阻耗復(fù)合消聲技術(shù)在軸流式通風(fēng)機上的應(yīng)用
摘要：介紹了HD6. 5 - 1 型大功率局部通風(fēng)機利用阻性和耗能相結(jié)合的技術(shù)成功降噪的原理、結(jié)構(gòu)和有關(guān)計算,并在通風(fēng)機上進行了實際檢測。結(jié)果表明此種組合消聲技術(shù)有效地降低了通風(fēng)機的工作噪聲,又減少了環(huán)境污染,因此，擴大了通風(fēng)機的許用范圍。
關(guān)鍵詞:軸流式通風(fēng)機,噪聲應(yīng)用
1 引言
通風(fēng)設(shè)備的使用直接關(guān)系到安全生產(chǎn)和周邊地區(qū)的環(huán)境(主要是噪聲) 污染。目前國內(nèi)大量采用的JBT 型軸流通風(fēng)機,其工作噪聲之大對周圍環(huán)境及操作人員造成較大傷害。特別對于礦區(qū)(隧道) 等大端面、長距離掘進工作面的通風(fēng)往往要28kW通風(fēng)機2～3臺串聯(lián)使用,其噪聲問題更為嚴重。因此生產(chǎn)高效、大容量、低噪聲的通風(fēng)機是發(fā)展及節(jié)能降耗的需要。
軸流式HD - 6.5 型礦用局部通風(fēng)機,通風(fēng)量大(達450m3/ min) ,風(fēng)壓高(達4500Pa) ,功率大(兩臺22kW交流電機) ,而噪聲卻可有效地控制在85～88dB。由此可見,其在消聲降噪的處理方面效果是顯著的。本風(fēng)機采用中間兩級葉輪對旋,兩邊分別連接一對耗能消聲部件和阻性消聲部件。應(yīng)用航空航天最先進的空氣動力學(xué)原理來設(shè)計關(guān)鍵件葉輪盤,以用來降低風(fēng)機的空氣動力噪聲及風(fēng)機旋轉(zhuǎn)噪聲,同時又采用了廣譜消聲措施,由阻性消聲和耗能消聲兩部分組成的消聲部件,使風(fēng)機的噪聲有效降低到(85 +3) dB 水平以下。下面介紹的是本通風(fēng)機消聲降噪的關(guān)鍵技術(shù)之一阻耗復(fù)合消聲技術(shù)。
2 阻性消聲器
2.1 理論分析
阻性消聲器的原理是利用聲阻進行消聲。實際工程中,主要是利用吸聲材料來制作阻性消聲器。當聲波通過襯貼有多孔吸聲材料的管道時,聲波將激發(fā)多孔材料中無數(shù)小孔內(nèi)的空氣分子振動,其中一部分聲能將用于克服摩擦阻力和粘滯力變?yōu)闊崮芏牡簟Ｒ话阏f,阻性消聲器具有良好的中高頻消聲性能,而低頻消聲性能較差,但實踐證明只要適當增加吸聲材料的厚度和密度以及較低的穿孔率,那么低中頻消聲性能也可大大改善。也就是說,可以用阻性消聲的原理來制作寬頻帶阻性消聲器。
在消聲器中,對于一定寬度的氣流通道,當頻率高至一定限度時,由于相應(yīng)的波長比通道寬度(或直徑) 短,聲波呈束狀通過,所以很少與吸聲表面接觸,消聲器性能也會因此顯著下降,此頻率可按下述公式計算[1] :
f 上限= 1. 85 C／b2（1）
式中f 上限———消聲器上限截止頻率,Hz
C ———聲速,常溫下為344m/ s
b2 ———通道直徑或有效寬度,m
而對于一定厚度和密度的吸聲材料,當頻率低至一定限度時,由于波長太長,吸聲性能則會顯著下降。當吸聲系數(shù)降至共振吸聲系數(shù)的一半時,與此相應(yīng)的頻率稱為下限截止頻率。
對于給定的吸聲材料,此頻率的大小主要取決于吸聲材料的厚度與密度。下限頻率可以按下式計算[1 ] :
f 下限= β C／b1（2)
式中f 下限———消聲器下限頻率,Hz
b1 ———吸聲材料厚度,m
β———與吸聲材料類型、密度、護面穿孔率有關(guān)的系數(shù),由試驗確定
C ———聲速,常溫下為344m/ s
由(1) , (2) 兩式可見,減小通道直徑可以提高消聲器上限消聲頻率;吸聲材料的厚度和密度愈大,下限截止頻率就愈低。因此,設(shè)計時應(yīng)盡量增加吸聲材料的厚度和密度,減小通道直徑。
阻性消聲器的消聲值計算可按賽賓公式來進行。一般在中低頻時,理論計算值與實測值能很好地吻合;在高頻時,理論計算值高于實測值。在上限截止頻率以下,可使用下面形式的賽賓公式[1] :
ΔL 0 = 0. 815 kPL ／S（3)
式中ΔL 0 ———沒有氣流時的消聲值,dB
P ———消聲器通道端面周長,m
S ———消聲器通道橫斷面積,m2
L ———消聲器長度,m
k ———無規(guī)入射的吸聲系數(shù)αT 的函數(shù)
k 取垂直入射吸聲系數(shù)α0 = 0.80 (較低值)時,對應(yīng)的αT 為0.98[1] 。對應(yīng)得出的k 為1.3 。
由賽賓公式可知,消聲量同材料的吸聲性能、幾何尺寸有關(guān),消聲量正比于消聲器的長度和飾面周長,與橫斷面積成反比。因此,在條件允許的情況下,應(yīng)盡可能選取吸聲性能好的多孔材料,同時要仔細設(shè)計通道的幾何尺寸,對于同樣截面的通道,盡量選用消聲器通道端面周長與其橫斷面積的比值P/ S 大的幾何形狀。
