淺談阻性消聲器制作原理與經驗點滴

摘要：以多年的工廠設計制作經驗，從對阻性消聲器的制作原理的直觀理解和應用等方面，介紹實際設計制作中的一些方法和觀點，淺述阻性消聲器的設計步驟和消聲器設計制作的基本要求。實踐表明，重視多孔吸聲材料的厚度設計和共振吸聲結構材料的組合設計，能在很大程度上拓寬阻性消聲器的吸聲頻率帶，更有效地提高其消聲性能。

關鍵詞：阻性消聲器

阻性消聲器是運用吸聲材料的吸聲功能使沿著通道傳播的噪聲在傳播過程中不斷被吸收，逐漸衰減的基本原理制作而成的。

所謂吸聲材料，就是可以把聲能轉換為熱能的材料。它按吸聲機理可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結構材料兩大類。一般的多孔吸聲材料具有高頻吸聲系數大、比重小等優點，但低頻吸聲系數低;共振吸聲結構材料的低頻吸聲系數高，但加工性能差。雖然多孔吸聲材料存在一些不足，但由于其取材范圍廣，加工制造工藝相對簡單，并且隨著一些新型多孔泡沫材料、陶瓷材料的研究成功，其低頻吸聲性能已得到很大提高，因此多孔吸聲材料成為目前應用最廣泛的吸聲材料。

阻性消聲器的消聲量主要與制作消聲器的多孔吸聲材料種類、密度、厚度以及共振吸聲結構材料（如穿孔護面板）的穿孔率與消聲器的形式、長度、通道橫截斷面積等因素有關。由于阻性消聲器屬于吸收噪聲能量型，故聲波與吸聲材料接觸面積越大，消聲的效果就越好。

多孔吸聲材料具有許多微小的間隙和連續的氣泡，因而具有一定的通氣性。當聲波入射到多孔材料表面時，主要是兩種機理引起聲波的衰減：首先是由于聲波產生的振動引起小孔或間隙內的空氣運動，造成與孔壁的摩擦。由于摩擦和粘滯力的作用，使相當一部分聲能轉化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲能減弱達到吸聲的目的；其次，小孔中的空氣和孔壁與纖維之間的熱交換引起的熱損失，也使聲能衰減。另外，高頻聲波可使空隙間空氣質點的振動速度加快，空氣與孔壁的熱交換也加快，這就使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能。

多孔性吸聲材料之所以具有吸聲性能，是因為它具有兩個重要特性。

一是具有許多的微小間隙。

二是間隙與間隙之間是相互貫通的。將多孔吸聲材料安裝固定在氣體流動的管道圍壁或按一定的方式在通道中排列起來，就構成了最基本的阻抗消聲器。

穿孔護面板是阻性消聲器中的一個重要件，它有固定護住多孔消聲中的多孔性吸聲材料與消耗噪聲能量兩大功能。按一定的孔徑和穿孔率在薄的板材上穿上孔，并在板與其他物（如多孔消聲材料）之間留一定厚度的空氣層，就構成了穿孔板共振吸聲結構。穿孔板上的每一個孔相當于一個吸聲器，穿孔板吸聲結構實際上就是由許多個吸聲器并聯而成的共振吸聲結構。當吸聲器口（板表面上）的空氣受到激勵時，孔內及周圍的空氣隨著聲波一起來回振動，將產生壓縮或膨脹變形，在這個振動過程中必然存在著摩擦阻尼，起到了消耗噪聲能的作用。當不同頻率的聲波入射時，這種共振系統產生不同的響應，一些入射波的頻率接近或等于系統的固有共振頻率時，系統內的空氣振動變得強烈起來，噪音聲能大量損耗，即噪聲能被多孔性吸聲材料吸收，達到了其消聲效果。更有意義的是，通過對穿孔護面板孔參數的優化設計，可以有效拓寬消聲器的吸聲頻率帶，更有效的提高消聲性能。

