消声器论文

消声器结构的几种特殊改进方法
郭俊华，钱进
摘要：本文以柴油机进气消声器为研究对象，以理论分析计算和实验验证为研究方法。

首先通过调研收集分析有关资料，研究消声器基本理论。

其次利用实验室开发出的消声器消声性能计算软件。

最后使用所开发的性能计算软件，分析实验室现有的柴油机进气消声器结构、特点和性能，同时通过实验验证计算结果，并且采用微穿孔板结构、室式结构、蜂窝式结构以及电子式改进设计柴油机进气消声器，给出分析结果和设计方案。

关键词：消声器；微穿孔板；室式；蜂窝式；电子式
0 前言
大型船用柴油机普遍采用废气涡轮增压技术，作为柴油机关键零部件的增压器，其噪声是柴油机的主要噪声源之一，其中压气机气动噪声对增压器噪声水平起主导作用]2,1[。

安装消声器是控制增压器进气噪声的主要措施，国内外对船用柴油机排气消声器开展了许多研究，而对进气消声器的设计和研究相对较少。

消声器的消声性能主要取决于增压器进气噪声源特性、消声器内部的结构和吸声材料性能。

一般对消声器的改进仅限于对消声器尺寸以及材料上的改进，笔者在这里开展了消声器结构几种特殊改进设计，提高了消声器的消音效果。

1 消声器基本结构
一般来说，柴油机进气消声器有多种基本结构，比如轴流式，径流式等，径流式消声器又分直流式和弯流式等，本文采用学校现有的直流式消声器为研究对象，对消声器进行改进，具体结构如图1~2。

图1 学校现有消声器结构
图2 消声器结构示意图
2 消声器的微穿孔板式改进
研究分析的微穿孔板的参数与消声量的关系，可得出微穿孔板的最佳结构参数为：孔径d为1mm，板厚t为1mm，穿孔率 为2%，管长为0.2m，其结构示意图如图3所示。

图3 阻抗复合式消声器结构示意图
下面将利用实验室基于Matlab软件开发的消声器性能计算软件，对优化后的结构进行计算分析。

拟消声的频率范围仍根据前面的分析结论设为2000Hz至5000Hz。

图4 声衰减量计算结果
图4为声衰减量计算结果。

无抗性消声结构时，计算结果同前面优化后的径流阻性消声器。

从图中可以看出，在只有双层微穿孔板消声结构时，在频率2000Hz到5000Hz之间能有10dB左右的消声量，消声效果理想。

由阻性部分和双层微穿孔板构成的阻抗复合式消声器，为了便于分析，它的消声量可近似看成是阻性部分和抗性部分的消声量叠加。

但由于抗性消声器在除了抗性吸声设计频
率外的其它频率处也是有消声量的，因此在其它频率处的消声量要在阻性吸声量的基础上乘上一个系数，拟定为1.1（实际只增加2~3分贝）。

可以看出，优化后的微穿孔板式式消声器与原消声器相比，在频率2000Hz到5000Hz范围内的消声量有明显的提高，同时在其它频率处消声量也有适当提高。

结合学校实验室现有的压气机噪声源数据，将压气机在额定工况下的进气噪声声压级频谱，与装上改进后的纯阻性消声器的声压级频谱和装上改进后的阻抗复合消声器的声压级频谱，绘制在一张图上来显示消声效果，如图5所示。

图5 压气机进气口噪声声压级频谱
图5中的主要问题是在频率从2000Hz到5000Hz处存在峰值噪声。

显然从上图中可以看出，装上微穿孔板消声器后，峰值噪声明显减小，与其它频率的噪声基本处于同一水平。

最高噪声声压级为80.0dB。

从图5中可以看出，安装改进后的阻抗复合式消声器后，压气机进口噪声总声压级降到88.0dB(A)，符合船舶机舱噪声不高于A声级90分贝的标准]3[。

与装上改进后的纯阻性消声器的总声压级相比减小了8.0dB(A)，与不装消声器时的总声压级相比减小了35dB(A)。

显然获得了很好的消声效果。

3 消声器的室式改进
对于现有消声器，在消声器整体模型不变的条件下，并且在基本参数不变的条
件下，根据消声器的基本理论，我们可以考虑在消声器叶片上面添加消声齿，做成室式消声器的样子，具体样式如下图6所示
图6 消声器的室式改进
根据室式消声器声衰减量的计算公式：
⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=R d S NR D 12cos lg 102πθ 现有的径流式柴油机进气消声器结构的主要参数为气流流道数N=40，消声片外径R=610mm ，内孔半径r=270mm ，吸声片间距H=24mm ，采用羊毛毡作为吸声材料，取流量为4 s m 3。

在没有消声齿时，我们选取项端祈公式计算声衰减量，对于室式消声器，由于它不是一种经典类型，所以未能在软件中体现出来，所以用Matlab 软件导出数据，并且将两组数据归并在一张图上进行成图比较，如下图7所示。

图7 有无消声齿的消声器声衰减量对比
显然，对于加了消声齿和未加消声齿的消音器，声衰减很明显不一样，其中加了消声齿的消声器比没加消声齿的消声器声衰减量平均下降了15dB左右，在中、高频率的声衰减量尤为明显，所以加了消声齿后消声器能降低更多噪声。

