溫華兵，李曉亮，吳曉佳

（江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

排氣放空消聲器常用于電力、石油、船舶等工業(yè)部門(mén)以降低高壓高速排氣放空氣流所產(chǎn)生的高強(qiáng)度噪聲。排氣噪聲是空壓機(jī)的主要噪聲源之一，渦輪空壓機(jī)的排氣噪聲是由于氣流在排氣管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)所致，安裝排氣放空消聲器是控制空壓機(jī)排氣噪聲的主要措施[1]。

傳統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)主要根據(jù)一維平面波理論、設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，對(duì)于復(fù)雜的消聲器，數(shù)值仿真方法可以在計(jì)算機(jī)上較為準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)雜模型[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)消聲器的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多，而有針對(duì)性地降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與研究相對(duì)較少。畢嶸等[3]利用三維聲學(xué)軟件對(duì)多腔赫姆霍茲共振消聲器進(jìn)行數(shù)值仿真，分析不同組合結(jié)構(gòu)對(duì)共振消聲器傳遞損失的影響。徐貝貝等[4]利用三維有限元法預(yù)測(cè)穿孔管消聲器的傳遞損失，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。賀巖松等[5]對(duì)三種組合結(jié)構(gòu)的穿孔管消聲器進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)比分析不同穿孔率對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響。溫華兵等[6]研究柴油機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣消聲器的消聲特性，分析消聲器消聲性能的影響因素，對(duì)消聲器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)并提高了消聲效果。Jin W L和Du Jiang等[7-8]模擬了消聲器內(nèi)的氣流流動(dòng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高消聲器的聲學(xué)性能。劉麗媛等[9]針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了兩套進(jìn)氣消聲器，結(jié)合仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了各自的消聲特性。溫華兵等[10]針對(duì)某特種發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合運(yùn)用節(jié)流降壓、擴(kuò)張式膨脹、導(dǎo)流、吸聲和小孔噴注排氣的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)排氣放空消聲器，取得良好的消聲性能。李忠杰等[11]根據(jù)特種發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合式消聲器，計(jì)算分析了消聲器內(nèi)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)了一款適用于高壓排氣放空消聲的復(fù)合消聲器，采用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法分析了消聲器的聲學(xué)性能，對(duì)于降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與性能分析具有參考價(jià)值。

1 消聲器的設(shè)計(jì)

空壓機(jī)內(nèi)部的氣體達(dá)到一定壓力時(shí)，開(kāi)啟泄流閥后從噴嘴噴射出來(lái)的高速氣流會(huì)產(chǎn)生巨大氣流噪聲，其大小與排氣速度和壓力有關(guān)，控制氣流噪聲的關(guān)鍵是降低氣流速度和壓力。

1.1 節(jié)流降壓板設(shè)計(jì)

節(jié)流降壓消聲器是較為常見(jiàn)的消聲器類(lèi)型之一。首先，對(duì)通流面積進(jìn)行計(jì)算，目的是讓高壓氣體流經(jīng)節(jié)流孔板處時(shí)壓力降低，以到達(dá)減少氣流的空氣動(dòng)力性噪聲的目的。如果串聯(lián)多級(jí)節(jié)流孔板，就能夠?qū)⒏邏簹饬髦鸺?jí)降壓。

節(jié)流降壓消聲器的各級(jí)壓力是按照幾何級(jí)數(shù)下降的，表達(dá)式如下

式中：Pn表示第n級(jí)節(jié)流孔板后的壓力；Ps表示第n級(jí)節(jié)流孔板前的壓力；n表示節(jié)流孔板級(jí)數(shù)；q是壓降比，表示節(jié)流孔板后的壓力與該級(jí)節(jié)流孔板前壓力的比值；q是不大于1的數(shù)值。

假設(shè)第1級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積為S1（cm2），則S1的確定方法如下

式中：K表示排放不同介質(zhì)的修正系數(shù)，對(duì)于空氣K=13；μ表示為保證排氣量的截面修正系數(shù)，一般取1.2～2.0；G表示排放氣體的重量流量（t/h）；V1表示第1級(jí)節(jié)流前氣體比容（m3/kg）；P1表示第1級(jí)節(jié)流前的氣體壓力（Pa）。第1級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積確定后，其它各級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積Sn也可以依次確定

