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什么叫阻性消聲器?什么叫抗性消聲器?穿孔消聲器中孔板的穿孔率是如何計(jì)算滴?

什么叫阻性消聲器?什么叫抗性消聲器?其消聲原理是什么?穿孔消聲器中孔板的穿孔率是如何計(jì)算滴?穿孔率對(duì)消聲性能有何影響?消聲器的外形尺寸如何計(jì)算?如何來(lái)根據(jù)噪聲源來(lái)選用消聲設(shè)備?: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2020-11-23

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在板厚小于1.0毫米的薄板上穿以孔徑小于1.0毫米的微孔，穿孔率在1～5%之間，后部留有一定的厚度（5～20cm）的空氣層，空腔內(nèi)不填任何吸聲材料，這樣即構(gòu)成了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。常用單層或雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)形式。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是一種低聲質(zhì)量、高聲阻的共振吸聲結(jié)構(gòu)，其性能介于多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)之間，其吸聲頻帶寬度可優(yōu)于常規(guī)的穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。研究表明，表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數(shù)和頻帶寬度，主要由微穿孔板結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量m和聲阻r來(lái)決定，而這兩個(gè)因素又與微孔直徑d及穿孔率p有關(guān)。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗Z（以空氣的特性阻抗ρC為單位）用式（1）計(jì)算：　　z=r+jwm=jctg(WD/C)　?。?）　　式中：　　ρ -- 空氣密度（公斤/厘米3）；　　C -- 空氣中聲速（米/秒）；　　 D -- 腔深（穿孔板與后壁的距離）（毫米）；　　m -- 相對(duì)聲質(zhì)量；　　r -- 相對(duì)聲阻；　　w -- 角頻率，W=2πf(f為頻率)；　　而r和m分別由式（2）（3）表達(dá)：　　r=atkr/dzp 　?。?）　　m=(0.294)×10-3tkm/p 　?。?）　　式中：　　 t-- 板厚（毫米）　　d-- 孔徑（毫米）　　p-- 穿孔率（%）　　kr-- 聲阻系數(shù) 　　kr=(1+x2/32)1/2+(2x)1/2/8×d/t　　 km--聲質(zhì)量系數(shù)　　km=1+(1+(1/(9+(x2/2))))+0.85d/t　　其中x=ab f，a和b為常數(shù)，對(duì)于絕熱板a=0.147,b=0.32對(duì)于導(dǎo)熱板a=0.235，b=0.21。聲吸收的角頻帶寬度，近似地由 r/m決定，此值越大，吸聲的頻帶越寬。　　r/m=(l/d2)×(kr/km)　　(4)　　式中 l-- 常數(shù)，對(duì)于金屬板l=1140,而隔熱板l=500。上式也可以用式（5）表達(dá)　　 r/m=50f((kr/km)/x2)　　(5)　　而kr/km的近似計(jì)算式為　　kr/km=0.5＋0.1x＋0.005x2　(6)　　利用以上各式就可以從要求的r、m 、f求出微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的x、d、t、p等參量。由于微穿孔板的孔徑很小且稀，基聲阻r值比普通穿孔板大得多，而聲質(zhì)量m又很小，故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)大得多，一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度可以達(dá)到6～10個(gè)1/3信頻程以上。這就是微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)。　　