2008年環保工程師講義之消聲降噪工程(三)
發布時間：2010-01-14 共1頁
二、擴張室消聲器
擴張室消聲器是抗性消聲器的主要形式之一。抗性消聲器和阻性消聲器不同，它不使用吸聲材料，而是利用各種不同形狀的管道、腔和室進行適當的組合，提供管道系統的阻抗失配，使聲波產生反射或干涉現象，從而降低由消聲器向外輻射的聲能。抗性消聲器的性能和管道結構形狀有關，一般選擇性較強，適用于窄帶噪聲和低、中頻噪聲的控制。
1、消聲原理及分類
擴張室消聲抗性消聲器最常用的結構形式，也稱膨脹式消聲器。其主要消聲原理是：利用管道的截面突變引起聲阻抗變化，使得一部分沿管道傳播的聲波反射回聲源;同時，通過腔、室和內接管長度的變化，使得向前傳播的聲波與在不同管截面上的反射波之間產生 的相位差，相互干涉，從而達到消聲的目的。
按其通道的結構形式，擴張室消聲器可分為單腔式、孔形式、錐形式、帶外連接管的雙節式、帶內連接管的雙節式五種基本形式。
2、擴張室消聲器消聲量的計算
(1)單腔擴張室消聲器
如果只考慮擴張室本身的特性，單腔擴張室消聲器的傳遞損失可以采用下式計算：
式中： ―擴張室長度,m; ―擴張比， ; ―擴張室截面積,m2 ; ―進氣管截面積,m2 ; ―出氣管截面積,m2 ; ―波數， 。
多數情況下，擴張室消聲器的進、出氣口管徑是一樣的， 。消聲量表達式為：
圖5-2-48給出的是不同 值的單節擴張室消聲器傳遞損失曲線。傳遞損失是一個周期性函數。當 時，消聲量為最大值，此時，上式可寫成： 由 和 可以計算出消聲器的最大消聲頻率和通過頻率(無衰減)
為了消除某一特定頻率的噪聲可適當選擇擴張室的長度，以使消聲器在該頻率上有最大消聲量。
(2)外連接管雙腔擴張室消聲器
為了改進擴張室消聲器的性能，經常把兩節擴張室消聲器用一定長度的連接管聯結起來。帶外連接管的雙腔擴張室消聲器的傳遞損失為; (3)內連接管雙腔擴張室消聲器
內連接管雙腔擴張室消聲器的傳遞損失為： (4)孔形擴張室消聲器
孔形擴張室消聲器的傳遞損失可按下式計算： (5)錐形式擴張室消聲器
在有些情況，不允許使用管道橫截面突然收縮和膨脹的消聲器，可以使用錐形過渡管室，它的原理和一般擴張室消聲器相同。傳遞損失按圖5-2-52計算。
3、擴張室消聲器的設計
(1)消聲器基本結構的選擇
單腔擴張室在實際應用中比較少，為了在較寬的頻率范圍內有較好的消聲效果，通常把多節不同的擴張室消聲器用不同長度的插入管串聯起來。多節組合的擴張室消聲器的傳遞損失，可以先分別計算各單腔擴張室消聲器的傳遞損失，再進行算術疊加。當然，由于各個擴張室之間存在耦合現象，總的消聲量并不等于算術疊加值，但作為定性還可以采用。
通過多節擴張室的串聯組合，可以改善整個消聲頻率特性，同時還可以提高總的消聲量。
由于消聲器通道截面的突然擴張和收縮，將會增大擴張室消聲器的阻力損失，為了改善其空氣動力性能，常借助穿孔管將擴張室的插入管連接起來。
在實際應用設計中，有時為了減少體積，把多個擴張室消聲器單元，通過串聯和并聯等方式，合理的組合，滿足聲學指標和空氣動力性能指標。
(2)上、下限截止頻率的控制
擴張室消聲器的消聲量隨著擴張比的增大而增加，為獲得較大的消聲量就要增大擴張比。可以通過兩個途徑達到目的：一是增加擴張室的截面積，二是縮小進、排氣管的口徑。而后者將受到流速、壓力損失等因素的限制，對于前者也不能無限度地增大。基于平面波理論，當擴張室的橫截面積過大時，波長很短的高頻聲波以窄聲束形式從消聲器通道中部通過，類似阻性消聲器的高頻失效頻率那樣，將導致消聲量急劇下降。擴張室消聲器的上限截止頻率可用下式計算： 式中： ――聲速，m/s;D――擴張室直徑(對于面積為S的矩形截面 )，m。
擴張室的截面積越大，消聲上限截止頻率越低，即消聲器的有效消聲頻率范圍越窄。因此，擴張比不能盲目地選擇太大，要兼顧消聲量和消聲頻率兩個方面。
為了解決上限截止頻率的影響，可以用一組并聯的小通道代替一個大通道，在每個小通道上設計安裝消聲器，這樣即可在有足夠擴張比的條件下，使擴張室截面不致過大，從而在較寬的頻率范圍內有較大的消聲量。此外，也可以錯開擴張室進、出口管的軸線。
在低頻范圍，外來聲波的頻率與擴張室和連接管構成的聲-振系統的共振頻率相近時，會使聲音放大。擴張室消聲器還存在一個下限截止頻率。 式中： ―連接管的截面積,m2; ―擴張室容積,m3 ; ―連接管的長度,m; ―聲速, m/s。
(3)擴張室消聲器的設計程序
①根據聲源的頻譜特性，合理地選擇最大消聲頻率，并以此來確定各個擴張室及其插入管的長度。
②根據所需的消聲量，確定消聲器的擴張比m，給出擴張室截面的幾何參數。
③對所設計的消聲器結構，進行上、下限截止頻率的驗算，判定其是否在所需消聲頻率范圍之外，如果是在所需范圍之內，則應重新修改設計方案。
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