按照臨界降壓設(shè)計(jì)的節(jié)流降壓層的消聲量ΔL可通過(guò)如下表達(dá)式求得[1]

式中：Pin（Pa）表示消聲器的入口壓力；Pout（Pa）表示環(huán)境壓力；n表示節(jié)流降壓的層數(shù)；α表示修正系數(shù)，它的實(shí)驗(yàn)值為0.9±0.2（當(dāng)壓力較低時(shí)取偏高值，可取1.1，當(dāng)壓力較高時(shí)取偏低值，取0.7）。

1.2 片式消聲通道設(shè)計(jì)

為控制高頻噪聲，防止高頻失效，通常將直管式阻性消聲器的通道分成若干個(gè)小通道，設(shè)計(jì)成片式消聲器，片式消聲通道的消聲量ΔL計(jì)算公式為[12]

式中：L表示消聲器的有效長(zhǎng)度；?(α0)表示吸聲材料的消聲系數(shù)，其大小與頻率有關(guān)；h表示氣流通道的高度。

1.3 小孔噴注層設(shè)計(jì)

小孔噴注層具有升頻特性，可以將噪聲頻率推到人耳聽(tīng)不到或不敏感的超高頻范圍，以降低氣流噪聲。小孔噴注層消聲量ΔL與孔徑d的關(guān)系為[1]

由于從小孔射出的噴注相互混合會(huì)產(chǎn)生低頻噪聲，因此，設(shè)計(jì)小孔噴注消聲器時(shí)，孔間距離應(yīng)滿足下列表達(dá)式

式中：b表示孔間距（mm）；d為小孔孔徑（mm）。

1.4 消聲器的總體設(shè)計(jì)

在空壓機(jī)排氣消聲器總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要控制入口氣流速度，在消聲器進(jìn)氣口處布置第1級(jí)節(jié)流降壓板，在第2級(jí)和第3級(jí)節(jié)流降壓板間布置了2塊導(dǎo)流板，把氣流分割成為3個(gè)流道，能夠抑制氣流對(duì)消聲器壁面的沖擊作用，從而通過(guò)節(jié)流降壓和導(dǎo)流降低氣流壓力、減緩速度，從而達(dá)到降低空氣動(dòng)力性噪聲的目的。

氣流通過(guò)3級(jí)節(jié)流降壓板后，其速度和壓力得到有效控制，再進(jìn)入片式消聲通道，片式消聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部為吸聲材料，用微穿孔護(hù)面結(jié)構(gòu)與殼體之間固定。

在消聲器排氣口處，設(shè)置小孔直徑為2 mm的小孔噴注層，形成小孔噴注排氣，以減少氣流速度，將排氣沖擊噪聲的頻率移到超高頻，從而降低再生噪聲。

所設(shè)計(jì)的排氣放空復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，節(jié)流降壓板的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 消聲器節(jié)流降壓板參數(shù)

2 傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算

所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器由節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層組成，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算各部分的消聲量，然后得到復(fù)合消聲器的總消聲量。

已知空壓機(jī)的排氣口氣流壓力為0.7 MPa，出口壓力為0.1 MPa，節(jié)流降壓板級(jí)數(shù)為3，由式（4）計(jì)算得到消聲器中3級(jí)節(jié)流降壓板的消聲量ΔL1=17 dB。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

消聲器的吸聲材料選擇針刺棉，其吸聲系數(shù)平均值為0.84，根據(jù)吸聲系數(shù)與消聲系數(shù)?(α0)的換算關(guān)系，計(jì)算得到消聲系數(shù)?(α0)=1.3，消聲器的有效長(zhǎng)度L=0.93 m，氣流通道的高度b=0.113 m，由式（5）計(jì)算得到消聲器中片式消聲通道的消聲量ΔL2=21 dB。

小孔噴注層的小孔孔間距b=12 mm，小孔孔徑d=2 mm，由式（6）計(jì)算得到消聲器中小孔噴注層的消聲量ΔL3=18 dB。

由上述各式計(jì)算的結(jié)果估算復(fù)合消聲器的消聲量ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3=56 dB。

