共振腔消声器的设计与应用

　　1 概述

　　在噪声控制工程中,经常会遇到各种消声器的设计问题,在此介绍一种利用共振腔设计的消声器。声源为1台376kW的劳斯莱斯柴油机发电机组,该发电机组布置于某高层建筑的2楼。机房经过吸声、隔声,以及进、出风口的消声处理;发电机的排气部分为双管式,直径均为130mm,在连接2台短小的排气消声器后,2根排气管合成为1根直径185mm的圆管,再经过变径,管径增加到320mm,而后进入大楼的排烟道,向上延伸至裙楼楼顶。排烟口1m处发电机的排气噪声为74dB (A)。

　　该排气噪声具有低频特性,其频谱见表1。

　　以柴油机为动力的发电机排放的气体一般温度较高,并含有部分油烟物质。使用阻性消声器作为排气消声器,其寿命不长,而且低频消声性能不好;用微孔吸声原理设计排气消声器,效果虽然不错,但由于微孔板很薄(一般<1mm),使用寿命因此受到影响,而且微孔的直径很小,容易堵塞,需经常清洗;组合式扩张室消声器由于存在截面突变的原因,对消声器的空气动力性能影响较大。共振腔消声器具有频率选择性强、低频消声量大、对气流的阻力小等特点,因此本例中选择了以共振腔为主设计发电机的排气消声器。

　　2 共振腔消声器的消声机理

　　共振腔消声器是由一段开有若干小孔的管道和管外一个密闭的空腔所组成。小孔和空腔组成一个弹性振动系统,当气流的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时,这个振动系统就发生共振,孔颈中具有一定质量的空气柱运动速度加快,摩擦阻力增大,大量声能转化为热能而消耗掉,从而达到消声的目的。

　　共振腔消声器的共振频率见式(1)

式中c--声速;

　　V--共振腔体积;

　　G--传导率,是一个以长度为单位的物理量。

式中d--孔径;

　　t--板厚。

　　工程设计中,倍频程频带消声量按式(3)计算

式中k--与共振腔消声器消声性能有关的无量纲常数。

式中S--消声通道截面积。

　　3 参数的选择

　　首先,对噪声源进行倍频程分析。根据噪声控制的目的,确定出各倍频程声压级的降噪量。从表1可以看出,排气噪声主要集中在500Hz以下的中、低频段。经过计算得出,如果将中心频率63Hz、125Hz、250Hz、500Hz的声压级分别下降13.9dB、15.9dB、13.4dB、10.4dB,那么排气噪声即可降至60dB以下。

　　因此,需设计4个共振腔,其共振频率分别为上述倍频程的中心频率,消声量不低于上述分析值。然后,根据各个共振腔应降噪的分贝值,利用式(3)计算出相应的k值,再利用式(1)、式(2)、式(4)对共振腔消声器的各种物理参数进行反复选择、计算、比较,确定出最佳数值。如果气流通道的口径比较大,那么消声器的消声量不要期望得过高,也就是说k值不宜选择过大,因为这样会造成消声器的体积过大而无法安装或不切合实际。本噪声治理工程中由于受安装空间的限制,共振腔的中心频率为63Hz、125Hz、250Hz、500Hz的k值分别选为4、4、5、3.5,对应消声量分别为15dB、15dB、17dB、14dB。