1、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 消声器性能评价 2 消声器的分类和消声机理 3 阻性消声器 4 抗性消声器 5 其他消声器 6 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
2、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。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
3、声压级之差。,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
4、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
5、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,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
6、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
7、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
8、、化工厂工艺气体放散。,3 阻性消声器,理论计算公式：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；(0)与材料的吸声系数有关的消声系数。H.J. 赛宾经验公式：降噪量与材料吸声性能 周长/截面比有关。,I,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：截面周长为:声衰减为：,3.1 阻性消声器的声衰减量,2)当管道
9、为正方形时，管道的截面周长为：声衰减为：3)当管道为1:5矩形，管道的截面长、宽分别为：管道的截面周长为：声衰减为：因此，有：L3L2 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：式中：c声速ms-1； 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
10、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：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
11、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：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：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,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,常见阻性消音器种类及图例,3.4 常用阻性消声器的类型,1.直管式 优点：结构简单，制
12、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
13、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
14、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
15、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，从而达到消声的目的。 2. 消声量计算： (单节)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:当:,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,4.1 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=n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。
16、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,4.1 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，因此有上线频率：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：,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
17、。 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。3. 共振频率：某一频带内的消声量： 倍频程1/3倍频程,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,t-共振腔钢板厚度；S0-开孔面积；d-开孔直径；n-开孔数量,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：,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)
18、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。2. 分类：无源(被动
19、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
20、、体积大小与空气机械设备匹配问题。,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： b.选择消声器的结构形式 管道直径：500mm片式、蜂窝式或其它形式 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：气流再生的影响：压力损失,6.4 抗性消声器设计总结,a.确定消声
21、量： b.选择消声器的结构形式 c.确定消声器的长度 d.验算消声效果：上线截止频率：下线截止频率：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】 气流通流面 S=0.00785m2 由式 TL=15dB，计算出K=3.9134 由得出V=0.027m3，G=0.144m 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。 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。,
