振腔,利用声阻抗的改变,使某些频率的声波在声阻抗 突变的界面发生反射、干涉等现象,从而在消声器的外测,达 到了消声的目的。 包括的形式:扩张室式、共振腔式 、干涉型。 消声的频率特性:具有中、低频消声性能。 ? ? ? 适用范围:消除空压机、内燃机、汽车排气噪声(气体流速较 高气速的情况) 2.3 阻抗复合式消声器 ? 消声原理:把阻性与抗性两种消声原理通过适当结构复合起来 而构成的。可定性地认为阻性和抗性在同一频带的消声值的叠 加(并非简单的叠加关系)。 包括的形式:阻~扩型、阻~共型、阻~扩~共型等。 消声的频率特性:具有低、中、高频消声性能。 适用范围:消除鼓风机、大型风洞、试车台噪声。 ? ? ? 2.4 微穿孔板消声器 ? 消声原理:利用微穿孔板吸声结构制成的消声器。 包括的形式:单层微穿孔板、双层微穿孔板等。 ? ? 消声的频率特性:具有低、中、高频的宽带消声性能。 适用范围:适于高温、潮湿,有水、有油雾及特别清洁卫生的场 合。 ? 2.5 小孔喷注消声器 ? 消声原理:不是在声音发出后进行消除,而是从发生机理上使干 扰噪声减小。喷注噪声值频率与喷口直径成反比,如果喷口直径 变小,喷口辐射的噪声能量将从低频移向高频(频移),于是低频 噪声被降低,而高频噪声反而升高,如果孔径小到一定值时,喷 注噪声将移到人耳不敏感的频率范围。 包括的形式:小孔喷注型 、降压扩容型、多孔扩散型 、引射掺 冷型等。 消声的频率特性:具有低、中、高频的宽带消声性能。 适用范围:消除压力气体排放噪声,如锅炉排气、高炉放气、化 工厂工艺气体放散。 ? ? ? 3 阻性消声器 ? 理论计算公式:?L ? ? ?? 0 ? F ? l S ? 其中:F-消声器气流通道断面周长,m; S-消声器的气流通道截面积,m2; l-消声器的有效长度,m; (α0)-与材料的吸声系数有关的消声系数。 H.J. 赛宾 1 .4 经验公式:?L ? 1.03?? ? F l S ? I 降噪量与材料吸声性能 周长/截面比有关。 3.1 阻性消声器的声衰减量 ? ? 例: 选用同一种吸声材料(平均吸声系数为0.46)衬贴的消声管 道,管道有效长度为2m,管道有效截面积1500cm2。当截面形 状分别为圆形、正方形和1:5矩形时,试问哪种截面形状的声 音衰减量最大?哪种最小? 解:1)当管道为圆形时,因为管道的有效直径为: D? S ? 4 ? 1500 ? 43.71cm ? 0.437m 3.14 4 ? 截面周长为: L1 ? ?D ? 3.14 ? 0.437 ? 1.372 m 声衰减为: Δ ? L1 ? 1.03 ? 0.461.4 ? 1.372 ? 2 ? 6.4dB 0.15 3.1 阻性消声器的声衰减量 ? 2)当管道为正方形时,管道的截面周长为: L2 ? 4 ? 0.15 ? 1.549m 声衰减为: Δ L2 ? 1.03 ? 0.461.4 ? 1.549 ? 2 ? 7.2dB 0.15 ? 3)当管道为1:5矩形,管道的截面长、宽分别为: 5 ? 0.15/ 5 ? 0.866m 0.15/ 5 ? 0.173m 管道的截面周长为: L3 ? 2 ? (0.173? 0.866) ? 2.078m 声衰减为: Δ L3 ? 1.03 ? 0.46 ? 1.4 ? 2.078 ? 2 ? 9.6dB 0.15 因此,有:ΔL3>ΔL2 >Δ L1。 即:管道截面面积一定时,截面为矩形管道的声衰减量最大,截面为 圆形管道的声衰减量最小。 3.2 阻性消声器的高频失效频率 ? ? 在单通道直管消声器中,高频声随着通道面积的增大消声效果显著 下降。由于频率超过一定的数值,不符合平面波传播规律,窄束传 播的声波不与吸声材料接触,消声效果下降。 当声波波长小于通道截面尺寸一半时,消声效果下降,将这一频 率称为高频失效频率。其经验公式: f c ? 1.85c / D ? ? 式中:c-声速ms-1; D -消声器通道截面当量边长m(圆形管道为直 径;矩形管道为边长平均值,其他管道取面积的开方值)。 