阻耗复合消声技术在轴流式通风机上的应用
摘要：介绍了HD6. 5 - 1 型大功率局部通风机利用阻性和耗能相结合的技术成功降噪的原理、结构和有关计算,并在通风机上进行了实际检测。结果表明此种组合消声技术有效地降低了通风机的工作噪声,又减少了环境污染,因此，扩大了通风机的许用范围。
关键词:轴流式通风机,噪声应用
1 引言
通风设备的使用直接关系到安全生产和周边地区的环境(主要是噪声) 污染。目前国内大量采用的JBT 型轴流通风机,其工作噪声之大对周围环境及操作人员造成较大伤害。特别对于矿区(隧道) 等大端面、长距离掘进工作面的通风往往要28kW通风机2～3台串联使用,其噪声问题更为严重。因此生产高效、大容量、低噪声的通风机是发展及节能降耗的需要。
轴流式HD - 6.5 型矿用局部通风机,通风量大(达450m3/ min) ,风压高(达4500Pa) ,功率大(两台22kW交流电机) ,而噪声却可有效地控制在85～88dB。由此可见,其在消声降噪的处理方面效果是显著的。本风机采用中间两级叶轮对旋,两边分别连接一对耗能消声部件和阻性消声部件。应用航空航天最先进的空气动力学原理来设计关键件叶轮盘,以用来降低风机的空气动力噪声及风机旋转噪声,同时又采用了广谱消声措施,由阻性消声和耗能消声两部分组成的消声部件,使风机的噪声有效降低到(85 +3) dB 水平以下。下面介绍的是本通风机消声降噪的关键技术之一阻耗复合消声技术。
2 阻性消声器
2.1 理论分析
阻性消声器的原理是利用声阻进行消声。实际工程中,主要是利用吸声材料来制作阻性消声器。当声波通过衬贴有多孔吸声材料的管道时,声波将激发多孔材料中无数小孔内的空气分子振动,其中一部分声能将用于克服摩擦阻力和粘滞力变为热能而消耗掉。一般说,阻性消声器具有良好的中高频消声性能,而低频消声性能较差,但实践证明只要适当增加吸声材料的厚度和密度以及较低的穿孔率,那么低中频消声性能也可大大改善。也就是说,可以用阻性消声的原理来制作宽频带阻性消声器。
在消声器中,对于一定宽度的气流通道,当频率高至一定限度时,由于相应的波长比通道宽度(或直径) 短,声波呈束状通过,所以很少与吸声表面接触,消声器性能也会因此显著下降,此频率可按下述公式计算[1] :
f 上限= 1. 85 C／b2（1）
式中f 上限———消声器上限截止频率,Hz
C ———声速,常温下为344m/ s
b2 ———通道直径或有效宽度,m
而对于一定厚度和密度的吸声材料,当频率低至一定限度时,由于波长太长,吸声性能则会显著下降。当吸声系数降至共振吸声系数的一半时,与此相应的频率称为下限截止频率。
对于给定的吸声材料,此频率的大小主要取决于吸声材料的厚度与密度。下限频率可以按下式计算[1 ] :
f 下限= β C／b1（2)
式中f 下限———消声器下限频率,Hz
b1 ———吸声材料厚度,m
β———与吸声材料类型、密度、护面穿孔率有关的系数,由试验确定
C ———声速,常温下为344m/ s
由(1) , (2) 两式可见,减小通道直径可以提高消声器上限消声频率;吸声材料的厚度和密度愈大,下限截止频率就愈低。因此,设计时应尽量增加吸声材料的厚度和密度,减小通道直径。
阻性消声器的消声值计算可按赛宾公式来进行。一般在中低频时,理论计算值与实测值能很好地吻合;在高频时,理论计算值高于实测值。在上限截止频率以下,可使用下面形式的赛宾公式[1] :
ΔL 0 = 0. 815 kPL ／S（3)
式中ΔL 0 ———没有气流时的消声值,dB
P ———消声器通道端面周长,m
S ———消声器通道横断面积,m2
L ———消声器长度,m
k ———无规入射的吸声系数αT 的函数
k 取垂直入射吸声系数α0 = 0.80 (较低值)时,对应的αT 为0.98[1] 。对应得出的k 为1.3 。
