新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)消聲器的分類與工作原理

 

摘要：排氣噪聲是柴油發(fā)電機(jī)組最主要的噪聲源，由于其功率大，它一般比汽油機(jī)的其他噪聲高10-15dB(A)。隨著柴油機(jī)功率及強(qiáng)化程度的提高，排氣系統(tǒng)內(nèi)氣流速度加大，排氣噪聲也明顯會(huì)增大，從而使發(fā)電機(jī)組整機(jī)噪聲有增大的趨勢(shì)。降低排氣噪聲的有效方法是使用排氣消聲器，所以，排氣消聲器性能的優(yōu)劣對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組噪聲的控制和緩解噪聲污染有極其重要的作用?？得魉构驹谖恼轮蟹治隽瞬裼桶l(fā)電機(jī)組排氣噪聲的產(chǎn)生特性和控制措施，同時(shí)對(duì)消聲器的類別及其工作原理進(jìn)行了細(xì)致講述并附注了結(jié)構(gòu)圖。

 

一、排氣噪聲的產(chǎn)生和控制

 

1、排氣噪聲的產(chǎn)生

      根據(jù)柴油機(jī)的工作原理、工作狀態(tài)和有關(guān)聲學(xué)方面的理論，可將柴油機(jī)主要噪聲源分為空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械噪聲和燃燒噪聲3種。在沒有排氣消聲器時(shí)，排氣噪聲是最大的噪聲源。

      柴油機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)的廢氣隨著排氣口間歇性地開啟而周期性地噴射到氣管內(nèi)，因此產(chǎn)生的排氣噪聲是周期性的，其主要頻率成分為：

f1=k·n/60r（HZ）...................（公式1）

式中，k為柴油機(jī)的氣缸數(shù)；

n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

t為柴油機(jī)的沖程數(shù)，二沖程柴油機(jī)t=1，四沖程柴油機(jī)r=2。

      圖1是康明斯柴油機(jī)排氣噪聲的實(shí)測(cè)頻譜特性?？梢姶瞬裼蜋C(jī)排氣噪聲呈現(xiàn)低中頻特性，低頻峰值一般在100Hz左右，中頻峰值在200～700Hz之間。由式(2.1)可知：低頻噪聲是由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)及沖程數(shù)來決定的，中頻噪聲則是由高次諧波延伸造成的，而高頻噪聲則是由于排氣渦流、氣缸內(nèi)燃燒以及機(jī)件、管道振動(dòng)造成的。

      圖2的康明斯柴油機(jī)排氣噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果表明，消聲器分別在頻率35.6 Hz、66.7 Hz、107.3 Hz處出現(xiàn)正的峰值，說明消聲器在該幾個(gè)頻率點(diǎn)形成共振消聲。35 Hz為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基頻，70 Hz、105 Hz分別為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的一次諧波和二次諧波，與仿真分析結(jié)果基本一致。圖示同時(shí)可知，在頻率35.6 Hz處，傳遞損失達(dá)到20 dB為最大，也就證明消聲器在基頻處對(duì)氣體噪聲衰減達(dá)到最佳。同時(shí)在一次諧波和二次諧波處，消聲器對(duì)噪聲衰減均有一定效果。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)排氣噪聲實(shí)測(cè)頻譜特性曲線

圖2  柴油機(jī)消聲器傳遞損失曲線

 

      由此可見，排氣噪聲主要包含以下頻率成分：

（1）基頻排氣噪聲：

      由于每個(gè)氣缸的排氣門開啟時(shí)，氣缸內(nèi)的氣體突然高速噴出，氣流沖擊到排氣道內(nèi)氣門附近的氣體上，使其產(chǎn)生壓力劇變而形成壓力波，從而激發(fā)出噪聲。由于各缸排氣是在指定的相位上周期地進(jìn)行，因此這是一種周期性的噪聲，是典型的低頻噪聲。

（2）排氣管內(nèi)氣柱共振的噪聲：

      排氣系統(tǒng)管道中的空氣柱，在周期性排氣噪聲的激發(fā)下，因發(fā)生共振而產(chǎn)生空氣柱共振噪聲。

（3）排氣歧管處的氣流吹氣聲：

      某一缸廢氣大量排氣時(shí)，氣流流向總管，也會(huì)吹向其他氣道開口處，氣流流速也會(huì)隨著曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生較大幅度的變化，從而產(chǎn)生一種周期性的渦流。這種渦流使歧管內(nèi)的氣體產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出以高頻為主的噪聲。

（4）赫爾姆霍茨共振噪聲：

      柴油機(jī)在排氣時(shí)，氣缸與排氣管相通，該氣缸此時(shí)正是一個(gè)赫爾姆霍茨共振器，由赫爾姆霍茨效應(yīng)可知，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。它與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，多缸時(shí)則不明顯。

（5）廢氣噴注和沖擊噪聲：

      廢氣噴注噪聲是由于排氣門處高速的氣流噴注而產(chǎn)生的。同時(shí)，排氣門附近存在著壓力不連續(xù)面，氣流經(jīng)過此處時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波而激發(fā)沖擊噪聲，廢氣噴注和沖擊噪聲是連續(xù)寬頻帶的高頻噪聲。