共振時(shí)的最大吸聲系數(shù)α0為　　α0=4r/(1+r)2　　(7)　　具體設(shè)計(jì)微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過(guò)計(jì)算，也可查圖表，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相近。在實(shí)際工程中為了擴(kuò)大吸聲頻帶的寬度，往往采用不同孔徑、不同穿孔率的雙層或多層微穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)?！　?微穿孔板消聲器　　微穿孔板聲學(xué)結(jié)構(gòu)在消聲技術(shù)領(lǐng)域也早有十分廣泛的應(yīng)用，利用微穿孔板聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的微穿孔板消聲器種類繁多，最簡(jiǎn)單的是直管式消聲器，而多數(shù)是阻抗復(fù)合式消聲器。微穿孔板消聲器用金屬穿孔薄板制成，常見的微穿孔板可用鋼板(管)、不銹鋼板(管)、合金板(管)等材料制做，由于微穿孔板后的空氣層內(nèi)可填裝多孔性巖棉材料，即利用吸聲材料的阻性吸聲原理,進(jìn)一步達(dá)到降噪消聲目的.其吸聲系數(shù)高，吸收頻帶寬，壓力損失很小，氣流再生噪聲低，且易于控制。為獲得寬頻帶高吸收效果，一般用雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)。微穿孔板與外殼之間以及微穿孔板之間的空腔尺寸大小按需要吸收的頻帶不同而異，吸收低頻空腔大些（150~200毫米），中頻小些（80~120）毫米，高頻更小些（30~50毫米），雙層結(jié)構(gòu)的前腔深度一般應(yīng)小于后腔，前后腔深度之比不大于1： 3，前部接近氣流的一層微穿孔板穿孔率應(yīng)高于后層，為減小軸向聲傳播的影響，可在微穿孔板消聲器的空腔內(nèi)每隔500毫米左右加一塊橫向隔板?！　螌庸苁轿⒋┛装逑暺魇且环N共振式的吸聲結(jié)構(gòu)。對(duì)于低頻消聲，當(dāng)聲波波長(zhǎng)大于共振腔（空腔）尺寸時(shí)，可以應(yīng)用共振消聲器計(jì)算式（7）來(lái)計(jì)算微穿孔板消聲器的消聲量LTL：　　LTL=10lg(1+(a+0.25)/(a2+b2×f/fo-fo/f)2))（分貝）（7）　　式中　 a=rs　　　　　b=sc/2πfov　　 r -- 相對(duì)聲阻　　s -- 通道截面積（米2）　　 v -- 板后空腔體積（米3）　　 c -- 空氣中的聲速（米/秒）　　f -- 入射聲波頻率（赫）　　f0 -- 共振頻率（赫）　　f0=(c/2π)×(p/tD)1/2　　t=t+0.8d+1/3PD　　t -- 微穿孔板的厚度（米）　　p -- 穿孔率（%）　　D -- 板后空腔深度（米）　　D -- 穿孔孔徑（米）　　對(duì)于中頻消聲，微穿孔板消聲器的消聲量可以應(yīng)用阻性消聲器的計(jì)算式（8）進(jìn)行計(jì)算：　　LTL=ψ(α0)pL/s　　(分貝)　?。?）　　式中 ψ（α0） -- 消聲系數(shù)，它是與吸聲系數(shù)α0 有關(guān)的量， α0和ψ(α0)相互關(guān)系經(jīng)驗(yàn)值可由表查得　　P -- 管道橫斷面的周長(zhǎng)（米）　　L -- 管道的長(zhǎng)度（米）　　 S -- 管道橫截面面積（米2）　　　　微穿孔板消聲器高頻消聲性能實(shí)測(cè)值比理論估算值要好。試驗(yàn)證明，消聲量與流速有關(guān)，與消聲器溫升無(wú)關(guān)。流速增高，氣流再生噪聲提高，消聲性能下降，金屬微穿孔板消聲器可承受較高氣流速度的沖擊，當(dāng)流速達(dá)到70米/秒時(shí)，仍有10分貝以上的消聲量。這也是微穿孔板消聲器優(yōu)于一般阻性消聲器的又一重要特點(diǎn)?！? 　. 阻性消聲器是利用敷設(shè)在氣流通道內(nèi)的多孔吸聲材料，吸收聲能，降低噪聲而起到消聲作用。抗性消聲器，主要是通過(guò)控制聲抗的大小來(lái)消聲的。它不使用吸聲材料，而是在管道上接截面突變的管段或旁接共振腔，利用聲阻抗失配，使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面處發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象，從而達(dá)到消聲的目的。