3 消聲器傳遞損失仿真計(jì)算

有限元法是消聲器傳遞損失計(jì)算的有效方法。消聲器內(nèi)部設(shè)計(jì)的小孔可以減小流體阻力，提高消聲效果，但這些小孔的存在使有限元網(wǎng)格的劃分非常困難。本文對(duì)穿孔板兩邊的網(wǎng)格通過(guò)定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系模擬小孔的聲學(xué)特性。

為滿足聲學(xué)性能計(jì)算頻率達(dá)到3 000 Hz，提高計(jì)算精度，確定有限元最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，將消聲器網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.Lab中，定義聲學(xué)網(wǎng)格、流體材料和吸聲材料屬性，采用在穿孔板兩側(cè)建立傳遞導(dǎo)納關(guān)系，以模擬節(jié)流降壓板、小孔噴注層中小孔的聲學(xué)特性，將消聲器入口邊界條件設(shè)置為單位振動(dòng)速度v=-1m/s，出口設(shè)置為全吸聲無(wú)反射邊界條件。聲場(chǎng)計(jì)算完成后，在消聲器入口中間選取1點(diǎn)，提取該點(diǎn)的聲壓級(jí)作為消聲器進(jìn)口段的聲壓級(jí)。出口選取3×3的9個(gè)測(cè)點(diǎn)，取各個(gè)點(diǎn)聲壓級(jí)的平均值代表出口端的聲壓級(jí)。將消聲器入口段的聲壓級(jí)減去消聲器出口端的聲壓級(jí)作為消聲器的傳遞損失。圖2是消聲器在2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖，可以看出在計(jì)算頻率為2 920 Hz高頻時(shí)，消聲器內(nèi)已不再是平面波，而是出現(xiàn)了高次波，此時(shí)一維聲學(xué)不再適用，不能用一維平面波理論的計(jì)算方法。消聲器總體傳遞損失頻率特性如圖3所示。

圖2 消聲器2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖

圖3 消聲器傳遞損失

從圖3可知，在20 Hz～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)消聲器的傳遞損失最高為86 dB，峰值頻率分布在1 320 Hz，傳遞損失平均達(dá)到57 dB，與經(jīng)驗(yàn)公式估算的總體消聲量56 dB相接近。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在寬頻段內(nèi)具有良好的消聲性能，尤其是在400 Hz～1 700 Hz頻率范圍內(nèi)的消聲效果明顯，平均達(dá)到67 dB。

圖4所示為消聲器中3層節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層的傳遞損失。在20 Hz～600 Hz頻率范圍內(nèi)，節(jié)流降壓板的消聲效果較好，平均消聲量達(dá)到了21 dB，而片式消聲通道和小孔噴注層的平均消聲量分別為9 dB和6 dB。在600 Hz～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)，片式消聲通道的平均消聲量較高，達(dá)到27 dB，節(jié)流降壓板和小孔噴注層的平均消聲量分別為18 dB和17 dB。

表2所示為消聲器傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算和仿真計(jì)算結(jié)果比較，結(jié)果顯示兩者較為接近，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均適用于對(duì)該類(lèi)消聲器的消聲效果分析，其中經(jīng)驗(yàn)公式估算法計(jì)算簡(jiǎn)便，更適合于對(duì)消聲器的初步設(shè)計(jì)，有限元仿真方法更適合于對(duì)消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

圖4 消聲器不同部分傳遞損失

表2 經(jīng)驗(yàn)公式估算與仿真計(jì)算的對(duì)比/dB

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用節(jié)流降壓板、片式消聲通道及小孔噴注層組合設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器，可在不同頻段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高消聲器對(duì)排氣放空氣流噪聲的消聲效果，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在20 Hz～3 000 Hz寬頻段內(nèi)具有理想的消聲效果，平均消聲量可達(dá)57 dB。

（2）通過(guò)對(duì)穿孔板兩邊的網(wǎng)格定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系，以模擬消聲器內(nèi)部穿孔板的聲學(xué)特性，可以簡(jiǎn)化消聲器的有限元網(wǎng)格處理。

（3）經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均可用于對(duì)排氣放空復(fù)合消聲器的消聲效果分析，其中經(jīng)驗(yàn)公式估算方法計(jì)算簡(jiǎn)便，有限元仿真方法可分析不同頻段的消聲效果，更適合于對(duì)消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

致謝：

感謝重慶江增船舶重工有限公司對(duì)本文研究工作的支持。