（6）排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面處的摩擦及素流噪聲：

      在自由排氣階段，廢氣的流動(dòng)是素流流動(dòng)。紊流氣體在排氣道內(nèi)壁面附近形成的渦流引起壁面附近氣體壓力波動(dòng)，輻射出噪聲，這種噪聲主要為寬頻帶的高頻噪聲。

      柴油發(fā)電機(jī)組排氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的因素很多，除了上述六種組成部分外，還有其他一些組成聲源。如：排氣門桿產(chǎn)生的渦流噪聲、排氣系統(tǒng)中再燃燒產(chǎn)生的噪聲、由排氣脈沖壓力激發(fā)管壁造成的噪聲、排氣門落座聲、通過截面突變處的氣流湍流噪聲等。

2、排氣噪聲的控制

      柴油發(fā)電機(jī)組排氣噪聲的控制，通常是從控制排氣噪聲的產(chǎn)生和傳播這兩方面來考慮的。

（1）控制排氣噪聲的產(chǎn)生

      控制排氣噪聲的產(chǎn)生就是減少噪聲源，根據(jù)上述噪聲源產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)產(chǎn)生排氣噪聲的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。對(duì)產(chǎn)生排氣噪聲的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的途徑主要是對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改進(jìn)。這種方法是最徹底，而且其潛力也是最大的。但這些改動(dòng)，涉及到柴油機(jī)排氣噪聲的控制，需要考慮產(chǎn)生排氣噪聲的各種因素，牽扯到柴油機(jī)本身及排氣系統(tǒng)的噪聲，要綜合考慮并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，其難度是非常大的。

（2）控制排氣噪聲的傳播

      控制排氣噪聲的傳播則主要有加裝排氣消聲器和隔離排氣歧管傳來的機(jī)械振動(dòng)兩種方法。這兩種方法對(duì)柴油機(jī)性能影響不大，又比較容易實(shí)現(xiàn)。目前得到最廣泛運(yùn)用的降噪方法就是在排氣系統(tǒng)中安裝適當(dāng)?shù)呐艢庀暺?，使噪聲向環(huán)境輻射之前就得到大幅度的衰減，從而起到降低排氣噪聲的作用。隔振方法通常包括改進(jìn)排氣歧管結(jié)構(gòu)來改善振動(dòng)特性和隔離排氣歧管傳遞的振動(dòng)兩種手段。

 

二、消聲器的分類與消聲機(jī)理

 

      根據(jù)消聲機(jī)理的不同，排氣消聲器可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合型消聲器以及電子消聲器。

1、阻性消聲器

      阻性消聲器主要是利用吸聲材料來消減噪聲，把吸聲材料固定在氣流流動(dòng)的管道內(nèi)壁，或把它按一定的方式在管道中排列組合，就構(gòu)成了阻性消聲器。當(dāng)聲波進(jìn)入阻性消聲器中，一部分聲能便被吸聲材料吸收，起到了消聲的作用。這種消聲器的優(yōu)點(diǎn)是在中高頻范圍內(nèi)的消聲效果較好，特別是對(duì)刺耳的高頻聲波有突出的消聲作用。缺點(diǎn)是柴油機(jī)排出的水蒸氣及顆粒會(huì)影響吸聲材料的性能，降低使用壽命，而且它對(duì)低頻噪聲消聲效果比較差。

2、抗性消聲器

      抗性消聲器又稱聲學(xué)濾波器，它是根據(jù)聲學(xué)濾波的原理制成的，利用消聲器內(nèi)聲阻、聲順和聲質(zhì)量的適當(dāng)組合，使聲波中某些頻率的噪聲反射回噪聲源或大幅度抵消，從而達(dá)到消聲的目的。這類消聲器一般是全金屬結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊、不會(huì)被廢氣中的碳灰微粒堵塞、成本低而且壽命長。因此柴油發(fā)電機(jī)組采用這種消聲器十分合適?？剐韵暺鞯南曨l帶窄，對(duì)高頻噪聲的消聲效果差。為了彌補(bǔ)這種缺陷，常采用多級(jí)組合或加上穿孔板等高頻消聲效果較好的結(jié)構(gòu)，組成寬頻帶的消聲器。抗性消聲器最基本的形式為擴(kuò)張式消聲器和共振式消聲器。

（1）擴(kuò)張式消聲器

      擴(kuò)張式消聲器的工作原理有兩點(diǎn)：

① 利用管道截面的突變引起聲阻抗的變化，使沿管道傳播的聲波朝聲源方向反射回去。

② 通過改變擴(kuò)張室和內(nèi)接管的長度，使前進(jìn)的聲波與在管中不同界面上的反射波之間的相位差180°，產(chǎn)生干涉而相互抵消，從而達(dá)到消聲的目的。