消聲器通常選用插片式或蜂窩式結(jié)構(gòu),這是為了增加P/ S 值。但如果只是簡單增加P/ S值,則往往會使進入風(fēng)機的氣流嚴重畸變,影響風(fēng)機的效率,反而會使氣動噪聲大大增加。
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
 圖1 |
 |
在權(quán)衡各方面因素后,通風(fēng)機采用了6 根肋條, 并在肋條、外環(huán)及圓錐中充以容重為35kg/ m3 的防水超細玻璃棉,外覆厚度為3mm的不銹鋼板,鋼板上開有直徑為5mm 的圓孔,穿孔率為24 % ,在鋼板下敷設(shè)一層玻璃布以保護玻璃棉。
2.3 設(shè)計計算
由圖1 幾何尺寸可見,每一個小通道的面 積S 、周長P 可由下式確定:
 |
于是,引入賽賓公式,有肋條部分的消聲量為
 |
通風(fēng)機上前后兩段阻性消聲器共消聲29. 2dB(A) ,消聲頻帶寬達2952Hz ,實現(xiàn)了寬頻降噪。
從圖1 可以看出,阻性消聲器的流道外壁面是等外徑的圓柱面,內(nèi)壁面是逐漸收縮的錐型壁面,這對氣流進入下一階段的均勻性有很好的保障。另外,整流帽罩內(nèi)部填充吸聲材料,使消聲效果更佳。流道橫截面上6個支撐肋內(nèi)部也填充吸聲材料,可造成尖劈消聲的效果。在微孔面板與吸聲材料之間,鋪設(shè)了一層玻璃布,防止高速氣流將吸聲材料吹毀吹走,還可以有效地防止消聲填料在礦山潮濕和粉塵多的環(huán)境中,會由于長期使用而逐漸失效。
3 耗能消聲器設(shè)計
3.1 原理分析
耗能消聲器是利用微穿孔板制作的阻抗復(fù)合式消聲器,微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可看成是微穿孔板后空腔組合的共振吸聲體,馬大猷教授經(jīng)過多年系統(tǒng)的研究工作,找出了在高速氣流下消聲器的消聲規(guī)律與壓損關(guān)系,在理論與實踐上證明了作為穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)主要指標的吸收系數(shù)與頻帶寬度,主要由穿孔結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量和聲阻來決定的,這兩個因素可分別由穿孔率和孔徑來獨立確定, 并由相應(yīng)的理論計算來確定[1] 。
微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是在厚度小于或近于1mm 的板材上開適量孔徑小于或近于1mm 的微孔,穿孔率p 一般為1 %～3 % ,在穿孔板后留有一定厚度的空腔。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是一種高聲阻、低聲質(zhì)量的吸聲元件,孔徑小于1mm的微孔為其提供了遠高于一般穿孔板的聲阻,從而提高了結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù);而低的穿孔率又降低了其聲質(zhì)量,使得依賴于聲阻與聲質(zhì)量比值的吸聲頻率寬度得以展寬,微穿孔板后面的空腔能有效地控制吸聲峰的位置。為進一步提高寬頻帶的吸聲系數(shù),可以設(shè)計成兩個或多個共振頻率,即采用雙層或多層微穿孔板結(jié)構(gòu)[3] 。風(fēng)機耗能消聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計旨在應(yīng)具有高的吸收系數(shù)和寬的吸收頻帶。
3.2 實際應(yīng)用及計算
本風(fēng)機利用風(fēng)扇工作段截面到阻性消聲器的聯(lián)結(jié)部分設(shè)計了一個雙層微穿孔板消聲器,流道內(nèi)壁是等內(nèi)徑的電機外殼,外壁面是收縮型的微穿孔板,其兩端用螺釘固定在消聲器殼體上,方便拆裝。為了加寬消聲頻帶,在空腔中間又設(shè)計了一層微穿孔板, 穿孔率p 為1.071 % ,形成雙層微穿孔板消聲器的結(jié)構(gòu)。由于通道截面由Φ0.7m 收縮至Φ0. 65m ,因而第一層微穿板與第二層間是不等距的,一端間隙為0.02m ,另一端間隙為0.045m ,而第二層微穿孔板后的間隙則是0.03m。
 圖2 耗能消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 |
根據(jù)馬大猷教授的理論分析[1] ,本風(fēng)機采用了微穿孔板結(jié)構(gòu)的計算,從吸聲系數(shù)和消聲頻帶兩方面來進行。
(1) 吸聲系數(shù)
微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可以看成是微穿孔板與板后腔組合的共振吸聲體,在正入射不同的頻率下,共振時最大吸聲系數(shù)[4] :
α0 =4 r／(1 + r) 2 (10)
