柴油发电机消声器的内部组成与消音机理

　　摘要：排气噪声是柴油发电机组最主要的噪音源，由于其功率大，它通常比柴油机的其他噪声高10-15dB(A)。随着柴油发电机容量及强化程度的提高，排烟系统内气流速度加大，排气噪音也明显会增大，从而使发电机组整机噪声有增大的趋势。减轻排气噪音的高效程序是操作排烟消声器，所以，排气消声器性能的优劣对柴发机组噪音的控制和缓解噪音污染有极其重要的用途。康明斯公司在文章中解析了柴油发电机组排气噪音的发生特性和控制措施，同时对消声器的类别及其作业原理进行了细致解读并附注了构造图。

　　      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，可将柴油发电机详细噪音源分为空气动力性噪声、机械噪音和燃烧噪声3种。在没有排烟消音器时，排烟噪音是最大的噪声源。

　　      柴油发电机作业时，汽缸内的废气随着排气口间歇性地开启而周期性地喷射到气管内，因此产生的排烟噪声是周期性的，其具体频率成分为：

　　      图1是cummins柴油发电机排烟噪声的实测频谱特点。可见此柴油发电机排烟噪音呈现低中频特性，低频峰值一般在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转速、气缸数及冲程数来决定的，中频噪音则是由高次谐波延伸造成的，而高频噪音则是因为排气涡流、气缸内燃烧以及机件西安发电机厂家、管道振动造成的。

　　      图2的cummins柴油发电机排气噪声实测结果表明，消音器分别在频率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，与仿真剖析结果基本一致。图示同时可知，在频率35.6 Hz处，传递损失达到20 dB为最大，也就证明消音器在基频处对气体噪声衰减达到最佳湖北发电机厂家。同时在一次谐波和二次谐波处，消音器对噪声降低均有一定效果。

　　图1  柴油发电机排烟噪音实测频谱特性曲线  柴油发电机消音器传递损失曲线

　　      由于每个汽缸的排烟门开启时，汽缸内的气体突然高速喷出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，从而激发出噪声。由于各缸排烟是在指定的相位上周期地进行，因此这是一种周期性的噪音，是典型的低频噪音。

　　      排气系统管道中的空气柱，在周期性排烟噪音的激发下，因产生共振而发生空气柱共振噪声。

　　      某一缸废气大量排气时，气流流向总管，也会吹向其他气道开口处，气流流速也会随着主轴转角发生较大幅度的变化，从而发生一种周期性的涡流。这种涡流使歧管内的气体发生压力波动，从而激发出以高频为主的噪音。

　　      柴油发电机在排气时，气缸与排烟管相通，该气缸此时正是一个赫尔姆霍茨共振器，由赫尔姆霍茨效应可知，此时会发生共振。它与柴油发电机转速无关，多缸时则不明显。

　　      废气喷注噪声是由于排气门处高速的气流喷注而发生的。同时，排烟门附近存在着压力不持续面，气流经过此处时会发生冲击波而激发冲击噪音，废气喷注和冲击噪音是连续宽频带的高频噪音。

　　      在自由排烟阶段，废气的流动是素流流动。紊流气体在排气道内壁面附近形成的涡流导致壁面附近气体压力波动，辐射出噪音，这种噪声详细为宽频带的高频噪音。

　　      柴油发电机组排烟装置噪声发生的条件很多，除了上述六种组成部分外，还有其他一些结构声源。如：排烟门杆发生的涡流噪音、排烟系统中再燃烧发生的噪声、由排烟脉冲压力激发管壁造成的噪声、排烟门落座声、通过截面突变处的气流湍流噪声等。

　　      柴油发电机组排烟噪音的控制，一般是从控制排气噪音的出现和传播这两方面来考虑的。

　　      控制排烟噪音的产生就是减小噪音源，根据上述噪音源出现的原理，对产生排烟噪音的装置进行相应的改良。对发生排气噪声的装置进行改善的措施主要是对柴油发电机的构成和数据的改进。这种步骤是最彻底，而且其潜力也是最大的。但这些改动，涉及到柴油发电机排烟噪声的控制，需要考虑产生排气噪声的各种因素，牵扯到柴油发电机本身及排气装置的噪声，要综合考虑并进行大量的实验探讨，其难度是非常大的。（2）