常用的抗性消聲器主要有擴(kuò)張室式和共振腔式兩大類。阻性消聲器對(duì)中、高頻噪聲消聲效果好，而抗性消聲器適用于消除低、中頻噪聲。在工業(yè)生產(chǎn)中碰到的噪聲多是寬頻帶的，即低、中、高各頻段的聲壓級(jí)都較高。在實(shí)際消聲中，為了在低、中、高的寬廣頻率范圍獲得較好的消聲效果，常采用阻抗復(fù)合式消聲器。阻抗復(fù)合式消聲器，是按阻性與抗性兩種消聲原理通過(guò)適當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)合起來(lái)而構(gòu)成的。常用的阻抗復(fù)合式消聲器有“阻性 - 擴(kuò)張室復(fù)合式”消聲器、“阻性 - 共振腔復(fù)合式”消聲器、“阻性 - 擴(kuò)張室 - 共振腔復(fù)合式”消聲器以及“微穿孔板”消聲器。在噪聲控制工作中，對(duì)一些高強(qiáng)度的寬頻帶噪聲，幾乎都采用這幾種復(fù)合式消聲器來(lái)消除，圖 8.32 所示是常見的一些阻抗復(fù)合式消聲器。阻抗復(fù)合式消聲器，可以認(rèn)為是阻性與抗性在同一頻帶的消聲值相迭加。但由于聲波在傳播過(guò)程中具有反射、繞射、折射、干涉等特性，所以，其消聲值并不是簡(jiǎn)單的迭加關(guān)系。對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的聲波來(lái)說(shuō)，當(dāng)消聲器以阻與抗的形式復(fù)合在一起時(shí)有聲的耦合作用。在實(shí)際應(yīng)用中，阻抗復(fù)合式消聲器的消聲值通常由實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H測(cè)量確定。圖 8.32 常見的阻抗復(fù)合式消聲器阻抗復(fù)合在一起，可在低、中、高頻范圍均獲得良好的消聲效果，在試驗(yàn)臺(tái)上可分別測(cè)試消聲器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)消聲性能。靜態(tài)試驗(yàn)指不帶氣流，只用白噪聲做聲源，這樣可扣除氣流對(duì)消聲性能的影響而測(cè)得消聲器實(shí)際的消聲能力；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是指送氣流后的消聲性能，分別測(cè)試 20 米 / 秒、 40 米 / 秒、 60 米 / 秒下的聲學(xué)性能及空氣動(dòng)力性能。動(dòng)態(tài)消聲值隨著氣流速度的增高而逐漸下降。微穿孔板消聲器是一種特殊的消聲結(jié)構(gòu)，它利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)而制成，是我國(guó)噪聲控制工作者研制成功的一種新型消聲器。通過(guò)選擇微穿孔板上的不同穿孔率與板后的不同腔深，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。因此，微穿孔板消聲器能起到阻抗復(fù)合式消聲器的消聲作用。圖 8.33 微穿孔板消聲器的理論計(jì)算模型微穿孔板消聲器的理論計(jì)算模型如圖 8.33 所示。當(dāng)管中無(wú)氣流時(shí)，可得到質(zhì)量守恒和軸向動(dòng)量守恒兩個(gè)方程， (8.4.1) (8.4.2) 式中是管壁上 ( 即 r ＝ R 處 ) 的徑向速度，其值由邊界上的條件確定。再考慮物態(tài)方程，便得到穿孔管中的波動(dòng)方程， (8.4.3) 在穿孔板壁面處，應(yīng)滿足， (8.4.4) 式中為壁面法向相對(duì)聲阻抗率。必須指出，之所以采用穿孔板壁面的聲阻抗率是基于這樣的假定：當(dāng)孔間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，可認(rèn)為壁面具有均勻的阻抗。將 (8.4.4) 式代入 (8.4.3) 式中，即得到關(guān)于 p 的二階線性偏微分方程， (8.4.5) 此方程可分離變量，令 (8.4.6) 則上式可化為， (8.4.7) 令、，則這個(gè)方程的解的形式為， (8.4.8) 可見在管內(nèi)傳播著兩種波，即右行波和左行波，據(jù)此可推導(dǎo)出微穿孔板消聲器的消聲量或傳聲損失。