柴油发电机消声器的内部构成与消音原理

摘要：排气噪音是柴油发电机组较主要的噪音源，因为其功率大，它通常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升，排气机构内气流转速加大中国发电机组十大厂家，排烟噪音也明显会增大，从而使发电机组整机噪声有增大的趋势。降低排烟噪音的高效对策是操作排气消声器，所以，排烟消声器性能的优劣对康明斯发电机组噪声的控制和缓解噪声污染有极其重要的功用。康明斯公司在文章中详述了柴油发电机组排烟噪音的产生特点和控制对策，同时对消声器的类型及其作业原理进行了细致简述并附注了结构图。

      根据柴油发电机的作业机理、工作状态和有关声学方面的理论，可将柴油发电机具体噪音源分为空气动力性噪音、机械噪声和燃烧噪声3种。在没有排气消声器时，排烟噪音是较大的噪音源。

      柴油发电机作业时，汽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，因此发生的排烟噪声是周期性的，其详细频率成分为：

      图1是康明斯柴油发电机排烟噪音的实测频谱特征。可见此柴油发电机排烟噪声呈现低中频特征，低频峰值通常在100Hz左右，中频峰值在200～700Hz之间。由式(2.1)可知：低频噪音是由柴油发电机速度、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，而高频噪音则是由于排烟涡流柴油发电机手动启动控制图、气缸内燃烧以及机件柴油发动机故障灯图解、管道振动造成的。

      图2的康明斯柴油发电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处发生正的峰值，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，与仿真论说结果基础一致。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衰减达到较佳。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  柴油发电机排烟噪音实测频谱特征曲线  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发生和传播这两方面来考虑的。

      控制排烟噪声的产生就是减少噪声源，根据上述噪声源出现的原理，对产生排气噪声的装置进行相应的改善。对发生排烟噪音的机构进行改善的对策具体是对柴油发电机的组成和数据的改善。这种办法是较彻底，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声的控制，需要考虑发生排烟噪音的各种要素，牵扯到柴油发电机本身及排烟机构的噪声，要综合考虑并进行大量的实验研讨，其难度是非常大的。

      控制排烟噪声的传播则主要有加装排烟消声器和隔离排气歧管传来的机械振动两种步骤。这两种办法对柴油发电机性能危害不大，又比较容易实现。目前得到较广泛应用的降噪方案就是在排气装置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，从而起到减小排烟噪声的作用。隔振办法通常包括改善排烟歧管组成来改善振动特点和隔离排气歧管传递的震动两种办法。

       根据消声机理的不同，排烟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，或把它按一定的方法在管道中排列组合，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。这种消声器的长处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功用。缺点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，减轻使用年限，而且它对低频噪声消声效果比较差。

      抗性消声器又称声学滤波器，它是根据声学滤波的机理制成的，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构造，其结构简易、耐发烫、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。因此康明斯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，对高频噪音的消声效果差。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，构成宽频带的消声器。抗性消声器较基础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，因此一般采用内插管法（结构如图3）和多节扩张腔串联法（构造如图4）解决通过频率。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。理论讲述，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组成，它在管路中设置颈部并与空腔结合，颈部起品质功能，空腔起弹簧功能，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，由于流体交替地进入，无法简易解释从孔孔中发散而导致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。在发电机运行基频处，传递损失达到20 dB，对气体噪声降低达到较佳；在发电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。通过改变消声器的组成数据，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组成的消声器。能在较宽的频带范围内解除气流噪音，而且具耐发烫、耐油污、耐腐蚀的性能，即使在气流中带有大量水分，也不危害工作。因为穿孔直径小、板面光滑，因此消声器阻损比通常阻性消声器要小。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，适合于通风空调机构的中、低压风机、空气动力噪声消声。更适用于要求过高的洁净厂房、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，通过购买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。 

      阻抗复合消声器是综合上述两种消声器的特性制成的。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。

      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高，“电子消声器”已成为可能，在有源消声和半有源消声上的探讨不断深入。有源消声机构的长处在于：可以减轻消声器体积，减少背压，使消声器减小复杂程度，从而实现标准化。有源消声装置必须要有高速度的信号解决器和承受发热与震动的换能器，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探求。 

      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。噪音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置受到磨损。各项调查和检测表明，柴发噪声是目前生产OEM主机厂中较大的噪音源。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对策。

      我国消声器规划仍以类比选购设计为主，消声效果不佳，关于性不强，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布置，使消声器规划周期缩短，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研究，力求改良消声装置的数学模型，编制使用方便、计算结果精度较高的软件。