高通濾波器在消聲器上的應(yīng)用研究

                     播 雨

1 前言

  大截面消聲器（裝置）是指通道有效截面尺寸大于Φ300或300×300的消聲器（裝置）。它廣泛應(yīng)用在大型通風(fēng)機(jī)，鼓、引風(fēng)機(jī)、熱泵、冷卻塔已經(jīng)礦井通風(fēng)機(jī)，大截面通風(fēng)管道等消除空氣動(dòng)力性噪聲。近年來(lái)大風(fēng)量，大口徑消聲器（裝置）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用日趨增多，在冷卻塔、熱泵、除塵風(fēng)機(jī)等排風(fēng)系統(tǒng)消聲工程中已有不少應(yīng)用，并取得顯著降噪效果。大截面消聲器在實(shí)際應(yīng)用中需解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）由于通道截面大，需解決高頻失效和提高低頻消聲量問(wèn)題，既要保證一定的消聲性能，又要拓寬消聲頻帶；（2）減小消聲器體積，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工與安裝。

   本文通過(guò)建立消聲原理的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行理論分析探討，提出高通濾波器的設(shè)計(jì)原理，并在工程中應(yīng)用，取得滿意效果。

2 消聲原理及實(shí)驗(yàn)研究

   消聲器的消聲原理就是利用聲線路中的聲阻和聲抗來(lái)消耗聲能量，達(dá)到消聲的目的。利用聲阻消聲的消聲器叫阻性消聲器；利用聲抗消聲的消聲器叫抗性消聲器。兩者并用的消聲器叫阻抗復(fù)合式或阻-共振復(fù)合式消聲器。

高通濾波器用在阻抗復(fù)合式消聲器上，可進(jìn)一步提高低頻消聲量。它的原理如圖1所示。在氣流主管道上開一個(gè)圓孔（工程上可開多個(gè)），在這種情況下主管道的阻抗就會(huì)發(fā)生突然變化，一部分入射聲波被反射回去，形成反射波，一部分繼續(xù)沿主管道向右（或者說(shuō)前）傳播，形成透射波，還有一部分則沿圓孔（分支管）傳播。                       圖1 分支管道

在主管道壁上鉆一個(gè)孔時(shí)，其聲功率透射系數(shù)可給出如下式：

τ_w＝1/［１＋（ｓ_０／２ＳＫｌ）^２］�。ǎ保┗�

τ_w＝1/[1+(cｓ_０／4πf·Ｓｌ]          (2)

式中，d-穿孔直徑，米；ｌ＝１.７d；Ｋ=2πf/c，波數(shù)；S-管道橫截面積，m²；S₀-穿孔面積，m²；c-聲波速度，c=340m/s。

由（2）式可以看出，當(dāng)f小即頻率向低頻變化時(shí)，τ_w→0，而當(dāng)f大即頻率向高頻變化時(shí)，τ_w→1，因此，高頻時(shí)入射聲波的能量幾乎全部進(jìn)入續(xù)管，既由于小孔的存在，使管道成為一個(gè)高通濾波器。在消聲器中引進(jìn)高通濾波器是為了消除低頻噪聲。

由公式（1）和（2）式都可以看出，增加小孔面積（或增加小孔數(shù)）及減小管道面積都可以使τ_w增大，而起到讓高頻通過(guò)，讓低頻消聲的目的。

工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在主管道（或插管）上并列數(shù)個(gè)小孔，相當(dāng)于阻抗并聯(lián)，降低系統(tǒng)的總阻抗。當(dāng)多排孔時(shí)，相當(dāng)于阻抗串聯(lián)，阻抗近似等于1個(gè)孔的1/n             圖2  聲濾波消聲器

 

當(dāng)小孔面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主管道面積時(shí)，聲強(qiáng)透射系數(shù)等于聲功率透射系數(shù)，因此透射損失如下式^[5，7]：

TL＝１０ｌｏｇ［１＋（ｎｓ_０／２mＳＫｌ）^２］

式中，n-穿孔數(shù)，m-穿孔排數(shù)。

2.2 高通濾波器消聲實(shí)驗(yàn)

 在抗性消聲器內(nèi)引進(jìn)聲濾波制成的消聲裝置，在直徑Ф125主管道上鉆Ф10孔8只，在Ф95插管上鉆Ф6孔8只，如圖2所示。

為了比較高通濾波器的效果，用另一臺(tái)不帶高通濾波器只做插管的裝置（其它條件不變），在3L-10/8型           

空壓機(jī)進(jìn)氣管道上，安裝這種消聲裝置做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)測(cè)消聲效果，如表1和圖3所示。                      

表1    有無(wú)濾波器消聲量對(duì)比   /dB

項(xiàng)目	中心頻率/Hz
	31.5	63	125	250	500
有濾波器	9	19.5	27	26.5	15
無(wú)濾波器	4.5	11	24	26.0	15
效 果	4.5	8.5	3	0.5	0.1
計(jì)算值	15.4	7.1	2.5	0.7	0.2
誤差	-10.9	1.4	0.5	-0.2	-0.1

        圖3  實(shí)測(cè)消聲效果

由表1或圖3可以看到，兩種消聲裝置在低頻段有明顯差別。帶有高通濾波器的消聲裝置，在31.5、63、125、250 Hz三個(gè)低頻段，平均提高5dB^[7]。可見，在保證相同消聲量的情況下，加進(jìn)高通濾波器可以減小消聲裝置的體積，因而          

大截面的管道或進(jìn)、排風(fēng)口消聲，采用帶高通濾波器的插管結(jié)構(gòu)，     

就可以解決抗性消聲器單靠增大截面比，提高低頻消聲量的問(wèn)題。

  表1中計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差不大，只在31.5Hz比較大，原因可能是與系統(tǒng)共振頻率很接近帶來(lái)的測(cè)試誤差。

3  結(jié)論                               

（1）高通濾波器可以消除低頻噪聲，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在大截面消聲裝置上應(yīng)用，可以拓寬消聲頻帶。

（2）采用高通濾波器與阻性消聲結(jié)構(gòu)或共振消聲結(jié)構(gòu)復(fù)合，可以拓寬消聲頻帶，在工程中應(yīng)用，能夠取得滿意的降噪效果。

（3）帶中間隔板的高通濾波器結(jié)構(gòu)可以避免高頻失效，而提高高頻消聲效果。