不妨假設(shè)上游的入射波波幅為、反射波波幅為，而下游的透射波波幅為，根據(jù)消聲器兩端分別滿足聲壓連續(xù)和體積速度連續(xù)，可以得到， (8.4.9) 式中。最后得到圓形微穿孔板消聲器的消聲量近似估算公式， (8.4.10) 式中公式的根號(hào)內(nèi)是復(fù)數(shù)，因此使用不方便，需進(jìn)一步化為實(shí)變量函數(shù)形式。經(jīng)推導(dǎo)，可得， (8.4.11) 對(duì)于任意截面的微穿孔板消聲器，其消聲量公式為， (8.4.12) 式中為截面周長(zhǎng)，為截面面積，為內(nèi)管半徑，為穿孔板管段長(zhǎng)度，為波數(shù)，為微穿孔板壁面的聲阻率，為微穿孔板壁面的聲抗率。事實(shí)上，以上兩式仍相當(dāng)復(fù)雜，不便于實(shí)際應(yīng)用。在—定條件下，此式可適當(dāng)化簡(jiǎn)和近似，記為微穿孔板的穿孔率，則， (8.4.13) 在共振頻率處，如通道半徑 R 較大，可以滿足近似條件，可使用近似式。各種情況下的計(jì)算表明，當(dāng) R 大于 10 厘米時(shí)，近似式的誤差不超過(guò) 5 ％ (1dB 左右 ) 。只有在 R 小于 10 厘米時(shí)，共振頻率處誤差較大，仍需由 (8.4.11) 式進(jìn)行計(jì)算。在其它情況下，可直接使用簡(jiǎn)化式 (8.4.13) 計(jì)算消聲量。對(duì)于雙層微孔板消聲器，是兩層微孔板串聯(lián)，其修正系數(shù)為， (8.4.14) 微穿孔板消聲器在氣流下的消聲性能，特別是它在高速氣流下的消聲性能，對(duì)于其工程應(yīng)用具有重要意義。有人在流速 10~120 米 / 秒范圍內(nèi)，對(duì)雙層微穿孔板消聲器進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并選用相同長(zhǎng)度、相同截面的玻璃棉加護(hù)面板的阻性消聲器作比較試驗(yàn)。試驗(yàn)是在風(fēng)洞上進(jìn)行的。風(fēng)洞及試驗(yàn)裝置如圖 8.34 所示。圖 8.34 微穿孔板消聲器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖試驗(yàn)用消聲器有雙層微穿孔板型和超細(xì)玻璃棉加護(hù)面穿孔板型兩種，每種分為兩節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)一米，結(jié)構(gòu)如圖 8.35 和圖 8.36 所示。圖 8.35 試驗(yàn)用微穿孔板消聲器結(jié)構(gòu)示意圖圖 8.36 玻璃棉加護(hù)面板消聲器結(jié)構(gòu)示意圖微穿孔板的規(guī)格為：板厚 0.5 毫米，穿孔率 2.7 ％，前腔 10 厘米，后腔 4 厘米。超細(xì)玻璃棉的容重為 30 公斤 / 立方米，厚度 14 厘米，護(hù)面穿孔板孔徑 48 毫米，板厚 1 毫米，穿孔率 20 ％。實(shí)驗(yàn)研究表明：氣流速度 v 與消聲量的關(guān)系如下：對(duì)于微穿孔板消聲器， (8.4.15) 對(duì)玻璃棉加護(hù)面板消聲器 ( 簡(jiǎn)稱棉式消聲器 ) ， (8.4.16) 比較以上兩式可以發(fā)現(xiàn)：棉式消聲器受氣流影響比微穿孔板消聲器大。低頻段的消聲量一般不易測(cè)準(zhǔn)，與以上兩式有一定的差異。微穿孔板消聲器與棉式消聲器在不同氣流速度下的消聲量對(duì)比如下， ① 微穿孔板消聲器的消聲量與曲線的斜率小于棉式消聲器，因此隨著氣流速度的增高，微穿孔板消聲器比棉式消聲器受氣流影響小得多。從數(shù)字上看，當(dāng)氣流速度為 20 米 / 秒時(shí)，兩種消聲器的平均消聲量均接近于 30dB ；但氣流速度為 50 米 / 秒時(shí)，微穿孔板消聲器平均消聲量?jī)H減少 10dB ，而棉式消聲器平均消聲量減少 20dB ；氣流速度為 80 米 / 秒時(shí)，微穿孔板消聲器平均消聲量?jī)H減少 20dB ，而棉式消聲器平均消聲量減少 30dB ，消聲值接近于零；氣流速度為 100 米 / 秒時(shí)，微穿孔板消聲器還有 5dB 的平均消聲量；而棉式消聲器卻產(chǎn)生 3~4dB 的平均負(fù)消聲量；氣流速度為 100 米 / 秒以上時(shí)，微穿孔板消聲器還有 2~3dB 的平均消聲量，而棉式消聲器卻產(chǎn)生 8~9dB 的平均負(fù)消聲量。