至于消声齿，从资源节约和工程经济学层面来说，应该最好能做成拆装式的，但这样需要在消声片上有固定装置，消声齿上也必须有，所以工艺上比较难以达到，所以从工艺加工上来看，可以做成和消声片一体，这样就工艺上来说就比较方便了。

同样，根据传统改进消声器做法，可以在消声齿上粘贴吸声材料，而根据理论分析，针刺棉的吸声效果比羊毛毡好]4[，此处为了比较不同材料粘贴在消声齿上吸声效果，分别用针刺棉和羊毛毡贴在消声齿上，利用软件，得出羊毛毡和针刺棉的吸声效果如下图8所示。

图8 消声齿贴敷不同材料的声衰减量对比
显然，用针刺棉比羊毛毡的吸声效果好得多，尤其在400~2500Hz的中、高频率之间，针刺棉吸声效果比羊毛毡好得多，这也符合消声齿在中、高频率范围内有较好吸声效果。

平均来说针刺棉比羊毛毡做材料降低10dB左右，所以消声器上如果做成消声齿型消声器，可以在消声器上贴消声材料，效果会更好。

4 消声器的蜂窝式改进
对于厂里给的弯流道消声器结构模型，在给定的基本参数的条件下，我们也可以进行蜂窝式改进，即在各个消声片之间插入隔板，使原来消声器的进气道变
成进气孔。

具体如下图9所示。

图9 弯流道消声器的蜂窝式改进
利用实验室现有的软件，以针刺棉作为隔板表面材料，蜂窝式消声器的声衰减量较之未改进时消声器的消声量比较如下图10。

图10 弯流道消声器声衰减量蜂窝式改进前后比较从图中我们可以看出，蜂窝式改进后平均能降低3dB左右，在频率比较低时降得比较少，而声衰减量在800~5000Hz频率范围内降低较多，尤其是在2000Hz时降低较多。

平均来说，降噪量只有2dB左右，效果一般。

所以，如果需要比较精确的测定声衰减量，可以采用此法。

然而，在大多数情况下，无论是从工艺角度还是从吸声效果上来讲，都不能算最好的改进方法。

5 消声器的电子改进
对于实验室现有消声器，在不对消声片作任何改进的情况下，任然可以在消声器轴心处添加一个反相（相位相反）声源，从而使得相位相反的声源能消去，然而对于一般消声器来说，声源不可能是单一声源，所以我们只能取频率最集中的一种声源或者几个声源，在轴心安装这几种声源的反相声源，从而达到消声或
者降声的目的。

具体样式如下图11所示。

图11 弯流道消声器电子式改进
利用实验室现有船用压气机，测得一般弯流道消声器和电子改进后的弯流
道消声器的声衰减量数据如下图12所示。

图12 电子改进前后声衰减量对比
显然，电子改进后的消声量比电子改进前的消声量大得多，尤其是在400Hz 频率左右和1300Hz频率左右的时候，改进尤为明显，而原来未改进的消声器也在这两处的声衰减量是峰值，所以，找出峰值频率，对于安装电子消声器很有意义。

进行电子式改进的弯流道消声器，是不能单一用实验的数据进行比较得出结果，因为实验数据和实际使用时的数据有很大差别，因此实验中的几种峰值频率声源不能代表实际运用时的情况，所以这种方法必须在有大量实际运用中的统计数据，才能较好使用，发挥有源消声器的效果，但无论是实验数据还是实际数据，平均来说都能降低11dB左右，效果良好。

对于此种改进消声器，无论从工艺、外形还是声衰减量，都比较好，但是，这种方法目前在中国由于技术问题而使用较少。

主要原因是技术和价格上的原因，所以一般来说，这种消声器在中国目前只能在高校实验室和研究机构做研究使用，以及少量船厂使用。

6结束语
本文从各种角度，与以往传统改进消声器的方法区别，利用几种特殊的改进方法，对消声器的结构进行改进。

在工程中设计消声器时可以根据消声器具体的用途，权衡各种方法的利弊，灵活设计消声器。

当然，也可以与传统方法结合使用，其目的就是更好的设计消声器。

本文各种方法效果归纳如下：
（1）微穿孔板改进消声器效果最好，可以降低30dB左右。

但是结构比较复杂。

（2）装消声齿的消声器其次，可以降低15dB左右。

（3）蜂窝式改进效果不是很理想，只能降低3dB左右且结构复杂。

所以这种方法只能用于做实验时需要精确数据时使用。

（4）电子式改进效果一般，能降低10dB左右，主要是因为噪声不是一种所致，我们只能抓住其中几种主要的进行消声。

参考文献
[1] 温华兵, 徐文江, 鲍苏宁,等. 柴油机废气涡轮增压器噪声机理及性能试验研究[J].内燃机工程，2013,34(1):76-80.
[2] 张新玉, 赵振宇, 季振林, 等. 提高柴油机排气消声器消声性能的试验研究[J]. 船舶工程, 2003, 6: 004.
[3] 何万国, 华志刚, 周少伟, 等. 船用排气消音器声学及气动性能研究[J]. 船舶工程, 2011, 2.
[4] 王雪仁, 张文平, 朱明刚, 等. 船用柴油机排气消声器性能试验台的研制[J]. 内燃机工程, 2006, 27(2): 64-67.。