長期的實踐經驗結果表明了赫姆霍茲共振吸聲器的共振頻率理論的可用性，多穿孔板的共振頻率與穿孔板的穿孔率、空隙深度、穿孔的直徑、厚度均有關系。例如穿孔板的穿孔面積越大，吸聲頻率越高，空腔或板的厚度越大，吸聲頻率就越低等等。因此為了改變穿孔板的穿孔特性可以通過改變穿孔板的穿孔率、空隙深度、穿孔的直徑、厚度等參數，以滿足阻性消聲器聲學設計的需要。

為了提高吸聲材料的吸聲性能及吸聲寬帶，在實際的設計制作中我們采用如下一些方法，并收到較好的消聲效果。

①空腔內填充高密度微孔纖維狀吸聲材料；用改變其厚度的方法進行多次實驗找到最佳的厚度值。

②在工藝條件允許的情況下盡量減小穿孔板孔徑，用以提高孔徑口振動速度和摩擦阻尼；

③變常規的單一孔徑和穿孔率為組合不同的孔徑和穿孔率、采用不同板厚的穿孔板的結構；拓展消聲頻率寬度。

通常消聲器的設計步驟如下：

①首先是對噪聲源進行調查，確定消聲器的消聲量，把自然衰減這個有利因素和環境聲這個不利因素綜合考慮進去。

②綜合氣流流量、流速、壓力等參數和消聲量，選擇消聲器管道截面、長度等尺寸，

③對初步設計進行必要的實驗測定，分析比較，最后選擇一個最佳的設計案。并且不斷改進。

消聲器的消聲量ΔL通常由下式估算：

ΔL=Ψ（?。㏄*l/S

（式中，Ψ（?。曄禂担桥c多孔材料垂直入射的吸聲系數A有關的無量綱量；P——消聲器氣流通道截面周長（m）；S——氣流通道的截面面積（m2）；l——消聲器的長度（m）。）

由上式分析可知：

消聲器的消聲量與消聲通道的幾何尺寸有很大關系，消聲量與消聲通道的長度成正比，與截面積S成反比，與截面周長P成正比。因此要提高消聲量必須增加消聲量通道長度或縮小通道截面積，當截面一定時，選擇適當的截面形狀使周長增大，以達到提高消聲量的目的。

消聲器的消聲量與多孔材料的消聲系數有很大關系，消聲系數主要襯墊貼的吸聲材料的吸聲系數決定。消聲系數與吸聲系數的函數關系見表：

A與Ψ（А）的函數關系表：

吸聲材料的吸聲系數A用來描述吸聲材料和吸聲結構的吸聲能力，一般材料的吸聲系數均在0-1之間，A值越大，吸聲效果越顯著，實驗室中常用駐波管法測定垂直入射的吸聲系數，是一種較簡單經濟的測量方法。

大部分消聲器制作企業對阻性消聲器的消聲器的消聲量多由實測求得。測量方法為測量出消聲器進口端面的聲級L（P1）與出口端的聲壓級L（P2），兩者差為所的消聲量。

即：ΔL=L（P1）-（P2）。

值得注意的是這種方法易受到環境的影響而產生較大的測量誤差，因此要在試驗臺上進行測量分析。

實際上消聲器設計制作不只是考慮有足夠的消聲量這樣單一的技術問題。任何消聲器都必須具備起碼的三個基本條件：

①具有良好的消聲性能，在所需要的消聲頻率范圍內有足夠的消聲量。

②具有良好的空氣動力性能，要求消聲器對氣流損失要小，做到在設備裝上消聲器后，所增加的阻力損失不影響其工作效率，保證進排氣通暢。

③在結構性能上，要求消聲器體積小，結構簡單，便于加工，無再生噪音。

這也是消聲器設計的基本要求。

參考文獻：

[1]《噪聲控制技術》.編者.潘仲麟.化學工業出版社.

[2]《噪聲污染控制技術》編者.張弛.中國環境科學出版社.

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