新聞主題	柴油發電機消聲器的分類與工作原理

 

摘要：排氣噪聲是柴油發電機組最主要的噪聲源，由于其功率大，它一般比汽油機的其他噪聲高10-15dB(A)。隨著柴油機功率及強化程度的提高，排氣系統內氣流速度加大，排氣噪聲也明顯會增大，從而使發電機組整機噪聲有增大的趨勢。降低排氣噪聲的有效方法是使用排氣消聲器，所以，排氣消聲器性能的優劣對柴油發電機組噪聲的控制和緩解噪聲污染有極其重要的作用。康明斯公司在文章中分析了柴油發電機組排氣噪聲的產生特性和控制措施，同時對消聲器的類別及其工作原理進行了細致講述并附注了結構圖。

 

一、排氣噪聲的產生和控制

 

1、排氣噪聲的產生

      根據柴油機的工作原理、工作狀態和有關聲學方面的理論，可將柴油機主要噪聲源分為空氣動力性噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲3種。在沒有排氣消聲器時，排氣噪聲是最大的噪聲源。

      柴油機工作時，氣缸內的廢氣隨著排氣口間歇性地開啟而周期性地噴射到氣管內，因此產生的排氣噪聲是周期性的，其主要頻率成分為：

f1=k·n/60r（HZ）...................（公式1）

式中，k為柴油機的氣缸數；

n為柴油機的轉速，單位為r/min；

t為柴油機的沖程數，二沖程柴油機t=1，四沖程柴油機r=2。

      圖1是康明斯柴油機排氣噪聲的實測頻譜特性。可見此柴油機排氣噪聲呈現低中頻特性，低頻峰值一般在100Hz左右，中頻峰值在200～700Hz之間。由式(2.1)可知：低頻噪聲是由柴油機轉速、氣缸數及沖程數來決定的，中頻噪聲則是由高次諧波延伸造成的，而高頻噪聲則是由于排氣渦流、氣缸內燃燒以及機件、管道振動造成的。

      圖2的康明斯柴油機排氣噪聲實測結果表明，消聲器分別在頻率35.6 Hz、66.7 Hz、107.3 Hz處出現正的峰值，說明消聲器在該幾個頻率點形成共振消聲。35 Hz為發動機轉速基頻，70 Hz、105 Hz分別為發動機運轉的一次諧波和二次諧波，與仿真分析結果基本一致。圖示同時可知，在頻率35.6 Hz處，傳遞損失達到20 dB為最大，也就證明消聲器在基頻處對氣體噪聲衰減達到最佳。同時在一次諧波和二次諧波處，消聲器對噪聲衰減均有一定效果。

 

圖1  柴油發電機排氣噪聲實測頻譜特性曲線

圖2  柴油機消聲器傳遞損失曲線

 

      由此可見，排氣噪聲主要包含以下頻率成分：

（1）基頻排氣噪聲：

      由于每個氣缸的排氣門開啟時，氣缸內的氣體突然高速噴出，氣流沖擊到排氣道內氣門附近的氣體上，使其產生壓力劇變而形成壓力波，從而激發出噪聲。由于各缸排氣是在指定的相位上周期地進行，因此這是一種周期性的噪聲，是典型的低頻噪聲。

（2）排氣管內氣柱共振的噪聲：

      排氣系統管道中的空氣柱，在周期性排氣噪聲的激發下，因發生共振而產生空氣柱共振噪聲。

（3）排氣歧管處的氣流吹氣聲：

      某一缸廢氣大量排氣時，氣流流向總管，也會吹向其他氣道開口處，氣流流速也會隨著曲軸轉角發生較大幅度的變化，從而產生一種周期性的渦流。這種渦流使歧管內的氣體產生壓力波動，從而激發出以高頻為主的噪聲。

（4）赫爾姆霍茨共振噪聲：

      柴油機在排氣時，氣缸與排氣管相通，該氣缸此時正是一個赫爾姆霍茨共振器，由赫爾姆霍茨效應可知，此時會產生共振。它與柴油機轉速無關，多缸時則不明顯。

（5）廢氣噴注和沖擊噪聲：

      廢氣噴注噪聲是由于排氣門處高速的氣流噴注而產生的。同時，排氣門附近存在著壓力不連續面，氣流經過此處時會產生沖擊波而激發沖擊噪聲，廢氣噴注和沖擊噪聲是連續寬頻帶的高頻噪聲。

