微穿孔板消声器原理与应用

【摘要】文章介绍了微穿孔板消声器的原理与应用情况，同时简述了微穿孔板消声器的特点，以及其在噪声治理过程中的作用。

【关键词】微穿孔板；消声器；噪声治理

1.总论

消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。按其消声机理，可以把它们分为六种主要的类型， 阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器和有源消声器。

微穿孔板消声器从消声原理上看，是一种阻抗复合式消声器。这种消声器采用金属结构代替多孔性吸声材料，适用于高温、高速气流及有水气、粉尘等特殊环境，在较宽的频带范围内具有良好的消声效果。

微穿孔消声器不使用任何阻性吸声填料，采用微穿小孔多空腔结构，高压气流在消声器内经多次控流进入空腔体，逐级改变原气流的声频。阻力损失小，消声频带宽，工作时不起尘。不怕油雾、水气。耐高温、耐高速气流冲击。

2、微孔板吸声结构理论

在板厚小于1.0mm的薄板上穿以孔径小于等于1.0mm的微孔，穿孔率为1～5%，消声后部留有一定的厚度（5-20cm）空气层，该层不填任何吸声材料 ，这样即构成了微穿孔板吸声结构。它是一种低声质量，高声阻的共振吸声结构，其研究表明，表征微穿孔板吸声特性的吸声系数和频带宽度，主要由微穿孔板的声质量m和声阻r来决定，而这两个因素又与微孔直径d及穿孔率p有关。微穿孔板吸声结构的相对声阻抗Z（以空气的特性阻抗ρC为单位）用式（1）计算：

Z=r+jwm=jctg（WD/C） （1）

式中：

ρ--空气密度（kg/cm3）；

C--空气中声速（m/s）；

D--腔深（mm）；

m--相对声质量；

r--相对声阻；

w--角频率，W=2πf（f为频率）；

而r和m分别由式（2）（3）表达：

r=atkr/dzp （2）

m=（0.294）×10-3tkm/p （3）

式中：

t--板厚（毫米）

d--孔径（毫米）

p--穿孔率（%）

kr--声阻系数kr=（1+x2/32）1/2+（2x）1/2/8×d/t

km--声质量系数km=1+{1+[1/（9+（x2/2））]}+0.85d/t

其中x=abf，a和b为常数，对于绝热板a=0.147，b=0.32；对于导热板a=0.235，b=0.21

消声器声吸收的角频带宽度，近似地由r/m决定，此值越大，吸声的频带越宽。 r/m=（l/d2）×（kr/km） （4）

式中l--常数，对于金属板l=1140，而隔热板l=500。上式也可以用式（5）表达：

r/m=50f（（kr/km）/x2） （5）

而kr/km的近似计算式为：

kr/km=0.5+0.1x+0.005x2 （6）

利用以上各式就可以从要求的r、m、f求出微穿孔板吸声结构的x、d、t、p等参量。由于微穿孔板的孔径很小且稀，基声阻r值比普通穿孔板大得多，而声质量m又很小，故吸声频带比普通穿孔板共振吸声结构大得多，一般性能较好的单层或双层微穿孔板吸声结构的吸声频带宽度可以达到6～10个1/3信频程以上。共振时的最大吸声系数

α0为α0=4r/（1+r）2 （7）

具体设计微穿孔板吸声结构时，可通过计算，也可查图表，计算结果与实测结果相近。在实际工程中为了扩大吸声频带的宽度，往往采用不同孔径、不同穿孔率的双层或多层微穿孔板复合结构。

