柴油机消声器的设计原理及测试方法

第一部分：柴油机消声器设计原理

一、阻性消声器的原理

阻性消声器是利用吸声材料的吸声作用，使沿管道传播截面积的改变或旁接共振腔等在声传播过程引起声阻抗的改变，产生声能的反射与消耗，从而达到消声目的的消声装置。

其主要原理是利用多孔吸声材料来降低噪声。把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消音器。当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。阻性消音器器就好像电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。因此，人们就把这种消声器称为阻性消声器。阻性消声器对中高频消声效果奸、对低频消声效果较差。

阻性消声器形式种类很多，目前用在机房低噪声工程上的主要由直管式消声器和片式消声器两种。其消声性能主要与通道形式、长度及吸声材料的性能有关。直管式消声器是阻性消声器中最简单的一种。

二、阻性消声器设计技术要点：

2.1、正确合理选择阻性消声器的结构形式

对大风量大尺寸进排风要求场合宜选用片式消声器,对消声量要求较高,风压余量较大的进排风场合宜选用折板式或多室式消声器,对确少安装空间的场合可选用百页式消声器。

2.2、正确选用阻性吸声材料

选择阻性消声器内的多孔吸声材料除了应满足吸声性能要求之外,还应注意防潮、耐湿、耐气流冲刷及净化等工艺要求。通常采用离心玻璃棉和矿棉作为吸声材料，如有净化及防纤维吹出要求，则可采用阻燃聚氨脂声学泡沫塑料，对某些地下工程砖砌风道消声，则可选用膨胀珍珠岩吸声砖作为阻性吸声材料。

2.2.1 合理确定阻性消声器内吸声层的厚度及密度

对于一般阻性直管式及片式消声器的吸声片厚度宜为50~100mm,对于低频噪声成分较多的管道消声,则消声片厚度可取150~200mm,而靠消声器外壳的吸声层厚度一般可取消声片厚度的一半;为减少阻塞比,增加气流通道面积,也可将片式消声器的消声片设计成一半为厚片,一半为薄片。消声片内的离心玻璃棉或矿棉的密度通常应选24~48kg/m3,密度大一些对低频消声有利。而阻燃聚氨脂声学泡沫塑料的密度宜为30~40kg/m3。

2.2.2 合理确定阻性消声器内气流通道的断面尺寸

阻性消声器的断面尺寸对消声器的消声性能及空气动力性能均有直接关系。下表为阻性消声器通道断面尺寸控制值,超过该控制值,消声器将呈高频失效状态。

2.2.3 合理确定阻性消声器内消声片的护面层材料

消声片的护面层材料及做法应满足不影响消声性能及与消声器内的气流速度相适应两个前提条件。最常见的护面层材料为玻璃纤维布加金属穿孔板，玻璃纤维布一般为0.1-0.2mm,而金属穿孔板一般要求穿孔率≥20%,孔径常取Φ4~Φ6。在工程上对有防水要求的护面层，则可在金属穿孔板内加设一层聚已烯薄膜或PVF耐候膜，这样一来虽对高频吸声有一定影响，但对低频吸声略有改善。

2.2.4 合理确定消声器的有效长度

由于消声器的实际消声效果受声源强度、气流再生噪声及末端背景噪声的影响,在一定条件下, 消声器的长度并不同消声量成正比,因此必须合理确定消声器的有效长度。一般可选择1~2m，消声要求较高时可选3~4m，并以分段设置为好。

2.2.5 控制消声器内的气流速度

对有较高安静要求的消声场合, 消声器内的气流速度应控制在5~8m/s以内。

2.2.6 改善阻性消声器低频性能的措施

由于阻性消声器低频性能较中高频性能要差,设计中可采用加大消声片厚度、提高多孔吸声材料密度、在吸声层后留一定深度的空气层，或采用阻抗复合式消声器等措施

三、阻性消声器的计算

3.1 直管式消声器消声量计算公式为：

ΔL=Φ（a0）L*P/S

式中:

