消声器

消声器是一种在允许气流通过的同时，又能有效地阻止或减弱声能向外传播的装置。它主要用于机械设备的进、排气管道或通风管道的噪声控制。一个性能好的消声器，可使气流噪声降低20～40dB（A）。但是，消声器只能降低空气动力设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声，不能降低空气动力设备的机壳、管壁等辐射的噪声。消声器类型很多，按其降噪原理主要有如下三种类型：阻性消声器、抗性消声器、复合式消声器、微穿孔消声器和喷注型消声器。

一、阻性消声器

阻式消声器：是通过吸声材料来吸收声能降低噪音，一般的微穿孔板消声器就属于这个类型，一般是用来消除高、中频噪声。但是由于结构的原因，在高温、高湿、高速的情况下不适用。阻性消声器是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。

1、阻性消声包括的形式：直管式、片式、折板式、声流式、蜂窝式、弯头式等。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）。

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；

      Ψ(α₀)－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和周长/截面比有关。

衰减量(LA)  消声器内部两点之间的声压级之差。通常用消声器单位长度上的衰减量来表征，dB/m。

LA是减噪量，l是消声器消声有效长度。

阻性消声器对消除高、中频噪声效果显著，对低频噪声的消除则不是很有效，其消声量与消声器的结构形式、空气通道横断面的形状与面积、气流速度、消声器长度以及吸声材料的种类、密度、厚度等因素有关护面板材料及其型式对消声效果也有很大影响。护面材料可采用柔软多孔透气的织物，如玻璃纤维布，或穿孔板。护面用的穿孔板一般采用薄钢板、铝板、不锈钢板加工制成。为了发挥吸声材料的吸声性能穿孔板的穿孔率应大于20%，孔径3-10mm。  阻性消声器一般宜在风速8m/s以下，不应宜>12m/s,微穿孔板消声器大风速的情况下(15~20m/s)风阻较大.常用吸声材料有玻璃纤维丝、低碳钢丝网、毛毡等。

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m_s^-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，其他管道取面积的开方值)。

若f>fc,每增加一个倍频程，消声量下降1/3，其估算公式：

n高于fc的倍频程带数将大风量粗管道应设计成多通道。

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；气流激发消声器构件振动而辐射噪声。

4 常用阻性消声器的类型

（1）直管式阻性消声器

直管式阻性消声器图

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。直管式阻性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。这是因为对于给定的消声器通道来说，当频率高到一定数值，声波在消声器中传播便不符合平面声波的条件了。对于小风量粗管道，其消声器可以使用直管式阻性消声器，而对风量较大的粗管道，则不能如此。

（2）.片式阻性消声器

片式阻性消声器图

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，每个小通道的尺寸都相同。

式中为消声器的有效长度，为气流通道的宽度（分离的相邻两片之间的距离）。从上式可以看出，片式消声器的消声量与每个通道的宽度有关，越小，越大，与通道的数目和高度没有什么关系。片式消声器的相邻两块消声片通常并成一片，中间消声片的厚度 T 为边缘消声片厚度 t 的两倍。工程上设计片式消声器时，通道宽度通常取 100~200 mm ，片厚 T 在 60~150 mm 之间选取。消声气流通道宽度为5O～350n~n。处理风量为10000-1200000m3／h。

（3）折板式、声流式、蜂窝式阻性消声器

折板式消声器如图 ，它实际上是片式消声器的变种。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。与折板式比较，它能使气流通畅流过，减少阻损。其缺点是加工复杂，造价高。 

蜂窝式消声器它实际上是由许多平行的小直管式消声器并联而成.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.蜂窝式消声器对中、高频声波的消声效果好。但其结构复杂，阻损较大。对每个单元通道最好控制在 300 × 300 平方毫米以下。如果按原道通流截面设计消声器，为了减小阻力损失，蜂窝式消声器的通流截面可选为原管道通流截面的 1.5~2 倍。

（4）弯头消声器

弯头式阻性消声器图

在弯头上挂贴吸声衬里，即构成弯头消声器，会收到显著的消声效果。按图可定性说明弯头消声原理。图中左边为没有挂贴吸声衬里的弯管，管壁基本上是近似刚性的，声波在管道中虽有多次反射，最后仍可通过弯头传播过去。因此，无衬里弯头的消声作用是有限的。图中右边为衬贴吸声材料的弯头。在弯头前的平面 B 处，主要存在轴向波，对于斜向波在由平面 A 至平面 B 的途中都会被衬里吸收掉。轴向波到达垂直管道时，由于弯头壁面的吸收和反射作用，使得轴向波的一部分被吸收掉，另一部分被反射回声源，其余部分转换为垂直方向继续向前传播。弯头消声器在低频段的消声效果较差，在高频段消声效果好，特别是满足 的那些频率，消声效果将迅速提高。这里， 为弯头的通道宽度， 为声波波长。在高频范围，有吸声衬里的弯头与同样长的无衬里弯头相比，其消声效果可高出 10dB 左右。弯头上衬贴吸声材料的长度，一般取相当管道截面尺寸的 2~4 倍。 弯头消声量与弯头的角度有很大关系。粗略地可认为与弯曲角度成正比。例如， 30 0 弯头的消声量可估算为 90 0 弯头的 1/3 ； 180 0 弯头 ( 管子折回 ) 的消声量大约为 90 0 弯头的 1.5 倍。 

    如果有两个以上的直角弯头串联，当各个弯头之间的间隔比管道截面尺寸大得多时，则可以认为几个弯头的总消声量等于一个弯头的消声量乘以弯头的个数。为了减少阻力损失，而且不使消声值下降，可把直角弯头做成下图  那样，内侧具有弯曲的形状。这种形状弯头的阻力损失要比一般直角弯头小得多。

