柴油发电机消声器的内部构造与消音机理

摘要：排气噪音是康明斯发电机组较具体的噪声源，因为其功率大，它一般比柴油机的其他噪音高10-15dB(A)。随着柴油发电机容量及强化程度的提高，排气机构内气流转速加大，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。减小排烟噪音的有效方法是操作排烟消声器，故而，排烟消声器性能的优劣对柴油发电机组噪音的控制和缓解噪声污染有极其重要的功能。康明斯公司在文章中解析了柴油发电机组排气噪声的产生特征和控制对策，同时对消声器的分类及其作业原理进行了细致简述并附注了结构图。

      根据柴油发电机的工作原理、工作状态和有关声学方面的理论，可将柴油发电机主要噪音源分为空气动力性噪音、机械噪音和燃烧噪音3种。在没有排气消声器时，排气噪音是较大的噪声源。

      柴油发电机作业时，气缸内的废气随着排烟口间歇性地开启而周期性地喷射到气管内，因此出现的排气噪音是周期性的，其详细频率成分为：

      图1是康明斯柴油发电机排烟噪声的实测频谱特性。可见此柴油发电机排烟噪声呈现低中频特点，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：低频噪声是由柴油发电机转速、汽缸数及冲程数来决定的，中频噪音则是由高次谐波延伸造成的，而高频噪音则是因为排气涡流、汽缸内燃烧以及机件、管道震动造成的。

      图2的康明斯柴油发电机排烟噪音实测结果表明，消声器分别在频率35.6 Hz、66.7 Hz、107.3 Hz处产生正的峰值，说明消声器在该几个频率点形成共振消声。35 Hz为发电机转速基频，70 Hz、105 Hz分别为发电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为较大，也就证明消声器在基频处对气体噪声降低达到较佳。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。

图1  柴油发电机排烟噪声实测频谱特点曲线  柴油发电机消声器传递损失曲线

      柴油发电机组排气噪音的控制，通常是从控制排烟噪声的出现和传播这两方面来考虑的。

      控制排气噪声的出现就是减小噪声源，根据上述噪音源产生的机理，对发生排气噪音的机构进行相应的改进。对产生排气噪声的系统进行改善的手段具体是对柴油发电机的结构和参数的改进。这种途径是较彻底，而且其潜力也是较大的。但这些改动，涉及到柴油发电机排气噪音的控制，需要考虑出现排烟噪音的各种要素，牵扯到柴油发电机本身及排气装置的噪音，要综合考虑并进行大量的实验探讨，其难度是非常大的。

      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震动两种对策。这两种策略对柴油发电机性能影响不大，又比较容易实现。目前得到较广泛运用的降噪办法就是在排气机构中装配适当的排烟消声器，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用途。隔振手段通常包括改进排气歧管结构来改善振动特征和隔离排烟歧管传递的振动两种办法。

       根据消声原理的不同，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。

     阻性消声器详细是利用吸声材料来消减噪音，把吸声材料固定在气流流动的管道内壁，或把它按一定的程序在管道中排列组合，就组成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器中，一部分声能便被吸声材料吸收，起到了消声的功能。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用途。缺陷是柴油发电机排出的水蒸气及颗粒会影响吸声材料的性能，减轻使用时限，而且它对低频噪音消声效果比较差。

      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、声顺和声品质的适当组合，使声波中某些频率的噪音反射回噪音源或大幅度抵消，从而达到消声的目的。这类消声器一般是全金属组成，其构成简单、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构造，构造宽频带的消声器。抗性消声器较基本的形式为扩张式消声器和共振式消声器。

      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音通过，但有个短处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。

      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，颈部起品质作用，空腔起弹簧作用，因为声音能量短路，消耗声能而达到消声目的。穿孔板是在排烟通路上开有许多小孔，它的消声频带较宽。

      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，因为流体交替地进入，无法简易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。在发电机运转基频处，传递损失达到20 dB，对气体噪声衰减达到较佳；在发电机运行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数据，能获得不一样的噪声衰减效果。

      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处置气流噪音，而且具耐发热、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，实用于通气空调机构的中、低压风机、空气动力噪声消声。更适合于要求较高的洁净厂房、无菌室、食品卫生工业、宾馆等通气空调机构，微穿孔板消声器内外孔板用龙骨固定，通过选购不一样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。 

      阻抗复合消声器是综合上述两种消声器的特征制成的。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时限。

      近几十年来，随着计算机的发展，电子控制机构的性价比的提升，“电子消声器”已成为可能，在有源消声和半有源消声上的探求不断深入。有源消声装置的亮点在于：可以减少消声器体积，减轻背压，使消声器减少复杂程度，从而实现标准化。有源消声机构必须要有高转速的信号清除器和承受过热与震动的换能器，另外对有源噪音抵消机构来说，还需要有减轻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讨论。 

      随着国民经济的飞速发展，各种交通工具数量日益增多，由此带来的噪音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，高频噪音还能使建筑物和仪器装备受到损伤。各项调查和检测表明，柴发噪音是目前生产服务中心中较大的噪声源。因此，减小康明斯发电机组的噪声是降低企业全厂噪音的根本举措。

      我国消声器规划仍以类比选择规划为主，消声效果不良，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规划，使消声器布置周期缩短，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系统都在进行这方面的探讨，力求改进消声系统的数学模型，编制操作方便、计算结果精度偏高的软件。