ΔL为消声量，

Φ（a0）为与材料吸声系数a0有关的消声系数。(粗略计算时可取Φ（a0）值为1)

L为消声器有效长度

P为消声器通道截面周长

S消声器通道截面积

由公式可知，阻式直管式消声器的消声量除同吸声材料性能有关外，还与消声器的有效长度L及通道截面周长P成正比，而与消声器通道截面积S成反比。因此增加有效长度L和通道周长与截面积之比P/S即可提高消声量。当通道截面积因流量、流速要求而确定时，选择合理的通道截面形状，也可提高消声效果。

3.2 片式消声器消声量计算公式为：

ΔL=2Φ（a0）*L *（a+h）/a*h

式中：ΔL为消声量，

Φ（a0）为与材料吸声系数a0有关

的消声系数。

L为消声器有效长度

a消声器通道宽度

h消声器通道高度

3.3 阻式消声器的上限失效频率

当阻式直管式消声器通道截面积较大时，如圆管直径或方管边长大于

300mm，片式消声器的片间距大于250mm，高频声波将成束状直接通过消声器，而很少与管道内壁面吸声层面接触，减少了声吸收，降低了消声效果。工程中将此现象称为高频失效，并将消声量开始明显下降的频率称为上限失效频率,其经验计算公式为：

f上=1.85*c/D

式中:

f上为上限失效频率

c为声速=340(m/s)

D为通道截面的直径(m),当通道截面为矩形时(边长为a,h), 则D=1.13。

二、抗性消声器

1、抗性消声器的原理

抗性消声器：通过管道截面的突变处或旁接共振腔等在声传播过程中引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能,以达到消声目的的消声器。

主要适于降低低频及中低频段的噪声。抗性消声器的最大优点是不需使

用多孔吸声材料,因此在耐高温、抗潮湿、对流速较大、洁净要求较高的条件均比阻性消声器好。

抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，好像是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。与电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。当包含有各种频率成分的声波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔．只能在小室中来回反射，因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。选取适当的管和室进行组合．就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。抗性消声器适用于消除中、低频噪声。

2、阻性消声器设计技术要点

2.2.1、抗性消声器的分类

抗性消声器就是一组声学滤波器，滤掉某些频率成分的噪声，达到消声的目的。它与阻性消声器最大的区别是没有多孔性吸声材料，包括共振式消声器和扩张式消声器等。

共振式消声器是利用共振结构的阻抗引起声波的反射而进行消声。它由小孔板和共振腔构成。主要用于消除低频或中频窄带噪声或峰值噪声。结构简单，空气阻力小。

扩张式消声器又称膨胀式消声器，由各个扩张室与连管连接起来组成。它是利用横断面积的扩张、收缩引起声波的反射与干涉来进行消声的。其消声性能主要取决于扩张室的扩张比和长度。

抗性消声器主要适用于降低以中低频噪声为主的空气动力性设备噪声，如发动机排气噪声等。

2.2.2、抗性消声器的主要控制参数

抗性消声器选用的主要控制参数是消声量、频谱特性、风速、风量、空气阻力（系数）。

为防止再生噪声的影响，消声器空气通道内流速应根据控制噪声级标准的要求确定，阻性消声器一般宜在8m/s以下，最大不应宜＞12m/s。

合理确定抗性消声器的膨胀比m值，以确定消声器的大小，对于较大风量的管道，m值可取3~5；中等大小风管，m值可取6~8；较小的管道，则可取m值为8~15，最大不宜大于20。

合理确定抗性消声器膨胀室及插入管的长度,以消除通过频率,改善消声特性。

扩张室的长径比影响抗性消声器的消声频率和特性，长径比大，低频性能较好，反之，高频消声性能改善

3、抗性消声器的计算：

抗性消声器的消声性能主要同抗性膨胀室的膨胀比m及膨胀室的长度L有关，

膨胀比决定抗性消声器消声量的大小，长度决定抗性消声器的消声频率特性抗性消声器最大消声量计算公式:

当m＞5时,最大消声量可近似由下式计算:

ΔLmax=20 lg m -6

与消声量最大值相对应的峰值频率和扩张室长度分别为: fn=(2n+1)*c/4L

L=(2n+1)*λ/4 式中: c为声速, λ为波长。λ= c/f

当抗性消声器扩张室长度为四分之一波长的奇数倍时,消声量为最大值,而当扩张室长度为二分之一波长的整数倍时,消声量为零，其相应的频率称为通过频率，通过频率和相应的扩张室长度分别为：

fn=n*c/2L

L=n*λ/2

由于单节抗性消声器有许多通过频率的缺点，因此在工程应用上常采用内接插入管及多节扩张室串联的方法，以消除通过频率。如当插入管长度为1/2扩张室长度时，可消除1/2长的奇数倍通过频率，当另一端插入管长度为1/4扩张室长度时，则可消除1/2长的偶数倍通过频率。

由抗性消声器消声量公式可知，消声量随膨胀比m值的增大而提高，但当m值过大时，膨胀室截面积也较大，此时，也会如阻性消声器一样产生抗性消声器高频失效现象，使消声量显著降低。一般情况下，为了保证一定的消声效果，消声器的膨胀比应大于4。

第二部分：柴油机消声器的测试方法

一、适用范围：

本标准规定了内燃机的排气消声器的试验方法

本标准适用于公司的中小功率覆盖的所有机型。

二、消声器的定义及基本要求：

2.1消声器的定义：

消声器：

为具有吸声衬里或特殊形式的气流管道，可有效地降低气流噪声的装置。2.2消声器有三方面基本要求：

1）较好的消声频率特性（声学性能）。

2）空气阻力损失小（空气动力学性能）。

3）结构简单、寿命长，体积小，造价低（结构性能）。

2.3消声器消声性能的常用指标如下：

1）传声损失：为入口与出口声功率级的差。（评价效果好，较难测量）

2）末端声压级差：为入口与出口声压级的差。（误差大，容易测量）

3）插入损失：在系统某处，有无消声器时声压级的差。（较实用）

4）每米消声量：是沿消声管道中，每米的消声量dB。（比较常用插入损失：消声器的插入损失为装配消声器前后，通过排气口辐射声功率级之差。符号：D,单位dB。

功率损失比：消声器的功率损失比为内燃机标定工况下，使用消声器前后的功率差值和没有使用消声器时功率值的百分比。符号：r

注：内燃机排气消声器一般包括从消声器进气口开始的整个消声器部件，不包括内燃机排气管和排气岐管。

三、测量条件：

3.1 在实验室测量中，内燃机应按GB1105.1中规定的标定工况，即在标定

功率好相应转速下稳定运转。油温、水温（风温）达到稳定时方能进行测试。

3.2 内燃机排气系统（包括消声器、管道）的长度、管径胡形状要尽量接

近实际使用情况。

3.3 除排气噪声外，其他噪声均做完测量时的背景噪声，测量噪声与背景

噪声声压级之差在10dB以上，若测量噪声与背景噪声声压级之差在3dB以下，则应对背景噪声声源采取措施后，再进行测量，如在3～10dB应按照下表进行

修正（即测量噪声减去修正值）

测量噪声和背景噪

3 4-5 6-9 10和10以上声声压级之差值dB

修正值 dB 3 2 1 0

停止测试。

3.5 测点位置要求在与排气口气流轴向成45?方向上，距离500mm处，传声

器指向排气口（图1）。若有两个排气口时，测点选在与两个排气口轴向成45?方向上，按图2所示的两个假定圆的交点处（图2）。对于大型机组，测点距离可适当增加，小型机组可适当缩短，但是测点到排气口距离应大于3倍的管口直径。且测量结果应不受气流影响。测点距地面高度大于1m，测点距其他反射面的距离大约二倍测距。在试验中，测点和排气口相对位置保持不变。

3.6 为保持测量时声场分布状况不变，测点附近应符合自由场条件，或测

点和周围环中反射面保持相对位置不变。

图一