由赛宾公式可知,消声量同材料的吸声性能、几何尺寸有关,消声量正比于消声器的长度和饰面周长,与横断面积成反比。因此,在条件允许的情况下,应尽可能选取吸声性能好的多孔材料,同时要仔细设计通道的几何尺寸,对于同样截面的通道,尽量选用消声器通道端面周长与其横断面积的比值P/ S 大的几何形状。
消声器通常选用插片式或蜂窝式结构,这是为了增加P/ S 值。但如果只是简单增加P/ S值,则往往会使进入风机的气流严重畸变,影响风机的效率,反而会使气动噪声大大增加。
2.2 结构设计
 图1 |
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在权衡各方面因素后,通风机采用了6 根肋条, 并在肋条、外环及圆锥中充以容重为35kg/ m3 的防水超细玻璃棉,外覆厚度为3mm的不锈钢板,钢板上开有直径为5mm 的圆孔,穿孔率为24 % ,在钢板下敷设一层玻璃布以保护玻璃棉。
2.3 设计计算
由图1 几何尺寸可见,每一个小通道的面 积S 、周长P 可由下式确定:
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于是,引入赛宾公式,有肋条部分的消声量为
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通风机上前后两段阻性消声器共消声29. 2dB(A) ,消声频带宽达2952Hz ,实现了宽频降噪。
从图1 可以看出,阻性消声器的流道外壁面是等外径的圆柱面,内壁面是逐渐收缩的锥型壁面,这对气流进入下一阶段的均匀性有很好的保障。另外,整流帽罩内部填充吸声材料,使消声效果更佳。流道横截面上6个支撑肋内部也填充吸声材料,可造成尖劈消声的效果。在微孔面板与吸声材料之间,铺设了一层玻璃布,防止高速气流将吸声材料吹毁吹走,还可以有效地防止消声填料在矿山潮湿和粉尘多的环境中,会由于长期使用而逐渐失效。
3 耗能消声器设计
3.1 原理分析
耗能消声器是利用微穿孔板制作的阻抗复合式消声器,微穿孔板吸声结构可看成是微穿孔板后空腔组合的共振吸声体,马大猷教授经过多年系统的研究工作,找出了在高速气流下消声器的消声规律与压损关系,在理论与实践上证明了作为穿孔板吸声结构主要指标的吸收系数与频带宽度,主要由穿孔结构的声质量和声阻来决定的,这两个因素可分别由穿孔率和孔径来独立确定, 并由相应的理论计算来确定[1] 。
微穿孔板吸声结构是在厚度小于或近于1mm 的板材上开适量孔径小于或近于1mm 的微孔,穿孔率p 一般为1 %～3 % ,在穿孔板后留有一定厚度的空腔。微穿孔板吸声结构是一种高声阻、低声质量的吸声元件,孔径小于1mm的微孔为其提供了远高于一般穿孔板的声阻,从而提高了结构的吸声系数;而低的穿孔率又降低了其声质量,使得依赖于声阻与声质量比值的吸声频率宽度得以展宽,微穿孔板后面的空腔能有效地控制吸声峰的位置。为进一步提高宽频带的吸声系数,可以设计成两个或多个共振频率,即采用双层或多层微穿孔板结构[3] 。风机耗能消声结构的设计旨在应具有高的吸收系数和宽的吸收频带。
3.2 实际应用及计算
本风机利用风扇工作段截面到阻性消声器的联结部分设计了一个双层微穿孔板消声器,流道内壁是等内径的电机外壳,外壁面是收缩型的微穿孔板,其两端用螺钉固定在消声器壳体上,方便拆装。为了加宽消声频带,在空腔中间又设计了一层微穿孔板, 穿孔率p 为1.071 % ,形成双层微穿孔板消声器的结构。由于通道截面由Φ0.7m 收缩至Φ0. 65m ,因而第一层微穿板与第二层间是不等距的,一端间隙为0.02m ,另一端间隙为0.045m ,而第二层微穿孔板后的间隙则是0.03m。
 图2 耗能消声器内部结构示意图 |
根据马大猷教授的理论分析[1] ,本风机采用了微穿孔板结构的计算,从吸声系数和消声频带两方面来进行。
(1) 吸声系数
微穿孔板吸声结构可以看成是微穿孔板与板后腔组合的共振吸声体,在正入射不同的频率下,共振时最大吸声系数[4] :
α0 =4 r／(1 + r) 2 (10)