若ffc,每增加一个倍频程,消声量下降1/3,其估算公式: ?L ? ??? 0 ?(3 ? n) Fl /(3S ) f高于fc的倍频程带数。将大风量粗管道应设计成多通道。 3.3 气流速度对阻性消声器的影响 ? 主要表现在两个方面: 1) 气流的存在引起了消声器内声传播和声衰减规律变化。 A)顺流时(气流与声传播方向一致),由于气体流速在管 道内不均一,根据折射原理,声波向管壁弯曲,促进 消声降噪; B)逆流时(气流与声传播方向相反) ,声波向管道中心弯 曲,导致声波与吸声材料接触减少,不利于消声降噪。 2) 气流在消声器内产生一种附加噪声,即气流再生噪声。 气流经过消声器通道时,因局部阻力或摩擦阻力而产生 湍流,相应辐射一些噪声;气流激发消声器构件振动而 辐射噪声。气流速度越高,气流再生噪声越大。 3.3 气流速度对阻性消声器的影响 ? 在直通管道消声器内气流再生噪声的估算公式为: Lz ? ?18 ? 2? ? 60lg? ? 气流再生噪声通常是低频噪声,随着频的增高声级逐渐下降。 气流再生噪声的倍频程声压级公式为: LBz ? 72 ? 60lg? ? 20lg f ? 一个消声器具体应用到现场时,气流究竟对它的性能影响有多 大,需结合噪声源强度、气流速度大小以及消声器结构等因素 进行具体分析; 不同的结构,气流在管道中允许风速不同。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 常见阻性消音器种类及图例 1.直管式 2.片式 3.蜂窝式 4.折板式 5.声流式 6.室式 7.迷宫式 8.盘式 9.弯头式 3.4 常用阻性消声器的类型 1.直管式 优点:结构简单,制作便。 缺点:对低频消声效果差。 适用范围:适合于截面小、 低速的管道。 3.4 常用阻性消声器的类型 2.片式 优点:结构不复杂,中、高频 消声效果好,阻力系数 较小。 缺点:低频消声效果不显著。 适用范围:适合于大流量、大 截面的情况。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 3.蜂窝式 优点:中、高频消声效果好,可 根据不同的适应范围,设计 单元结构。 缺点:阻力损失较大,阻力系数 一般在1-1.5之间。 适用范围:用于大截面的管道。 风量较大、流速较低的情况。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 4.折板式 优点:增加了声波的传播路 程,增大了材料与声波 的接触,中高频消声效 果较好。 缺点:大大增加了阻力损失。 适用范围:适用于压力和噪 声较高的设备。用于对 声学性能要求较高的场 合。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 5. 声流式 优点:可达到高消声、低阻损的 要求,阻力系数介于片式和 折板式消声器之间。 缺点:加工复杂,造价较高。 适用范围:适用于大断面流通管 道,对于阻力损失要求较严 格的场合。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 6.室式 优点:消声频带较宽,消声 量较大。 缺点:阻力损失较大,占用 空间也大。 适用范围:一般适用于有空 间、低速进排风的场合。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 7.迷宫式 优点:可用于流量大、流速低, 要求消声量高的情况。 缺点:气流速度不能过大,否则 产生的阻力损失较大。 适用范围:对于阻力损失要求不 严的场合。 3.4 常用阻性消声器的类型 8.盘式 优点:阻损小,体积小,重量轻、 安装简便,轴向尺寸小。 缺点:结构复杂,制作成本高,变 截面计算复杂。 适用范围:用于锅炉鼓风机进风口 消声、各类风机进风口或管 道开口端。隔声罩、室顶部 散热消声器风口。 ? 3.4 常用阻性消声器的类型 9.弯头式 优点:结构简单、体积小,占 地少,在通风空调工程中 应用普遍 缺点:增大了气流阻力 适用范围:管道改向等 ? 