第九章 消声技术

插入损失 根据系统之外测点的测试结果经计算获 得的，实际操作中，在系统之外分别测量系 统接入消声器前后的声压级，二者之差即为 插入损失。
声衰减 声学系统中任意两点间声功率级之差，反映 了声音沿消声器通道内的衰减特性，以每米 衰减的分贝数 (dB) 表示。从而得到消声器 内声压级与距离的函数关系，以求得该消声 器的总消声量。声衰减量能够反映出消声器 内的消声特性及衰减过程，能避免环境对测 量结果的干扰。
求得。
当流速增加一倍，相应的噪声级增加 18dB ，说明气流再生噪声随流速的六次方 规律变化，属于偶极子辐射的噪声源。估算 气流再生噪声的半经验公式
设计消声器时，应注意流速不能选得过高， 对空调消声器的流速不应超过 5 米 / 秒；对 压缩机和鼓风机消声器，流速不应超过 20~30 米 / 秒；对内燃机、凿岩机消声器， 流速应选在 30~50 米 / 秒；对于大流量排 气放空消声器，流速可选为 50~80 米 / 秒。
气流在管道中的流动速度并不均匀，同一 截面上，管道中央流速最高，接近管壁处， 流速就近似为零，逆流时正好相反。 根据声折射原理，声波要向管壁弯曲，对 阻性消声器来说，由于周壁衬贴有吸声材料， 所以顺流时恰好声能被吸收；而在逆流时， 声波要向管道中心弯曲，因此对阻性消声器 的消声是不利的。
9.2.7 气流再生噪声对消声器声学性能 的影响 由于气流与消声器结构的相互作用，还会产 生气流再生噪声。气流再生噪声叠加在原有 噪声上，会影响消声器实际使用效果。 气流再生噪声的产生机理： 一是气流经过消声器时，由于局部阻力和 摩擦阻力而形成一系列湍流，相应地辐射噪 声； 二是气流激发消声器构件振动而辐射噪 声。
2 ． 空气动力性能 消声器的空气动力性能是评价消声性能好 坏的另一项重要指标，它反映了消声器对气 流阻力的大小。 消声器的空气动力性能用阻力系数或阻力 损失来表示。 阻力系数是指消声器安装前后的全压差与 全压之比，对于确定的消声器，其阻力系数 为定值。阻力系数的测量比较麻烦，一般只 在专用设备上才能测得。
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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。
末端减噪量 也称末端声压级差，它是指消声器输入 端与输出端的声压级之差。即：测量消声器 进口端面的声压级 与出口端面的声压级 ， 以两者之差代表消声器的消声量。
利用末端声压级之差来表示消声值的方法， 不可避免地包含了反射声的影响，这种测量 方法易受环境的影响而产生较大的误差，因 此适合在试验台上对消声器性能进行测量分 析，而现场测量则很少使用。
(2) 选用合适吸声材料 可用来做消声器的吸声材料种类很多， 如超细玻璃棉、泡沫塑料、多孔吸声砖、工 业毛毡等。在选用吸声材料时，除考虑吸声 性能外，还要考虑消声器的使用环境，如对 于高温、潮湿、有腐蚀性气体的特殊环境。 吸声材料种类确定以后，材料的厚度和密度 也应注意选定，一般吸声材料厚度是由所要 消声的频率范围决定的。如果只为了消除高 频噪声，吸声材料可薄些；如果为了加强对 低频声的消声效果，则应选择厚一些。
9.2.8 阻性消声器的设计 阻性消声器的设计步骤与要求如下： (1) 确定消声器的结构型式 根据气体流量和消声器所控制的平均流速，计 算所需的通流截面，然后根据截面的尺寸大小来 选定消声器的形式。 当气流通道截面直径小于 300 毫米时，可选用 单通道的直管式，当直径大于 300 毫米而小于 500 毫米时，可在通道中加设一片吸声层或吸声 芯；当直径大于 500 毫米时，则应考虑把消声器 设计成片式、蜂窝式或其它型式。片式消声器中 每个片间距离不应大于 250 毫米。
(3) 决定消声器的长度 在消声器形式、通流截面和吸声层等都确 定的情况下，增加消声器长度能提高消声值。 消声器长度可根据噪声源的声级大小和现场 的降噪要求来决定，如在车间里某风机气流 噪声较其它设备噪声高出很多时，就可把消 声器设计得长些，反之就应短些。一般现场 使用的空气动力设备，其消声器的长度可设 计为 1~3 米 。