同时微穿孔板可以看成大量微管的并联。若空间距比孔距大得多,可假设各孔(即各微管) 的特性互不影响,微穿孔板的声阻抗简单地等于单孔的声阻抗除以孔数。另一方面,如果空间距比声波长小得多时,孔间板面对声波的反射也可忽略, 可以应用金属微穿孔板的公式[1] :
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这里f 是频率,所得r , kr , km 都是无量纲参数, x 为无量纲中间参数。
(2) 消声频带
相应的中高频时的共振频率,满足以下条件[2] :
2πgy0 - cot2πy0 = 0 (16)
其中y0 = f 0D ／C= D／λ0(17)
f 0 为共振频率,λ0 为相应波长(单位m) , D为空腔深度(单位m) , y0 为无量纲中间参数。
吸声系数为最大值的一半时的y 值满足:
2πgy1 - cot2πy1 = - (1 + r) (18)
2πgy2 - cot2πy2 = (1 + r) (19)
这里y1 = f 1D ／C= D／λ1
y2 = f 2D ／C= D／λ2
f 1 , f 2 为吸声系数,为α0／2 的频率(单位Hz) ,f 1 - f 2 为吸声频带, C 为光速(20 ℃时为343m/s) 。y1 .y2 为中间参数,另外g = ωm／（ωD/ C）(中间参数) 可理解为微穿孔板的相对声抗与空腔相对声抗参数的比,ω为角频率(单位1/ s) 。
g 很大时, (7) 、( 9) 、( 10) 3 式的解都较小,这时3 式的余切可以用以下近似关系来代替:
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误差小于10 %;当g 值不很大时,以上近似关系误差较大。
3.3 计算结果
第一层微穿孔板后间距从0.02m 至0. 045m线性减小, 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。
经检验,在f 1 , f 2 频率下的吸收系数分别近似于0. 97 及0. 998 。第二层微穿孔板的吸收系数计算:
取d = t = 0. 8mm , D = 0. 03m , p = 1. 07 % ,由(10) 、(17) 、(20) 、( 21) 、( 23) 式经试凑法计算的共振频率为f 0 = 770Hz ,α0 ≈ 0. 98 , f 2 =526Hz , f 1 = 1128Hz。经检验,在f 1 , f 2 下满足了要求。
可以证明,采用两层微穿孔板串联结构,能加宽频带,增加吸收。特别是在后腔共振频率附近吸收系数增加很多,低于该频率时吸收系数也有较大增加。根据文献[2]可知,双层微穿孔板共有3个共振吸收频率f r1 , f r2 , f r3 ,其中f r1及f r3的影响是主要的。根据文献[2]中的近似公式,计算得出本风机采用的双层吸声结构其共振频率分别近似于488Hz 及1242Hz ,表明消声频带比单层吸声结构加宽了。
4 结论
安装有此阻耗复合型消声器的HD6.5 - 1型通风机在北京航空航天大学流体力学实验室进行了调试试验。多次全工况实测表明,此复合消声器设计合理,降噪性能良好。通风机的工作噪声可有效控制在85dB (A) 左右,大大减少了噪声对周围环境的污染,实现了采用阻耗复合消声技术欲达到宽频降噪的目的。不久,该型号通风机顺利地通过鉴定,现已投入批量生产。
参考文献
[1] 智乃刚, 萧滨诗. 风机噪声控制技术. 机械工业出版社,1985.
[2] 任文堂,赵俭,李笑宽. 工业噪声和振动控制技术. 冶金工业出版社,1989.
[3] 马大猷. 微穿孔板吸声结构的理论和设计. 中国科学,1975(1) .
[4] 张宗茂,顾熙棠.双层微穿孔板吸声结构中的共振和反共振频率计算.噪声与振动控,1994 (1)
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