（6）排氣系統管道內壁面處的摩擦及素流噪聲：

      在自由排氣階段，廢氣的流動是素流流動。紊流氣體在排氣道內壁面附近形成的渦流引起壁面附近氣體壓力波動，輻射出噪聲，這種噪聲主要為寬頻帶的高頻噪聲。

      柴油發電機組排氣系統噪聲產生的因素很多，除了上述六種組成部分外，還有其他一些組成聲源。如：排氣門桿產生的渦流噪聲、排氣系統中再燃燒產生的噪聲、由排氣脈沖壓力激發管壁造成的噪聲、排氣門落座聲、通過截面突變處的氣流湍流噪聲等。

2、排氣噪聲的控制

      柴油發電機組排氣噪聲的控制，通常是從控制排氣噪聲的產生和傳播這兩方面來考慮的。

（1）控制排氣噪聲的產生

      控制排氣噪聲的產生就是減少噪聲源，根據上述噪聲源產生的機理，對產生排氣噪聲的系統進行相應的改進。對產生排氣噪聲的系統進行改進的途徑主要是對柴油機的結構和參數的改進。這種方法是最徹底，而且其潛力也是最大的。但這些改動，涉及到柴油機排氣噪聲的控制，需要考慮產生排氣噪聲的各種因素，牽扯到柴油機本身及排氣系統的噪聲，要綜合考慮并進行大量的實驗研究，其難度是非常大的。

（2）控制排氣噪聲的傳播

      控制排氣噪聲的傳播則主要有加裝排氣消聲器和隔離排氣歧管傳來的機械振動兩種方法。這兩種方法對柴油機性能影響不大，又比較容易實現。目前得到最廣泛運用的降噪方法就是在排氣系統中安裝適當的排氣消聲器，使噪聲向環境輻射之前就得到大幅度的衰減，從而起到降低排氣噪聲的作用。隔振方法通常包括改進排氣歧管結構來改善振動特性和隔離排氣歧管傳遞的振動兩種手段。

 

二、消聲器的分類與消聲機理

 

      根據消聲機理的不同，排氣消聲器可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合型消聲器以及電子消聲器。

1、阻性消聲器

      阻性消聲器主要是利用吸聲材料來消減噪聲，把吸聲材料固定在氣流流動的管道內壁，或把它按一定的方式在管道中排列組合，就構成了阻性消聲器。當聲波進入阻性消聲器中，一部分聲能便被吸聲材料吸收，起到了消聲的作用。這種消聲器的優點是在中高頻范圍內的消聲效果較好，特別是對刺耳的高頻聲波有突出的消聲作用。缺點是柴油機排出的水蒸氣及顆粒會影響吸聲材料的性能，降低使用壽命，而且它對低頻噪聲消聲效果比較差。

2、抗性消聲器

      抗性消聲器又稱聲學濾波器，它是根據聲學濾波的原理制成的，利用消聲器內聲阻、聲順和聲質量的適當組合，使聲波中某些頻率的噪聲反射回噪聲源或大幅度抵消，從而達到消聲的目的。這類消聲器一般是全金屬結構，其結構簡單、耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊、不會被廢氣中的碳灰微粒堵塞、成本低而且壽命長。因此柴油發電機組采用這種消聲器十分合適。抗性消聲器的消聲頻帶窄，對高頻噪聲的消聲效果差。為了彌補這種缺陷，常采用多級組合或加上穿孔板等高頻消聲效果較好的結構，組成寬頻帶的消聲器。抗性消聲器最基本的形式為擴張式消聲器和共振式消聲器。

（1）擴張式消聲器

      擴張式消聲器的工作原理有兩點：

① 利用管道截面的突變引起聲阻抗的變化，使沿管道傳播的聲波朝聲源方向反射回去。

② 通過改變擴張室和內接管的長度，使前進的聲波與在管中不同界面上的反射波之間的相位差180°，產生干涉而相互抵消，從而達到消聲的目的。

      各種管道和擴張腔之間相互組合就可以阻止某些頻率成分的噪聲通過，但有個缺點是存在多個通過頻率，通過頻率的消聲量等于零，因此通常采用內插管法（結構如圖3）和多節擴張腔串聯法（結構如圖4）消除通過頻率。內插管法是把消聲器擴張腔進、出口處分別插入擴張腔一半長度和四分之一長度的兩根小管。理論分析，兩者結合可獲得沒有通過頻率的消聲性能。

