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柴油发电机消声器的分类与工作原理 |
摘要：排气噪声是柴油发电机组最主要的噪声源，由于其功率大，它一般比汽油机的其他噪声高10-15dB(A)。随着柴油机功率及强化程度的提高，排气系统内气流速度加大，排气噪声也明显会增大，从而使发电机组整机噪声有增大的趋势。降低排气噪声的有效方法是使用排气消声器，所以，排气消声器性能的优劣对柴油发电机组噪声的控制和缓解噪声污染有极其重要的作用。康明斯公司在文章中分析了柴油发电机组排气噪声的产生特性和控制措施，同时对消声器的类别及其工作原理进行了细致讲述并附注了结构图。
一、排气噪声的产生和控制
1、排气噪声的产生
根据柴油机的工作原理、工作状态和有关声学方面的理论，可将柴油机主要噪声源分为空气动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声3种。在没有排气消声器时，排气噪声是最大的噪声源。
柴油机工作时，气缸内的废气随着排气口间歇性地开启而周期性地喷射到气管内，因此产生的排气噪声是周期性的，其主要频率成分为：
f1=k·n/60r（HZ）...................（公式1）
式中，k为柴油机的气缸数；
n为柴油机的转速，单位为r/min；
t为柴油机的冲程数，二冲程柴油机t=1，四冲程柴油机r=2。
图1是康明斯柴油机排气噪声的实测频谱特性。可见此柴油机排气噪声呈现低中频特性，低频峰值一般在100Hz左右，中频峰值在200～700Hz之间。由式(2.1)可知：低频噪声是由柴油机转速、气缸数及冲程数来决定的，中频噪声则是由高次谐波延伸造成的，而高频噪声则是由于排气涡流、气缸内燃烧以及机件、管道振动造成的。
图2的康明斯柴油机排气噪声实测结果表明，消声器分别在频率35.6 Hz、66.7 Hz、107.3 Hz处出现正的峰值，说明消声器在该几个频率点形成共振消声。35 Hz为发动机转速基频，70 Hz、105 Hz分别为发动机运转的一次谐波和二次谐波，与仿真分析结果基本一致。图示同时可知，在频率35.6 Hz处，传递损失达到20 dB为最大，也就证明消声器在基频处对气体噪声衰减达到最佳。同时在一次谐波和二次谐波处，消声器对噪声衰减均有一定效果。
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图1 柴油发电机排气噪声实测频谱特性曲线 |
图2 柴油机消声器传递损失曲线 |
由此可见，排气噪声主要包含以下频率成分：
（1）基频排气噪声：
由于每个气缸的排气门开启时，气缸内的气体突然高速喷出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，从而激发出噪声。由于各缸排气是在指定的相位上周期地进行，因此这是一种周期性的噪声，是典型的低频噪声。
（2）排气管内气柱共振的噪声：
排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，因发生共振而产生空气柱共振噪声。
（3）排气歧管处的气流吹气声：
某一缸废气大量排气时，气流流向总管，也会吹向其他气道开口处，气流流速也会随着曲轴转角发生较大幅度的变化，从而产生一种周期性的涡流。这种涡流使歧管内的气体产生压力波动，从而激发出以高频为主的噪声。
（4）赫尔姆霍茨共振噪声：
柴油机在排气时，气缸与排气管相通，该气缸此时正是一个赫尔姆霍茨共振器，由赫尔姆霍茨效应可知，此时会产生共振。它与柴油机转速无关，多缸时则不明显。
（5）废气喷注和冲击噪声：
废气喷注噪声是由于排气门处高速的气流喷注而产生的。同时，排气门附近存在着压力不连续面，气流经过此处时会产生冲击波而激发冲击噪声，废气喷注和冲击噪声是连续宽频带的高频噪声。
（6）排气系统管道内壁面处的摩擦及素流噪声：
在自由排气阶段，废气的流动是素流流动。紊流气体在排气道内壁面附近形成的涡流引起壁面附近气体压力波动，辐射出噪声，这种噪声主要为宽频带的高频噪声。
柴油发电机组排气系统噪声产生的因素很多，除了上述六种组成部分外，还有其他一些组成声源。如：排气门杆产生的涡流噪声、排气系统中再燃烧产生的噪声、由排气脉冲压力激发管壁造成的噪声、排气门落座声、通过截面突变处的气流湍流噪声等。
2、排气噪声的控制
柴油发电机组排气噪声的控制，通常是从控制排气噪声的产生和传播这两方面来考虑的。
（1）控制排气噪声的产生
控制排气噪声的产生就是减少噪声源，根据上述噪声源产生的机理，对产生排气噪声的系统进行相应的改进。对产生排气噪声的系统进行改进的途径主要是对柴油机的结构和参数的改进。这种方法是最彻底，而且其潜力也是最大的。但这些改动，涉及到柴油机排气噪声的控制，需要考虑产生排气噪声的各种因素，牵扯到柴油机本身及排气系统的噪声，要综合考虑并进行大量的实验研究，其难度是非常大的。
（2）控制排气噪声的传播
控制排气噪声的传播则主要有加装排气消声器和隔离排气歧管传来的机械振动两种方法。这两种方法对柴油机性能影响不大，又比较容易实现。目前得到最广泛运用的降噪方法就是在排气系统中安装适当的排气消声器，使噪声向环境辐射之前就得到大幅度的衰减，从而起到降低排气噪声的作用。隔振方法通常包括改进排气歧管结构来改善振动特性和隔离排气歧管传递的振动两种手段。
二、消声器的分类与消声机理
根据消声机理的不同，排气消声器可以分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合型消声器以及电子消声器。
1、阻性消声器