同時微穿孔板可以看成大量微管的并聯(lián)。若空間距比孔距大得多,可假設(shè)各孔(即各微管) 的特性互不影響,微穿孔板的聲阻抗簡單地等于單孔的聲阻抗除以孔數(shù)。另一方面,如果空間距比聲波長小得多時,孔間板面對聲波的反射也可忽略, 可以應(yīng)用金屬微穿孔板的公式[1] :
 |
 |
這里f 是頻率,所得r , kr , km 都是無量綱參數(shù), x 為無量綱中間參數(shù)。
(2) 消聲頻帶
相應(yīng)的中高頻時的共振頻率,滿足以下條件[2] :
2πgy0 - cot2πy0 = 0 (16)
其中y0 = f 0D ／C= D／λ0(17)
f 0 為共振頻率,λ0 為相應(yīng)波長(單位m) , D為空腔深度(單位m) , y0 為無量綱中間參數(shù)。
吸聲系數(shù)為最大值的一半時的y 值滿足:
2πgy1 - cot2πy1 = - (1 + r) (18)
2πgy2 - cot2πy2 = (1 + r) (19)
這里y1 = f 1D ／C= D／λ1
y2 = f 2D ／C= D／λ2
f 1 , f 2 為吸聲系數(shù),為α0／2 的頻率(單位Hz) ,f 1 - f 2 為吸聲頻帶, C 為光速(20 ℃時為343m/s) 。y1 .y2 為中間參數(shù),另外g = ωm／（ωD/ C）(中間參數(shù)) 可理解為微穿孔板的相對聲抗與空腔相對聲抗參數(shù)的比,ω為角頻率(單位1/ s) 。
g 很大時, (7) 、( 9) 、( 10) 3 式的解都較小,這時3 式的余切可以用以下近似關(guān)系來代替:
 |
誤差小于10 %;當g 值不很大時,以上近似關(guān)系誤差較大。
3.3 計算結(jié)果
第一層微穿孔板后間距從0.02m 至0. 045m線性減小, 取D = 0.035m , d = t =0. 8mm , p = 1. 07 % , f 0 = 700Hz , 由( 11) 式求得, y0 = 0.07206 ,由(11) 、( 14) 、( 2) 式求得α0 = 0. 988代入所求的α0 = 0. 988 ,由(21) (23) 式求得f 1 = 470Hz , f 2 = 1041Hz。
經(jīng)檢驗,在f 1 , f 2 頻率下的吸收系數(shù)分別近似于0. 97 及0. 998 。第二層微穿孔板的吸收系數(shù)計算:
取d = t = 0. 8mm , D = 0. 03m , p = 1. 07 % ,由(10) 、(17) 、(20) 、( 21) 、( 23) 式經(jīng)試湊法計算的共振頻率為f 0 = 770Hz ,α0 ≈ 0. 98 , f 2 =526Hz , f 1 = 1128Hz。經(jīng)檢驗,在f 1 , f 2 下滿足了要求。
可以證明,采用兩層微穿孔板串聯(lián)結(jié)構(gòu),能加寬頻帶,增加吸收。特別是在后腔共振頻率附近吸收系數(shù)增加很多,低于該頻率時吸收系數(shù)也有較大增加。根據(jù)文獻[2]可知,雙層微穿孔板共有3個共振吸收頻率f r1 , f r2 , f r3 ,其中f r1及f r3的影響是主要的。根據(jù)文獻[2]中的近似公式,計算得出本風(fēng)機采用的雙層吸聲結(jié)構(gòu)其共振頻率分別近似于488Hz 及1242Hz ,表明消聲頻帶比單層吸聲結(jié)構(gòu)加寬了。
4 結(jié)論
安裝有此阻耗復(fù)合型消聲器的HD6.5 - 1型通風(fēng)機在北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)實驗室進行了調(diào)試試驗。多次全工況實測表明,此復(fù)合消聲器設(shè)計合理,降噪性能良好。通風(fēng)機的工作噪聲可有效控制在85dB (A) 左右,大大減少了噪聲對周圍環(huán)境的污染,實現(xiàn)了采用阻耗復(fù)合消聲技術(shù)欲達到寬頻降噪的目的。不久,該型號通風(fēng)機順利地通過鑒定,現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。
參考文獻
[1] 智乃剛, 蕭濱詩. 風(fēng)機噪聲控制技術(shù). 機械工業(yè)出版社,1985.
[2] 任文堂,趙儉,李笑寬. 工業(yè)噪聲和振動控制技術(shù). 冶金工業(yè)出版社,1989.
[3] 馬大猷. 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計. 中國科學(xué),1975(1) .
[4] 張宗茂,顧熙棠.雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)中的共振和反共振頻率計算.噪聲與振動控,1994 (1)
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
