一种通风机专用消声器的设计研究

0　前言

通风机的用途广泛，涉及船舶、矿山和人防工程等多个领域，由于通风机起到换气作用，多用在封闭，且空间较小的区域内居多[1]。在这种环境下，通风机的运转会产生噪声，极大的影响了人们的正常工作[2]。我国对生产车间及作业场所要求噪声限制在≤90分贝，而目前市面上通风机在不采取消声的情况下运行产生的噪声＞100分贝，大于规定标准噪声指数 [3]。在这样的噪声环境中学习、工作或生活，对人体听力和免疫系统将造成极大的伤害。现有的通风机消声器中高端产品消声效果好，但是结构设计复杂、制造和调试要求高、体型也较为庞大，从而造成价格昂贵，无法在实际使用中广泛普及，通风机消声器的低端产品设计结构简单，价格便宜，但是耐用度差、消声效果不好。因此提供一种结构比较简单的消声器，可安装在通风机进口处，该消声器在保留通风机进风口大小不变的情况下进行降噪设计，利用内部反向吸音口的吸音作用降低气流与通风机叶片摩擦的脉动气流噪声。

1　消声器的结构设计

本通风机用消声器的结构如图1所示，包括消声器外筒1、消声器内筒2、环形挡板3、吸音棉9和用于与风机连接的安装组件，消声器内筒2套装在消声器外筒1内，消声器内筒2与消声器外筒1之间保持一定距离，吸音棉9放置在消声器外筒的内壁上，消声器外筒和消声器内筒的一端与环形挡板3连接。消声器内筒2与消声器外筒1之间形成吸音腔8，消声器内筒2上设置有数个吸音开口21和数个反向吸音开口片10，反向吸音开口片采用交错式规则排列 （如图4所示），即同一行中相邻两个反向吸音开口片间隔一定距离设置，相邻两行中，一行的反向吸音开口片位于另一行的相邻两个反向吸音开口片之间的纵向位置上。消声器内筒的另一端与消声器外筒采用圆弧过渡连接，其中安装组件包括环形塑料垫圈6、法兰盘5和连接管4，环形塑料垫圈6安装在环形安装板5上，环形塑料垫圈和环形安装板上开有连接孔7，环形安装板通过连接板4与环形挡板3连接，消声器外筒即消声器内筒的长度是消声器外筒直径的1.5倍。

图1　消声器结构图

1.外筒；2.内筒；3.环形挡板；4.连接管；5.法兰盘；
6.塑料垫圈；7.连接孔；8.吸音腔；9.吸音棉；10.吸音开口片.

2　消声器的安装使用方式

通风机专用消声器安装在风机的进风口处如图2所示，风机消声器一端的环形挡板5上开设有连接孔7，与风机进风口一端连接，同时在挡板与风机端口中间处放置环形塑料垫圈6，起到减震、密封作用。当风机运行时，外面空气经过风机消声器内腔流进风机，由于风机消声器内部流道与风机进风口大小相当，因此不会对风机进风量造成太大影响。风机启动后会通过进风口传出电机、叶片旋转产生的噪声，噪声会通过流道向外扩散，当噪声通过反向吸音开口片10时，会将部分噪音传递到吸音腔8内部。当噪声经过多个反向吸音开口片10时，噪声向外释放的噪声将会极大的降低。传递到吸空腔8内部的噪音将被吸音棉化解，从而起到消声作用。

图2　消声器的安装示意图

2.1　反向吸音开口片结构

反向吸音开口片设计可以将声音传递到内部的吸音棉上，故起到吸音效果，而且对气流阻阻力系数小。当声音从风机内部传出时，声音沿着消声筒内壁，通过反向吸音开口片传入吸音腔内部被隔离，如图3所示，声音最终被吸音棉化解。将消声器外筒展开H1-H2圆周弧长，如图4所示，在单位横向A-A,B-B,C-C,D-D,E-E,F-F的6个截面内，每通过一个截面，声音将消耗一个单位音量。假设四分之一弧长内有五个反向吸音开口片，整个圆周将有20个，每个反向吸音开口片打开的面积约为整个内壁的0.5%左右，因此能吸取内壁约0.5%吸音音量，那么一个横向截面A-A能吸取吸音量。如果以风机内传出的声音量以100分贝计算，通过A-A截面的音量将降低10%，即分贝，当通过B-B截面时，在原理基础上再降低10%，即分贝，以此类推，当通过F-F截面时，通过进风口声音在53分贝。这是理想值，在实际应用中，消声筒越长，消声效果越好，但是会影响流进风口风力大小。

图3　反向吸音开口片

图4　消声器内部截面图

2.2　反向吸音开口片尺寸设计

如图3，反向吸音开口片10是由连接在消声器内筒2的开口过渡圆弧片101和一体连接的开口圆弧片102构成，开口圆弧片和开口过渡圆弧片的圆弧朝向相反，开口过渡圆弧片的圆弧圆心位于其的右侧，开口圆弧片的圆弧圆心位于开口过渡圆弧片的左侧。

设定消声器外筒的直径为a，开口圆弧片半径为b，开口过渡圆弧片半径为c，吸音开口宽度为d，反向吸音开口片最高点至消声器内筒内壁的高度为e，反向吸音开口片的宽度为g，反向吸音开口片长度为f；

消声器外筒的直径a与开口圆弧片半径b的比例关系为：

开口过渡圆弧片半径c与开口圆弧片半径b的比值：

吸音开口宽度d与开口圆弧片半径b的比值：

反向吸音开口片最高点至消声器内筒内壁的高度e与开口圆弧片半径b的比值：

反向吸音开口片的宽度g与开口圆弧片半径b的比值：

反向吸音开口片长度f与开口圆弧片半径b的比值：

以上各尺寸的比例关系，能够保证获得最佳的降噪效果。作为一种变换，各尺寸的比例能够根据实际情况进行调整，其降噪效果会受到一定的影响，但是总体的降噪效果还是比未设置有反向吸音开口片的风机消声器效果要好。

图5　反向吸音开口片尺寸位置

3　应用效果分析

针对现有的消声器出现的问题对消声器进行优化设计，在消声器内筒内设置有数个吸音开口和数个反向吸音开口片，反向吸音开口片采用交错式排列，可将通风机传出的声音沿消声器内筒传递的过程中，分段吸附声音，经过消声筒内壁路径越长，消声效果越好。如果消声筒过长会影响进风口处的进风量，在设计时消声器外筒的长度是消声器外筒直径的1.2～1.8倍较为合适。该消声器在起到很好消声效果的同时将获得以下效益：一是消声器的使用将极大的降低了通风机进风口处产生的噪音，给生产劳动者带来安静舒适的环境，极大的提高了工作的专注度，降低噪音带来的身心健康，提高工作的效率；二是本通风机消声器结构合理、安装调试方便、后期维护成本低、价格不高，特别在一些大型地下购物场所，安装几台甚至十几台通风机时，优势尤为明显。