弯头消声器
迷宫式消声器
9.2.6 气流对阻性消声器声学性能的影响 气流对消声器声学性能的影响，主要表现 在两个方面：一是气流的存在会引起声传播 和声衰减规律的变化；二是气流在消声器内 产生一种附加噪声，称为气流再生噪声。 有气流时的消声系数的近似公式如下 ：
由公式看出，气流速度大小与方向不同， 导致气流对消声器性能的影响程度也不同。 当流速高时，马赫数 值大，气流对消声器 的消声性能的影响就越厉害；当气流方向与 声传播方向一致时，马赫数 值为正，上式 中的消声系数将变小；当气流方向与声传播 方向相反时，马赫数 值为负，消声系数会 变大。顺流与逆流相比，逆流有利于消声。
② 在推导消声系数时，假定吸声材料的 声阻抗率为纯阻，即声抗为 0 。实际上吸声 材料的声阻抗应是复数，即消声系数应由声 阻抗率的声阻与声抗两部分共同决定。由于 忽略了声抗部分的影响，也会导致计算出的 消声值比实际值偏高。 ③ 工程实际中还有许多其它因素干扰， 例如消声器通道中的气流速度、环境噪声、 侧向传声等都会使现场得到的消声值比公式 计算出的消声值偏低。
9.2.2 片式消声器 由于把通道分成若干个小通道，每个小通 道截面小了，就能提高上限失效频率；同时， 因为增加了吸声材料饰面表面积，则消声量 也会相应增加。 设计片式消声器时，每个小通道的尺寸都 相同，这样，其中一个通道的消声频率特性 也就代表了整个消声器的消声特性。它的消 声量可用式 (8.2.3) 计算
传声损失 定义为消声器进口的噪声声功率级与消 声器出口的噪声声功率级的差值。它是从构 件的隔声性能的角度，用透射损失来反映构 件的消声量，传递损失的数学表达式为，
消声器的传声损失是消声器本身所具有的 特性，它受声源与环境的影响较小。
实际工程测试中，由于声功率级难以直接测
得，因此通常通过测量消声器前后截面的平 均声压级，再按下式计算获得，
消声器的通道截面不宜太大。如果太大时，
高频声的消声效果显著下降。前面提到过的 消声量计算公式都是在平面波的条件下推导 出来的。也就是说声波在消声器中同一截面 上各点声压或声强是近似相等的。如果消声 器通道截面过大，当声波频率高到一定数值 时声波将以窄束状通过消声器，而很少或根 本不与吸声材料饰面接触。因此，消声器的 消声效果明显下 降。当声波波长小于通道 截面尺寸的一半时，消声效果便开始下降， 相应的频率被称作“高频失效频率”
嘉庚学院 机电系
9.1.1 消声器分类 不同消声器的消声原理是不同的，消声效 果也不同 。
阻性消声器 一种能量吸收性消声器，通过在气流通 过的途径上固定多孔性吸声材料，利用多孔 吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量 转化为热能，达到消声的目的。阻性消声器 适合于消除中、高频率的噪声，消声频带范 围较宽，对低频噪声的消声效果较差，因此， 常使用阻性消声器控制风机类进排气噪声等。
阻力损失，简称阻损，是指气流通过消声器
时，在消声器出口端的流体静压比进口端降 低的数值。很显然，一个消声器的阻损大小 是与使用条件下的气流速度大小有密切关系 的。 消声器的阻损能够通过实地测量求得，也可 以根据公式进行估算。阻损分两大类，一类 是摩擦阻力，另一类是局部阻力。 消声器总的阻力损失，等于摩擦阻损与局部 阻损之和 。
抗性消声器 利用声波的反射和干涉效应等，通过改 变声波的传播特性，阻碍声波能量向外传播， 主要适合于消除低、中频率的窄带噪声，对 宽带高频率噪声则效果较差，因此，常用来 消除如内燃机排气噪声等。 鉴于阻性消声器和抗性消声器各自的特 点，因此常将它们组合成阻抗复合型消声器， 以同时得到高、中、低频率范围内的消声效 果，如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合 型消声器

