船舶消聲器設計原理

陳影彬

摘 ?要：基于傳統型船用擴張式排氣消聲器，根據擴張式排氣消聲器的基本特性來設計消聲器，使其能夠滿足消聲效果好，阻力損失小，重量輕，體積小要求。并分析影響柴油機排氣消聲器消聲性能的各種主要參數，以及如何正確選取消聲器各主要參數的方法。

關鍵詞：船用柴油機排氣消聲器 ?參數 ?消聲器容積 ?消聲量

在船舶上，機艙是一個多噪聲區也是船舶環境污染的主要來源之一。機艙噪聲的產生主要由船舶主機及輔機工作時進氣噪聲、排氣噪聲、燃燒噪聲及機械噪聲等共同組成了的一個強烈的綜合性噪聲，其引起的噪聲污染目前已占到船舶噪聲污染的80%。在這幾個噪聲源中，排氣噪聲最為突出，其主要是低頻噪聲和諧波高頻噪聲成分，最大噪聲量可高達130 dB（A）。對輪機人員身體健康和船舶環境造成重大危害。因此，降低排氣噪聲勢在必行，最主要的解決措施就是在主輔機排氣口設計安裝有效的消聲器。

船舶消聲器的設計主要取決于對消聲器主要參數的選擇

1、船用柴油機排氣消聲器內氣流速度的確定

經試驗及理論分析得知，一般消聲器前插入管的氣流速度可取v=60～90m/s;消聲器內部的氣流速度應控制在40～60m/s范圍內。

2、船用柴油機排氣消聲器進氣管內徑d1的確定

根據柴油機排出流量Q，選擇合適的氣流速度v，便可確定流通面積F，從而確定進氣管直徑d1

因為 ? F=Q/v，F= ■

所以 ? ■

式中，Q為排氣流量，m3/s;V為排氣平均速度，m/s;

排氣流量Q一般由柴油機制造廠提供。若生產廠家未提供，有條件的也可以對該柴油機進行排氣流量的實測，無條件的，也可以通過理論計算確定。理論公式如下：

柴油機進氣流量 Q進=nηvVh/60τ（1）

柴油機排氣流量 Q排=Q進*Te/Ts

式中：n為柴油機標定轉速，r/min;ηv為充量系數，柴油機ηv=1，增壓柴油機ηv=增壓比;τ為沖程數，四沖程τ=2，二沖程τ=1;Vh為柴油機排量，m3/s;TS為柴油機進氣溫度，K;Te為柴油機排氣溫度，或渦輪增壓器出口溫度，K。

3、船用柴油機排氣噪聲基頻及諧波的確定

柴油機排氣噪聲基頻及諧波可用下式表示

■ ? ? ? ?x=1，2，3……

當x=1時 ? 基頻 = ■

式中：n—主機轉速;Z—主缸數;τ—沖程系數，四沖程τ=2，二沖程τ=1。

4、噪聲在排氣管中的聲速及其波長的確定

柴油機排氣噪聲聲速可用下式計算：

■

式中：t-柴油機排氣溫度，若是增壓柴油機，t為增壓器出口排氣溫度。單位：0C

排氣噪聲的波長可以由以下公式求得：

■

5、船用柴油機消聲器腔數的確定

消聲器容積Ve和縱橫比L/D確定之后，若空腔分隔的腔數n越多從理論上講，最大衰減量為（20lgm-6）·n，高頻消聲效果好，而低頻消聲效果差，而且，制造時材料消耗和加工時間增多，成本增加。反之，若空腔分隔的腔數越少，則低頻消聲聲效果好，材料消耗和工時減少，但高頻消聲效果差。因此，消聲器分隔的腔數多少，應與消聲特性和消聲量相配合。一般，消聲器的腔數n可根據消聲量選擇。

A類消聲器 ?消聲量>10dB（A） n=2～3

B類消聲器 ?消聲量>15dB（A） n=3～4（2）

C類消聲器 ?消聲量>20dB（A） n>4

6、船用柴油機消聲器各腔長度的確定

第一腔長度L1的確定十分重要，它承擔著消聲器的主要消聲性能和緩沖高溫高速脈動氣流的任務。一般，第一腔的容積不應小于柴油機排量Vh的1～3倍。

第一腔的長度L1應取其峰值頻率波長的1/4，即L1=λ/4。第一腔長度L1確定之后，第二腔長度L2、第三腔長度L3等便可相繼確定。L2=0.5L1，L3=0.5L2。這樣，消聲器便可形成消除低、中、高頻噪聲的全頻消聲器。

7、船用柴油機排氣消聲器擴張比 m 的確定。

通常擴張比m總是大于1的，而要取得明顯的效果，則m應取大于5的數值。

TLmax=201gm-6;

式中TLmax為消聲器第一腔最大消聲量一般TLmax=12～18

設TLmax=18dB（A），令m=s21，則m=15.8≈16.