      各種管道和擴(kuò)張腔之間相互組合就可以阻止某些頻率成分的噪聲通過，但有個(gè)缺點(diǎn)是存在多個(gè)通過頻率，通過頻率的消聲量等于零，因此通常采用內(nèi)插管法（結(jié)構(gòu)如圖3）和多節(jié)擴(kuò)張腔串聯(lián)法（結(jié)構(gòu)如圖4）消除通過頻率。內(nèi)插管法是把消聲器擴(kuò)張腔進(jìn)、出口處分別插入擴(kuò)張腔一半長度和四分之一長度的兩根小管。理論分析，兩者結(jié)合可獲得沒有通過頻率的消聲性能。

 

圖3  內(nèi)插管擴(kuò)張室式消聲器結(jié)構(gòu)

圖4  膨脹擴(kuò)張室式消聲器結(jié)構(gòu)

 

（2）共振式消聲器

      共振式消聲器常采用穿孔管和穿孔板形式，穿孔管是一種通過管道開孔與赫爾姆霍茨共鳴腔相連而成的結(jié)構(gòu)，它在管路中設(shè)置頸部并與空腔結(jié)合，頸部起質(zhì)量作用，空腔起彈簧作用，由于聲音能量短路，消耗聲能而達(dá)到消聲目的。穿孔板是在排氣通路上開有許多小孔，它的消聲頻帶較寬。

① 穿孔管式消聲器

      穿孔管式消聲器中存在大量的氣流，且大部分波在臨界入射角附近傳播。每個(gè)穿孔可以看作是一個(gè)管道系統(tǒng)，由于流體交替地進(jìn)入，不能簡單解釋從孔孔中發(fā)散而引起的粘性和慣性效應(yīng)的末端校正，但可用無限長管道的理論來描述管道的阻抗。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)基頻處，傳遞損失達(dá)到20 dB，對(duì)氣體噪聲衰減達(dá)到最佳；在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次諧波和二次諧波處，消聲器對(duì)噪聲衰減也有一定效果。通過改變消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能獲得不同的噪聲衰減效果。

② 穿孔板消聲器

      穿孔板消聲器是襯裝微穿孔板結(jié)構(gòu)的消聲器。能在較寬的頻帶范圍內(nèi)消除氣流噪聲，而且具耐高溫、耐油污、耐腐蝕的性能，即使在氣流中帶有大量水分，也不影響工作。由于穿孔直徑小、板面光滑，因此消聲器阻損比一般阻性消聲器要小。對(duì)低、中、高各頻帶消聲量較平直，消聲量大，對(duì)低頻消聲效果較明顯，適用于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的中、低壓風(fēng)機(jī)、空氣動(dòng)力噪聲消聲。更適用于要求較高的潔凈廠房、無菌室、食品衛(wèi)生工業(yè)、賓館等通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，微穿孔板消聲器內(nèi)外孔板用龍骨固定，通過選擇不同的穿孔率的孔板及不同腔深組合，可在較寬的頻帶范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。

 

圖5  穿孔管式消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6  穿孔板式消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

 

3、阻抗復(fù)合消聲器

      阻抗復(fù)合消聲器是綜合上述兩種消聲器的特點(diǎn)制成的。這種消聲器既有阻性吸聲材料，又有共振腔、擴(kuò)張室一類的抗性濾波元件，在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)都具有良好的消聲效果，但阻性材料的采用縮短了其使用壽命。

4、電子消聲器

      近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，電子控制裝置的性價(jià)比的提高，“電子消聲器”已成為可能，在有源消聲和半有源消聲上的研究不斷深入。有源消聲系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：可以減小消聲器體積，減少背壓，使消聲器減少復(fù)雜程度，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。有源消聲系統(tǒng)必須要有高速度的信號(hào)處理器和承受高溫與振動(dòng)的換能器，另外對(duì)有源噪聲抵消系統(tǒng)來說，還需要有減少氣流脈沖的精密而快速的執(zhí)行器，有源消聲器和半有源消聲器的真正完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化還需要進(jìn)一步的研究。

 

總結(jié)：

      隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種交通工具數(shù)量日益增多，由此帶來的噪聲污染已成為干擾和破壞國民生活的一大公害。噪聲可以對(duì)人的聽覺器官造成傷害，干擾交談，妨礙睡眠，造成人的身心疲勞，高頻噪聲還能使建筑物和儀器設(shè)備受到損傷。各項(xiàng)調(diào)查和測(cè)量表明，柴發(fā)噪聲是目前生產(chǎn)工廠中最大的噪聲源。因此，降低柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲是減少企業(yè)全廠噪聲的根本途徑。

      我國消聲器設(shè)計(jì)仍以類比選型設(shè)計(jì)為主，消聲效果不好，針對(duì)性不強(qiáng)，開發(fā)周期長。利用計(jì)算機(jī)建立模型，編制相應(yīng)的軟件來進(jìn)行消聲器匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，使消聲器設(shè)計(jì)周期縮短，節(jié)省了人力和物力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義"。目前，國內(nèi)外的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的研究，力求改進(jìn)消聲系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，編制使用方便、計(jì)算結(jié)果精度較高的軟件。

 

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