9.2.1 单通道直管式阻性消声器 单通道直管式消声器是最基本的阻性消声 器，它的特点是结构简单、气流直通、阻力 损失小、适用于流量小的管道消声。
常用的分析理论主要有一维理论和二维理论。
一维理论基于一维平面波的假设，即认为管
道中传播的声波是沿着管道长度方向传播的， 常用的计算公式有很多，但就其起源而言只 有两个：一是别洛夫公式，二是赛宾公式， 其他公式大都是从这两个公式派生出来的。 别洛夫公式的假定条件是：吸声材料的声 阻远大于声抗。别洛夫公式：
高频失效频率的经验估算式
c 为声速； D为消声器通道截面边长， 圆形通道的 D就是截面直径。 当频率高于失效频率 以后，每增加一个倍 频带，其消声量约比在失效频率处的消声量 下降 1/3 。
式中
由于D的增大，高频消声效果将显著降低。 为了在通道截面较大的情况下也能在中高频 范围获得好的消声效果；通常采取在管道中 加吸声片或设计成另外的结构形式。 如果通道管径大于 300 毫米 而小于 500 毫米 时，可在通道中间设置几片吸声层或 一个吸声圆柱；如果通道尺寸大于 500 毫 米 ，就要设计成弯头式、蜂窝式、片式、 折板式、声流式和迷宫式等结构。
8.1.2 消声器性能评价 消声器的性能评价主要采用三项指标，即：声 学性能、空气动力性能、结构性能。 1 ．消声器声学性能 消声器的声学性能包括消声量的大小、消声频 带范围的宽窄两个方面。设计消声器的目的就是 要根据噪声源的特点和频率范围，使消声器的消 声频率范围满足需要，并尽可能地在要求的频带 范围内获得较大的消声量。 消声器的声学性能可以用各频带内的消声量来 表征。通常有四种度量方法：传声损失 、末端降 噪量 、插入损失 和声衰减 。
赛宾公式
按上述方法计算出的消声量往往高于实际能
达到的消声量，特别是当消声量较大时，两 者的偏差更大。这是由于消声系数 是在特 定条件下获得的，使用起来有以下几方面的 问题需要注意：
① 从能量关系导出消声系数时，假定同 一截面上声压或声强近似，但实际上往往不 是这样。噪声在消声器管道内传播时，如果 壁面吸收很厉害，则在同—截面上的声压和 声能不能均匀分布，周壁的吸收作用不能充 分发挥。因此，对于高吸收情况，即吸声系 数较大时，利用公式 计算的消声量高于实 际消声量。
气流再生噪声的大小主要取决于气流速度 和消声器的结构。一般来说，气流速度越大， 或消声器内部结构越复杂，则产生的气流噪 声也就越大。与之相适应，降低消声器内气 流再生噪声的途径是： ①尽量减低流速； ② 尽量改善气体的流动状况，使气流平 稳，避免产生湍流。
消声器的气流再生噪声大小，可用试验方法
9.2 阻性消声器
阻性消声器的消声原理，就是利用吸声材料的 吸声作用，使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐 渐衰减。 把吸声材料固定在气流通过的管道周壁，或按 一定方式在通道中排列起来，就构成阻性消声器。 当声波进入消声器中，会引起阻性消声器内多孔 材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞 阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，就起 到消声的作用。阻性消声器应用范围很广，它对 中高频范围的噪声具有较好的消声效果。
9.2.3 折板式、声流式、蜂窝式消声器 为了提高其高频消声性能，把直片做成折 弯状，这样能增加声波在消声器内反射次数， 即增加吸声层与声波的接触机会，从而提高 消声效果。为了减小阻损，其折角做得小一 些为好。
声流式消声器是由折板式消声器改进的，这
种消声器把吸声层制成正弦波形。当声波通 过时，增加反射次数，故能改善消声性能 。 蜂窝式消声器是由许多平行的小直管式消声 器并联而成。蜂窝式消声器的消声量可用式 (8.2.3) 获得。但由于它是多个通道并联， 而且每个通道的尺寸基本相同，即每个通道 消声特性一样，因此蜂窝式消声器的消声量 只算其中的一个小管即可。