 

圖3  內插管擴張室式消聲器結構

圖4  膨脹擴張室式消聲器結構

 

（2）共振式消聲器

      共振式消聲器常采用穿孔管和穿孔板形式，穿孔管是一種通過管道開孔與赫爾姆霍茨共鳴腔相連而成的結構，它在管路中設置頸部并與空腔結合，頸部起質量作用，空腔起彈簧作用，由于聲音能量短路，消耗聲能而達到消聲目的。穿孔板是在排氣通路上開有許多小孔，它的消聲頻帶較寬。

① 穿孔管式消聲器

      穿孔管式消聲器中存在大量的氣流，且大部分波在臨界入射角附近傳播。每個穿孔可以看作是一個管道系統，由于流體交替地進入，不能簡單解釋從孔孔中發散而引起的粘性和慣性效應的末端校正，但可用無限長管道的理論來描述管道的阻抗。在發動機運轉基頻處，傳遞損失達到20 dB，對氣體噪聲衰減達到最佳；在發動機運轉一次諧波和二次諧波處，消聲器對噪聲衰減也有一定效果。通過改變消聲器的結構參數，能獲得不同的噪聲衰減效果。

② 穿孔板消聲器

      穿孔板消聲器是襯裝微穿孔板結構的消聲器。能在較寬的頻帶范圍內消除氣流噪聲，而且具耐高溫、耐油污、耐腐蝕的性能，即使在氣流中帶有大量水分，也不影響工作。由于穿孔直徑小、板面光滑，因此消聲器阻損比一般阻性消聲器要小。對低、中、高各頻帶消聲量較平直，消聲量大，對低頻消聲效果較明顯，適用于通風空調系統的中、低壓風機、空氣動力噪聲消聲。更適用于要求較高的潔凈廠房、無菌室、食品衛生工業、賓館等通風空調系統，微穿孔板消聲器內外孔板用龍骨固定，通過選擇不同的穿孔率的孔板及不同腔深組合，可在較寬的頻帶范圍內獲得良好的消聲效果。

 

圖5  穿孔管式消聲器結構示意圖

圖6  穿孔板式消聲器結構示意圖

 

3、阻抗復合消聲器

      阻抗復合消聲器是綜合上述兩種消聲器的特點制成的。這種消聲器既有阻性吸聲材料，又有共振腔、擴張室一類的抗性濾波元件，在一個很寬的頻率范圍內都具有良好的消聲效果，但阻性材料的采用縮短了其使用壽命。

4、電子消聲器

      近幾十年來，隨著計算機的發展，電子控制裝置的性價比的提高，“電子消聲器”已成為可能，在有源消聲和半有源消聲上的研究不斷深入。有源消聲系統的優點在于：可以減小消聲器體積，減少背壓，使消聲器減少復雜程度，從而實現標準化。有源消聲系統必須要有高速度的信號處理器和承受高溫與振動的換能器，另外對有源噪聲抵消系統來說，還需要有減少氣流脈沖的精密而快速的執行器，有源消聲器和半有源消聲器的真正完全實現產品化還需要進一步的研究。

 

總結：

      隨著國民經濟的飛速發展，各種交通工具數量日益增多，由此帶來的噪聲污染已成為干擾和破壞國民生活的一大公害。噪聲可以對人的聽覺器官造成傷害，干擾交談，妨礙睡眠，造成人的身心疲勞，高頻噪聲還能使建筑物和儀器設備受到損傷。各項調查和測量表明，柴發噪聲是目前生產工廠中最大的噪聲源。因此，降低柴油發電機組的噪聲是減少企業全廠噪聲的根本途徑。

      我國消聲器設計仍以類比選型設計為主，消聲效果不好，針對性不強，開發周期長。利用計算機建立模型，編制相應的軟件來進行消聲器匹配優化設計，使消聲器設計周期縮短，節省了人力和物力，具有重要的現實意義"。目前，國內外的大學和科研機構都在進行這方面的研究，力求改進消聲系統的數學模型，編制使用方便、計算結果精度較高的軟件。

 

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