8、船用柴油機消聲器本體內徑的確定

由■得，D= ■=4d

式中，d1為消聲器進口內徑。一般，m=5～16。

9、船用柴油機消聲器內各腔連接方法的確定

消聲器內各腔的長度確定之后，只要流通面積一定，腔與腔之間用管子或管子開多孔連通，本質上無多大差別。用管子連接時其插入管長度選擇1/4L和1/2L，實際應用時，插入管長度可比計算長度減少（0.3～0.4）d，d為插入管子內徑。

試驗證明，中心對正插入管的插入深度越大，其阻力系數就越大，性能下降就越多。隨著兩插入管的接近，高速脈動氣流越不能在消聲器中得到充分膨脹，排氣仍以脈動形式從排氣管中排出，出入口處排氣產生的渦流越強，因而某些頻率便形成再生噪聲。因此，最好是采用錯開式內插管，它能避免簡單膨脹腔出現通過頻率的缺點，又能使氣流在消聲器內得到充分的膨脹，其消聲性能較好。

用多孔連通時，優點是結構簡單，只需在隔板上沖出幾個小孔即可。但空腔不能被充分地隔開，不能充分發揮多腔的作用，還殘留著單個空腔的性能，空腔長度在500～600 Hz范圍內產生峰值，并使高頻的消聲效果變差。endprint

若保持排氣孔的總面積恒定不變，開一個孔、二個孔，三個孔或三個以上的孔相比較，因膨脹比m一定，所以消聲效果相差不大。但因孔徑越小，越能增加其聲能損失，從而減少了高頻成分，聽起來感覺柔和些。

10、船用柴油機消聲器排氣尾管和管徑的性能確定

尾管的長度不是越長越好。經試驗結果證明，尾管在某長度時能增加消聲器的消聲量，但繼續增長尾管，達到某一值后，排氣噪聲反而增大，若再超過此長度，又能增加消聲器的消聲效果。為了確定排氣消聲器排氣尾管的最佳長度，最好用臺架試驗確定。

消聲器內空腔的最大衰減量為20lgm-6，所以尾管的直徑越小，擴張比m越大，管壁處的聲能損失增加，就會使消聲器的消聲性能越好。由此可知，尾管的直徑在允許的范圍內越小越好。但管徑越小，氣流速度越大，產生的氣流再生噪聲也越大，背壓增加，性能惡化。設計時必須注意此點。

一般來說，為獲得良好的消聲效果，低速時應采用細而長的尾管，高速時應采用粗而短的尾管。這尾管應用于柴油機，效果更加顯著。也可以采用雙管排氣方式，單管時低速排氣，雙管時高速排氣，由蝶形閥控制。

11、船用柴油機消聲量在排氣系中安裝位置的確定

消聲器在排氣系中的安裝位置，對消聲效果也有較大影響，這是由于消聲器相對于排氣系內最大壓力的位置對輻射噪聲有影響，而且抗性消聲器聲能的有效反射與消聲器的位置有很大關系。設消聲器的前管長度為L1，消聲器的后管長度為L2，從柴油機的排出口至消聲器尾管排出口的長度為L，則L= L1十消聲器本體長度十L2。所以，消聲器的安裝位置一般推薦值如下：

L1/L=0～0.21; 0.37～0.47;0.6～0.72;0.85～0.94 ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

最不利的位置為：L1/L=0.21～0.37;0.47～0.6; 0.72～0.85;0、94～1.00，然后通過實驗確定最佳安裝位置。

12、船用柴油機排氣消聲器有效容積的確定

消聲器的結構確定之后，其容積大小的選擇也是很重要的。容積過小，往往導致柴油機功率損失過大，消聲效果下降;容積過大，雖有消聲量大、阻力損失小、對脈動氣流的緩沖作用大等優點，但也往往使安裝使用不便，而且造成材科浪費。下面介紹估算消聲器容積V。的大小。

消聲器容積■（4）

式中，C——經驗常數，根據消聲器所要達到的指標而定：

A 類消聲器 ? ?消聲量>10dB（A） ? C=2—3，

B 類消聲器 ? ?消聲量>15dB（A） ? C=4—5，

C 類消聲器 ? ?消聲量>20dB（A） ? C=7—8，

D 類消聲器 ? ?消聲量>25dB（A） ? C=10—13.

Ki——氣缸修正值，■;i——氣缸數;Kz——內燃機沖程數修正系數，四沖程及Kz=1，二沖程及Kz=2;Kt——消聲器應用于不同類型內燃機的修正系數，非增壓柴油機，Kt =1，非增壓汽油機，Kt=0.98，增壓內燃機，Kt=增壓比;Kn——內燃機轉速修正系數.Kn=0.7—10-4nb（nb為標定轉速）;■——內燃機壓縮比修正系數，汽油機■，柴油機■ ;Vh——內燃機排量，L。

對于排氣系統有兩個消聲器的V型內燃機排氣缸用一個消聲器，每個消聲器的容積：■

當V型內燃機只有一個消聲器時，消聲器的容積：

■

13、船用柴油機排氣消聲器消聲量的確定

消聲器消聲量：■

式中：■，Li—消聲器各腔長度，K—波數，m—擴張比。

總之：擴張比m增大，消聲器的消聲量也增大，此時需要縮小消聲器入口或者出口管的直徑，或者增大消聲器外殼的直徑。消聲器入口直徑不應小于船用柴油機排氣歧管出口或排氣口的直徑，否則因排氣背壓增高，將使柴油機消聲器的功率損失增大，則同時也會使排氣流速增大，容易激發再噪聲，易影響到消聲器的實際消聲效果。消聲器出口直徑可以等于略小于入口直徑。消聲器外殼尺寸不能為了獲得大的消聲量而取得過大，因為外殼尺寸還要受到船體等條件的限制。

參考文獻：

[1] 周軼塵，程沖《船用柴油機實用手冊》人民交通出版社

[2] 楊慶佛《內燃機噪聲控制》太原-山西人民出版社，1985.5

[3] 于學禮，艦船主機消音器的聲學設計《船舶》1991.3

[4] 林輝江，內燃機排氣消聲器主要參數的選擇（一）《內燃機》2001.4

[5] 林輝江，內燃機排氣消聲器主要參數的選擇（二）《內燃機》2001.5

（作者單位：江西省九江市船舶檢驗局）endprint