阻性消声器主要是利用吸声材料来消减噪声，把吸声材料固定在气流流动的管道内壁，或把它按一定的方式在管道中排列组合，就构成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器中，一部分声能便被吸声材料吸收，起到了消声的作用。这种消声器的优点是在中高频范围内的消声效果较好，特别是对刺耳的高频声波有突出的消声作用。缺点是柴油机排出的水蒸气及颗粒会影响吸声材料的性能，降低使用寿命，而且它对低频噪声消声效果比较差。
2、抗性消声器
抗性消声器又称声学滤波器，它是根据声学滤波的原理制成的，利用消声器内声阻、声顺和声质量的适当组合，使声波中某些频率的噪声反射回噪声源或大幅度抵消，从而达到消声的目的。这类消声器一般是全金属结构，其结构简单、耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、不会被废气中的碳灰微粒堵塞、成本低而且寿命长。因此柴油发电机组采用这种消声器十分合适。抗性消声器的消声频带窄，对高频噪声的消声效果差。为了弥补这种缺陷，常采用多级组合或加上穿孔板等高频消声效果较好的结构，组成宽频带的消声器。抗性消声器最基本的形式为扩张式消声器和共振式消声器。
（1）扩张式消声器
扩张式消声器的工作原理有两点：
① 利用管道截面的突变引起声阻抗的变化，使沿管道传播的声波朝声源方向反射回去。
② 通过改变扩张室和内接管的长度，使前进的声波与在管中不同界面上的反射波之间的相位差180°，产生干涉而相互抵消，从而达到消声的目的。
各种管道和扩张腔之间相互组合就可以阻止某些频率成分的噪声通过，但有个缺点是存在多个通过频率，通过频率的消声量等于零，因此通常采用内插管法（结构如图3）和多节扩张腔串联法（结构如图4）消除通过频率。内插管法是把消声器扩张腔进、出口处分别插入扩张腔一半长度和四分之一长度的两根小管。理论分析，两者结合可获得没有通过频率的消声性能。
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图3 内插管扩张室式消声器结构
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图4 膨胀扩张室式消声器结构 |
（2）共振式消声器
共振式消声器常采用穿孔管和穿孔板形式，穿孔管是一种通过管道开孔与赫尔姆霍茨共鸣腔相连而成的结构，它在管路中设置颈部并与空腔结合，颈部起质量作用，空腔起弹簧作用，由于声音能量短路，消耗声能而达到消声目的。穿孔板是在排气通路上开有许多小孔，它的消声频带较宽。
① 穿孔管式消声器
穿孔管式消声器中存在大量的气流，且大部分波在临界入射角附近传播。每个穿孔可以看作是一个管道系统，由于流体交替地进入，不能简单解释从孔孔中发散而引起的粘性和惯性效应的末端校正，但可用无限长管道的理论来描述管道的阻抗。在发动机运转基频处，传递损失达到20 dB，对气体噪声衰减达到最佳；在发动机运转一次谐波和二次谐波处，消声器对噪声衰减也有一定效果。通过改变消声器的结构参数，能获得不同的噪声衰减效果。
② 穿孔板消声器
穿孔板消声器是衬装微穿孔板结构的消声器。能在较宽的频带范围内消除气流噪声，而且具耐高温、耐油污、耐腐蚀的性能，即使在气流中带有大量水分，也不影响工作。由于穿孔直径小、板面光滑，因此消声器阻损比一般阻性消声器要小。对低、中、高各频带消声量较平直，消声量大，对低频消声效果较明显，适用于通风空调系统的中、低压风机、空气动力噪声消声。更适用于要求较高的洁净厂房、无菌室、食品卫生工业、宾馆等通风空调系统，微穿孔板消声器内外孔板用龙骨固定，通过选择不同的穿孔率的孔板及不同腔深组合，可在较宽的频带范围内获得良好的消声效果。
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图5 穿孔管式消声器结构示意图 |
图6 穿孔板式消声器结构示意图 |
3、阻抗复合消声器
阻抗复合消声器是综合上述两种消声器的特点制成的。这种消声器既有阻性吸声材料，又有共振腔、扩张室一类的抗性滤波元件，在一个很宽的频率范围内都具有良好的消声效果，但阻性材料的采用缩短了其使用寿命。
4、电子消声器
近几十年来，随着计算机的发展，电子控制装置的性价比的提高，“电子消声器”已成为可能，在有源消声和半有源消声上的研究不断深入。有源消声系统的优点在于：可以减小消声器体积，减少背压，使消声器减少复杂程度，从而实现标准化。有源消声系统必须要有高速度的信号处理器和承受高温与振动的换能器，另外对有源噪声抵消系统来说，还需要有减少气流脉冲的精密而快速的执行器，有源消声器和半有源消声器的真正完全实现产品化还需要进一步的研究。
总结：
随着国民经济的飞速发展，各种交通工具数量日益增多，由此带来的噪声污染已成为干扰和破坏国民生活的一大公害。噪声可以对人的听觉器官造成伤害，干扰交谈，妨碍睡眠，造成人的身心疲劳，高频噪声还能使建筑物和仪器设备受到损伤。各项调查和测量表明，柴发噪声是目前生产工厂中最大的噪声源。因此，降低柴油发电机组的噪声是减少企业全厂噪声的根本途径。
我国消声器设计仍以类比选型设计为主，消声效果不好，针对性不强，开发周期长。利用计算机建立模型，编制相应的软件来进行消声器匹配优化设计，使消声器设计周期缩短，节省了人力和物力，具有重要的现实意义"。目前，国内外的大学和科研机构都在进行这方面的研究，力求改进消声系统的数学模型，编制使用方便、计算结果精度较高的软件。
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