3.微穿孔板理论在抗喷阻消声器设计中的应用

利用微穿孔板声学结构设计制造的消声器种类很多，主要型为抗喷阻型消声器。该型式消声器采用金属穿孔薄板制成，穿孔板后的空气层内填装的吸声材料为耐腐蚀金属软丝布。利用吸声材料的阻性吸声原理，进一步达到降噪消声的作用。消声器其吸声系数高，吸收频带宽，压力损失小，气流再生噪声低，且易于控制。微穿孔板与外壳体之间以及微穿板之间的空腔尺寸大小按需要吸收的频带不同而异，低频腔大（150～200mm），中频小些（80～120mm），高频更小些（30～50mm），双层结构的前腔深度一般应小于后腔，前后腔深度之比不大于1：3，前部接近气流的一层微穿孔板穿孔率应高于后层，为减小轴向声传播的影响，可在微穿孔板消声器的空腔内每隔500mm左右加一块横向隔板。试验证明，微穿孔板消声器不论是低频、中频、高频消声性能实测值比理论估算值要好。且消声量与流速有关，与消声器温升无关，当流速达到70米/秒时，一般其它型式消声器已无法解决噪声问题，而微孔型消声器可承受70m/s气流速度的冲击，仍有15dB（A）以上的消声器。

4.工程应用

4.1应用实例

（1）风洞试验室应用

随着近代工业的发展，风洞在一些部门广泛应用。风洞运行产生极其强烈的噪声，其总声级往往高达130 dB（A）以上。这种噪声，严重地遮蔽了风洞工作间的语言交谈和其他音响讯号，对人的心脏、血液循环系统、神经系统、消化系统，都有不良的影响。

（2）发动机试车台应用

发动机试车台试验室试验时噪声大于130dB（A），这些试验设备与装置工作时产生的噪声均远远超过国家环保标准，对试验现场人员、周围办公室人员和居民生活环境造成严重影响，同时进、排风风速较大，微穿孔板消声器安装于进、排风通道，降低通过排气通道传出的噪声；消声器主要材料可选用防水吸声板，采用耐热不锈钢做框架及饰面，消声器选用材料均为防水、耐腐蚀材料，具有阻燃、耐高温功能，最大耐温大于600℃，通过改造后，室外噪声小于65dB（A）。

（3）发电机房应用

发电机是将其它形式的能源转换成电能的机械设备，发电机工作时噪声大于110dB（A），通过在发电机房进、排风系统和排烟系统安装微穿孔板消声器及组合单元，有效降低机房噪声对周围环境的影响，可使机房外噪声小于55dB（A）。

（4）锅炉房、水泵房、空调室外机等应用

锅炉房、水泵房、空调室外机噪声值大于90dB（A），通过将无组织排风改为有组织进排风，在进排风系统安装微穿孔板消声器，通过安装微穿孔板消声器，有效降低起噪声对周围环境的影响可使机房外噪声小于60dB（A）。

5.结语

对于实际中使用的消声器，能否达到设计时所设定的消声指标，还要受到实际使用环境的影响。

（1）气流对消声器性能的影响。气流速度对消声器性能的影响主要表现在两方面：一是气流的存在会引起声传播规律的变化；二是气流在消声器内产生一种附加噪声--再生噪声。

（2）消声器结构对其性能的影响。一般来说，好的消声器除了要满足预定的声学性能和空气动力性能之外，其结构还应该具有体积小、重量轻、结构简单、造型美观、方便，同时具备坚固耐用、使用寿命长、维护简单和造价低等特点。

（3）不同安装对消声器性能的影响。同样一个消声器，安装位置不同，降噪效果不同。如风机排气消声器离排气口较远处安装，则由排气口到消声器之间这一段管道可能辐射较强的排气噪声，影响总的降噪效果，所以排气口消声器宜靠近排气口安装。

由于微穿孔板消声器自身特点及优点，具有消声量大，应用领域广阔，市场需求量大，生产成本相对合理等特点，其推广应用具有很大的市场价值。

参考文献

[1] 马大猷主编.《噪声与振动控制手册》.北京：机械工业出版社，2002.

[2] 周新祥.《噪声控制技术及其新进展》.冶金工业出版社，2007

[3] 应怀樵.《现代振动与噪声技术》.航空工业出版社，2010

[4] 安德森著，杨永等译注.《空气动力学基础》.航空工业出版社，2010