　　      控制排气噪音的传播则详细有加装排烟消声器和隔离排气歧管传来的机械震动两种步骤。这两种步骤对柴油发电机性能影响不大，又比较容易实现。目前得到最广泛运用的隔音方式就是在排烟系统中装配适当的排气消声器，使噪音向环境辐射之前就得到大幅度的衰减，从而起到降低排气噪声的作用。隔振步骤通常包括改进排气歧管构成来改进振动特性和隔离排气歧管传递的振动两种措施。 

　　      根据消声机理的不一样，排气消音器可以分为阻性消音器、抗性消声器、阻抗复合型消音器以及电子消声器。

　　     阻性消声器主要是利用降噪材料来消减噪声，把隔声材料固定在气流流动的管道内壁，或把它按一定的方式在管道中排列组合，就构成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器中，一部分声能便被隔音材料吸收，起到了消声的用途。这种消音器的优点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隔音材料的性能，减轻使用寿命，而且它对低频噪音消声效果比较差。

　　      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声反射回噪音源或大幅度抵消，从而达到消声的目的。这类消音器一般是全金属结构，其组成简单、耐发热、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。因此柴油发电机组采取这种消音器十分合适。抗性消音器的消声频带窄东莞康明斯发电机，对高频噪音的消声效果差。为了弥补这种缺点，常选用多级组合或加上穿孔板等高频消声效果较好的组成，构造宽频带的消声器。抗性消声器最基本的形式为扩张式消音器和共振式消音器。（1）扩张式消音器

　　② 通过改变扩张室和内接管的长度，使前进的声波与在管中不同界面上的反射波之间的相位差180°，产生干涉而相互抵消，从而达到消声的意义。

　　      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声通过，但有个缺陷是存在多个通过频率，通过频率的消声量等于零，因此一般选用内插管法（构成如图3）和多节扩张腔串联法（构成如图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。理论剖析，两者结合可获得没有通过频率的消声性能。

　　      共振式消音器常采取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结构，它在管路中设置颈部并与空腔结合，颈部起品质功能，空腔起弹簧用途，因为声音能量短路，消耗声能而达到消声意义。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装置，由于流体交替地进入，不能简易解释从孔孔中发散而引起的粘性和惯性效应的末端调校，但可用无限长管道的理论来描述管道的阻抗。在发电机运转基频处，传递损失达到20 dB，对气体噪声衰减达到最佳；在发电机运转一次谐波和二次谐波处，消音器对噪声衰减也有一定效果。通过改变消音器的组成参数，能获得不一样的噪声降低效果。②

　　      穿孔板消音器是衬装微穿孔板组成的消音器。能在较宽的频带范围内清除气流噪声，而且具耐高温、耐油污、耐腐蚀的性能，即使在气流中带有大量水分，也不影响作业。由于穿孔直径小、板面光滑，因此消音器阻损比一般阻性消声器要小。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，适用于通风空调装置的中、低压风机、空气动力噪音消声。更实用于要点偏高的洁净厂房、无菌室、食品卫生工业、宾馆等通气空调系统，微穿孔板消音器内外孔板用龙骨固定，通过选用不同的穿孔率的孔板及不一样腔深组合，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音器的特点制成的。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，但阻性材料的采取缩短了其使用寿命。

　　      近几十年来，随着计算机的发展，电子控制装置的性价比的增强，“电子消声器”已成为可能，在有源消声和半有源消声上的研究不断深入。有源消声系统的优势在于：可以减少消音器体积，减轻背压，使消音器减小复杂程度，从而实现标准化。有源消声系统必须要有高速度的信号解决器和承受过热与振动的换能器，另外对有源噪声抵消系统来说，还需要有降低气流脉冲的精密而快速的执行器，有源消音器和半有源消音器的真正完全实现产品化还需要进一步的研讨。 

　　      随着国民经济的飞速发展，各种交通工具数量日益增多，由此带来的噪声污染已成为干扰和破坏国民生活的一大公害。噪声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设备受到损伤。各项调查和检测表明，柴发噪声是目前生产授权厂商中最大的噪音源。因此，减少柴油发电机组的噪音是降低企业全厂噪音的根本措施。      我国消声器布置仍以类比选取布置为主，消声效果不好，针对性不强，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音器匹配优化布置，使消声器规划周期缩短，节省了人力和物力，具有重要的现实目的。目前，国内外的大学和科研机构都在进行这方面的研讨，力求改良消声系统的数学模型，编制使用方便、计算结果精度偏高的软件。

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