4 抗性消声器 ? ? ? ? ? 抗性消声器具有 不需要使用多孔吸声材料; 耐高温、抗潮; 流速较大,洁净; 对低频、窄带噪声有较好的效果。 ? 常用抗性消声器的类型 1.扩张室式消声器 2.共振式消声器 3.干涉式消声器 4.1 扩张室消声器(膨胀式消声器) ? 1. 消声原理: 声波在管道截面的突然扩张(或收缩),造成通道内声阻抗突变,使声波 传播方向发生改变,在管道内发生反射、干涉等现象,从而达到消声的 2 目的。 ? 1? ? ? 1 2 ms ? ? sin kl ? 2. 消声量计算:TL ? 10lg?1 ? ? (单节) ? ? 4 m ? ? s ? ? ? ? ? ? 其中m=S2/S1=S2/S3称为消声器扩张比,l为扩张室长度。 S-消声器的气流通道截面积m2, k-转换系数 3. 频率特性: , 当: l ? (2n ? 1)? / 4 (n ? 0,1,2....) 1 ? ? 1 kl ? ?2n ? 1?? / 2, sin kl ? 1 ? TLmax ? 10lg ?1 ? (m ? ) 2 ? m ? ? 4 , 当: l ? n? / 2(n ? 0,1,2....) kl ? n?, sin kl ? 0 ? TLmin ? 0 4.1 扩张室消声器(膨胀式消声器) 单节扩张室消声器频率特性曲线 扩张室消声器(膨胀式消声器) ? ? 4. 改善消声特性的方法: 单节扩张室的主要缺点在kl=nπ处传声损失为零,即存在很多通过频率。 解决的方法有 多节扩张室串联:每节的通过频率不同,提高消声量。 插入内接管:扩张室两端个插入l/2和l/4的管分别消除n为奇数和偶数的 通过频率。 4.1 扩张室消声器(膨胀式消声器) 两节扩张室 消声器频率 特性曲线 扩张室消声器(膨胀式消声器) 5. 上下限截止频率: ? 扩张室截面增大同样存在高频声波 窄束传播失效,因此有上线 c D ? 对于低于某一频率的声波也将失去 消声作用,存在下限频率: f L ? 2 f0 ? c S1 2Vl1 ? 4.2 共振式消声器 ? 1. 消声原理: 利用共振吸声原理,在声波的作用下,管壁空气柱产生振动,振动时,气柱与 腔口壁摩擦使一部分声能转化为热能而耗散;同时由于声阻抗的突变而使声波 发生反射和干涉现象,导致声能衰减。当系统固有频率与声波频率发生共振时, 消耗声能最多,消声量最大。 ? 2. 消声量的计算: 声阻抗的突变而使声波发生反射和干涉现象,导致声能衰减。当系统固有频率与声 波频率发生共振时,消耗声能最多,消声量最大。 ? ? K2 TL ? 10 lg ?1 ? 2? ? ? f fr ? fr f ? ? fr-共振频率;V-空腔体积; S-气流通道截面积 ;G-传导率; K-消音系数 ? K? GV 2S ?V ? fr ? c GV 2? c 2 KS 2?f r 3. 共振频率: f ? c r 2? GV nS0 n?d 2 G? ? t ? 0.8d 4(t ? 0.8d ) t-共振腔钢板厚度;S0-开孔面积;d-开孔直径;n-开孔数量 某一频带内的消声量: 倍频程 TL ? 10 lg( 1 ? 2K 2 ) 2 1/3倍频程 TL ? 10 lg( 1 ? 19 K ) 4.2 共振式消声器 ? 4. 改善消声性能的方法: 选定较大的K 值; 增加声阻; 多节共振腔串联,共振频率相互 错开。 ? 5.上限截止频率: c f u ? 1.22 D 4.2 共振式消声器 ? 6、设计注意事项 为了使消声器的理论计算值与实际结果值一致,在考虑设计方案 时,应注意以下条件: (1) 共振器的几何尺寸应小于共振频率波长 的 1/3 。当共振频率较 高时,此条件不易满足,这时不能将共振器看成为一个集中参数系 统,而应考虑声波在空腔内的传播特性。 (2) 穿孔位置应集中在共振消声器的中部,穿孔范围应小于 。 相邻各孔之间的孔心距一般应取孔径的 5 倍。当穿孔数目较多时, 穿孔范围集中在 内与孔心距大于孔径 5 倍这两个要求,往 往发生矛盾。在这种情况下,可采取将空腔分割成几段来分布穿孔 的位置。 (3) 共振消声器的消声频率范围也有高频失效问题。用共振消声器的 上限截止频率验证消音器设计 4.3 干涉式消声器 ? 1. 消声原理: 借助于相干声波相互抵消作用,来达 到消声目的。 l1 ? l2 ? (2n ? 1) ? 2 ? 2. 分类: 无源(被动式)消声器和有源(主动式)消 声器两类。 ? 3. 特点: 具有显著的频率选择性 5 其他形式的消声器 5.1 阻抗复合式消声器 5.2 微穿孔板消声器 5.3 扩散消声器 5.3 扩散消声器 6 消声器设计 6.1 消声器设计原则 ? ? ? ? ? 1.根据噪声源所需的噪声量、空气动力性能要求以及空气动力设备管道中 的防潮、耐蚀、防火、耐高温等要求,选择消声器的类型。 2.根据声源空气动力性能的要求,考虑消声器的空气动力性能,是消声器 的阻力损失控制在机械设备正常的工作范围内; 3.设计消声器时,考虑到气流再生噪声的影响,是气流再生噪声小于环境 允许的噪声级; 4.注意消声器和管道中的气流速度; 5.还应考虑到隔声及坚固耐用、体积大小与空气机械设备匹配问题。 噪声源 具体采取措施 低、中频为主(离心式通风机) 带宽噪声源(高速旋转鼓风机、燃气轮机) 脉动性低频噪声源(空气内燃机) 高压、高速排气放空噪声(排气噪声) 潮湿高温、油雾,有火焰空气动力设备 阻性或阻抗复合式消声器 阻抗复合式消声器或微穿孔板消声器 抗性消声器或微穿孔板消声器 小孔消声器 抗性消声器或微穿孔板消声器 6.2 消声器设计程序 噪声源 使用条件 设备的空气 动力特性 噪声源现场调查 及特性分析 了解环境特点, 选定噪声控制标准 确定受声点允许的噪声 级和各频带声压级 计算所需消声量 设计合适的消声器 验算其消声效果(上下截止频率的检验、 消声器的压力损失、实际消声效果) 6.3 阻性消声器设计总结 a.确定消声量: LA ? 1.03(? )1.4 S l ? b.选择消声器的结构形式 管道直径: =300mm 单通道直式消声器 300-500mm 片式消声器 500mm片式、蜂窝式或其它形式 ? L ? ? ? ? c.选择合适的吸声材料 d.确定消声器的长度 e.合理选择吸声材料的护面结构 f.验算消声效果: 高频失效频率: fc ? 1.85c / D 气流再生的影响:Lz ? ?18 ? 2? ? 60lg? 压力损失 6.4 抗性消声器设计总结 ? ? a.确定消声量: b.选择消声器的结构形式 1 ? ? 1 TLmax ? 10lg?1 ? (m ? ) 2 ? m ? ? 4 TL ? 10 lg( 1 ? 2K 2 ) ? ? c.确定消声器的长度 d.验算消声效果: c 上线截止频率:f u ? 1.22 下线截止频率: f L ? 2 f0 ? D c S1 2Vl1 ? ? e.根据验算结果修改消音器结构。 6.4 抗性消声器设计总结 ? 【例题】在管径为100mm的常温气流管道上,设 计一单腔共振消声器,要求使其中125Hz的倍 频程上有15dB的消声量。 6.4 抗性消声器设计总结 【解】⑴ 气流通流面 S=0.00785m2 由式 TL ? 10 lg( 1 ? 2K 2 ) TL=15dB,计算出K=3.913≈4 ⑵由 fr ? c GV K ? 2? GV 2S ?V ? c KS ?f r 得出V=0.027m3,G=0.144m ⑶ 确定设计方案为与原管道同轴的圆筒形共振腔, 其内径是100mm,选择外径400mm,则共振腔的长度为: L= 0.25m; 选用厚度t=2mm的钢板,孔径d=5mm,由 G=nS0/(t+0.8d)可求得开孔数n=44个。 ⑷ 验算:高频失效频率;声波的波长是否大于共振腔消声 器最大尺寸的3倍。 ?? c ? 2.72m ? 3L fr

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    2019-11-01 10:28
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