阻力损失小的直角弯头

（5）迷宫式阻性消声器

迷宫式消声器

    迷宫式消声器也称室式消声器。在输气管道中途，例如，在空调系统的风机出口、管道分支处或排气口，设置容积较大的箱 ( 室 ) ，在它里面加衬吸声材料或吸声障板，就组成迷宫式消声器，如图所示。这种消声器除具有阻性作用外，通过小室断面的扩大与缩小，还具有抗性作用，因此消声频率范围较宽。 

    迷宫式消声器的消声性能与室的尺寸、通道截面、吸声材料及其面积等因素有关，可用下式估算，

（6）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。下面首先讨论气流对噪声传播的影响。 

    有气流时的消声系数的近似公式如下， 

式中 为没有气流时 ( 静态 ) 的消声系数， 称为马赫数，数值上等于消声器内流速与声速之比。 

    由上式看出，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。也就是说，顺流与逆流相比，逆流有利于消声。 

    气流在管道中的流动速度并不均匀，就同一截面而言，管道中央流速高；离开中心位置越远，速度越低；到接近管壁处，流速就近似为零了。如下图示，顺流时管道中央声速高，周壁声速低；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。 

    综合上述两方面的分析，消声器用在顺流与逆流各有利弊。由于工厂输气管道中的气流速度与声速比较起来都很小，因此气流对声传播与衰减规律的影响一般不很明显。一般来讲，在低频范围逆向比顺向消声效果好；而在高频范围情况恰好相反，顺向比逆向消声效果好。但综合起来看，顺向与逆向的消声性能并没有很大差别。 

气流对声折射的影响

二、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）

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。

(1)扩张室消声器（膨胀式消声器）

扩张室消声器

消声原理：扩张室消声器也称为膨胀室消声器，它是由管和室组成的。它是利用管道截面的突然扩张 ( 或收缩 ) 造成通道内声阻抗突变，使沿管道传播的某些频率的声波通不过消声器而反射回声源去。由于声波通不过消声器，也就传不出来，在管道内发生反射、干涉等现象，也就达到消声的目的。

消声量计算(单节) ：

其中TL是消声量，单位dB, m_s=S2/S1=S2/S3称为消声器扩张比，l₂为扩张室长度。S1、S3为管道截面积，S2扩张室截面积。

扩张管消声器的消声特性是周期性变化的，即某些频率的声波能够无衰减地通过消声器。由于噪声的频率范围一般较宽，如果消声器只能消除某些频率成分，而让另一些频率成分顺利通过，这显然是不利的。为了克服扩张室消声器这一缺点，必须对扩张室消声性能进行改善处理，方法有二：

(1) 在扩张室消声器内插入内接管，以改善它的消声性能。由理论分析可知，当插入的内接管长度等于扩张部分长度的 1/2 时，能消除那部分奇数倍的通过频率；当插入的内接管长度为扩张部分长度的 1/4 时，能消除那部分偶数倍的通过频率。这样，如果综合两者，即在扩张管消声器内从一端插入长度等于 1/2 倍的内接管，从另一端插入长度等于 1/4 倍的内接管，如图所示，就可以得到在理论上没有通过频率的消声特性。

(2) 采用多节不同长度的扩张室串联的方法，可解决扩张室对某些频率不消声的问题，如下图所示。把各节扩张室的长度设计得互不相等，使它们的通过频率互相错开。比如，使第二节扩张室的消声量的频率设计得恰好为第一节扩张室消声量为 0 的通过频率。这样，多节扩张室消声器串联，不但能提高总的消声量，而且能改善消声器的频率特性。由于各节扩张室之间有耦合现象，故总的消声量不等于各节扩张室消声量的算术相加。

长度不等的多节扩张室串联结构

（2） 共振式消声器

共振消声器

共振消声原理

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，消耗声能多，消声量大。

消声量的计算：

式中管道截面为 ,  S₀ 为小孔截面积， 为密闭空腔容积， 为孔颈有效长度， ，这里为小孔颈长，如为穿孔板，则为板厚； 为修正项，对于直径为 的圆孔， 。 

定义传导率 ，对于圆孔得到，

工程上的共振器很少是开一个孔的，而是由多个孔组成，此时应注意各孔之间要有足够大的距离。

（3）干涉式消声器：

消声原理：借助于相干声波相互抵消作用，来达到消声目的。

分类：无源(被动式)消声器和有源(主动式)消声器两类。

特点：具有显著的频率选择性。

三、阻抗复合式消声器

阻抗复合式消声器，是按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。常用的阻抗复合式消声器有“阻性 - 扩张室复合式”消声器、“阻性 - 共振腔复合式”消声器、“阻性 - 扩张室 - 共振腔复合式”消声器以及“微穿孔板”消声器。在噪声控制工作中，对一些高强度的宽频带噪声，几乎都采用这几种复合式消声器来消除，图所示是常见的一些阻抗复合式消声器。 

    阻抗复合式消声器，可以认为是阻性与抗性在同一频带的消声值相迭加。但由于声波在传播过程中具有反射、绕射、折射、干涉等特性，所以，其消声值并不是简单的迭加关系。对于波长较长的声波来说，当消声器以阻与抗的形式复合在一起时有声的耦合作用。在实际应用中，阻抗复合式消声器的消声值通常由实验或实际测量确定。 

常见的阻抗复合式消声器 

微穿孔板消声器是一种特殊的消声结构，它利用微穿孔板吸声结构而制成，是一种新型消声器。通过选择微穿孔板上的不同穿孔率与板后的不同腔深，能够在较宽的频率范围内获得良好的消声效果。因此，微穿孔板消声器能起到阻抗复合式消声器的消声作用。 

微穿孔板消声器的理论计算模