在氣流速度為 30~80 米 / 秒的范圍內(nèi)，微穿孔板消聲器的流速加倍，消聲量?jī)H減少約為 10dB ，棉式消聲器則減少 15dB 。 ② 隨著氣流速度的增大，加長(zhǎng)消聲器已不能增加消聲量。從 1 米長(zhǎng)和 2 米長(zhǎng)的兩種消聲器 - 關(guān)系對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)微穿孔板消聲器，在氣流速度為 70 米 / 秒時(shí)，兩條曲線相交，即兩種長(zhǎng)度的消聲器消聲效果相同；對(duì)棉式消聲器，這個(gè)交點(diǎn)在 50 米 / 秒。就是說(shuō)，對(duì)微穿孔板消聲器，在氣流速度為 70 米 / 秒時(shí)，加長(zhǎng)消聲器已看不出明顯的消聲效果；而對(duì)棉式消聲器，在氣流速度為 50 米 / 秒時(shí)，加長(zhǎng)消聲器效果就不大了。當(dāng)然，這一結(jié)果是與環(huán)境噪聲有關(guān)的。 ③ 此外，對(duì)于風(fēng)洞的減噪效果對(duì)比表明：隨著氣流速度的增加，微穿孔板消聲器比棉式消聲器好得多。 ④ 通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)果分析可知：在高速氣流下，采用微穿孔板消聲器能得到較好的消聲效果。其原因是微穿孔板消聲器穿孔率低、孔細(xì)而密，對(duì)流場(chǎng)影響小，因而產(chǎn)生的再生噪聲低，而棉式消聲器穿孔率高、孔大，對(duì)流場(chǎng)影響大，產(chǎn)生的再生噪聲高。高速氣流產(chǎn)生的再生噪聲主要是湍流噪聲，即主要起源于邊界層的偶極輻射，以及邊界的湍流脈動(dòng)激起管壁的振動(dòng)。在消聲器內(nèi)壁，由湍流所產(chǎn)生的噪聲聲功率 W 與氣流速度 V 、阻力系數(shù) 、管道直徑 D 的關(guān)系為， (8.4.17) 在試驗(yàn)中，所用微穿孔板消聲器和棉式消聲器的 D 、 V 相同，故再生噪聲的聲功率比僅與阻力系數(shù)比有關(guān)。微穿孔板消聲器的值，顯然比棉式消聲器的值小得多。因此，對(duì)于同樣形式的消聲器，微穿孔板消聲器比棉式消聲器的再生噪聲要小得多。這就是在高速氣流下微式消聲器比棉式消聲器性能好的主要原因。近年來(lái)，我國(guó)已研制成功在多種條件下使用的微穿孔板消聲器，如通風(fēng)空調(diào)消聲器、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣消聲器、燃汽輪機(jī)消聲器，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試車消聲器、內(nèi)燃機(jī)消聲器等，并已形成系列化產(chǎn)品，經(jīng)工程上使用，效果良好。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合，微穿孔板消聲器能夠在一個(gè)寬闊的頻率范圍內(nèi)或在某些特定的頻率范圍內(nèi)得到高的消聲量，而且阻損可以控制到很小。此外，它能夠耐高溫和氣流沖擊，不怕油霧和水蒸汽。受到短期的火焰噴射也不至于損壞，這對(duì)于蒸汽排氣放空系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)站的排氣系統(tǒng)的消聲是很有意義的。在高速氣流下，微穿孔板消聲器具有比阻性消聲器、擴(kuò)張室消聲器、阻抗復(fù)合消聲器更好的消聲性能和空氣動(dòng)力性能。這對(duì)于高速送風(fēng)系統(tǒng)、消聲器內(nèi)流速高的空氣動(dòng)力設(shè)備是有益的。由于在很高速氣流下，微穿孔板消聲器還有一定的消聲性能，這對(duì)大型空氣動(dòng)力設(shè)備的消聲器可以較大幅度的減小尺寸，降低造價(jià)。對(duì)于要求潔凈的場(chǎng)所，由于微穿孔板消聲器中沒有玻璃棉之類纖維材料，使用后可以不必?fù)?dān)心粉屑吹入房間，同時(shí)，施工、維修都方便得多。以微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)作為元件組成的復(fù)合消聲器，也有好的消聲效果。: 回答者：網(wǎng)友

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