摘 要：柴油发电机组工作过程中，产生大量排气噪声，为降低排气噪声，大部分的柴油发电机都安装有消声器，但现有的各种不同原理的消声器效果都不太理想，未能有效解决其排气噪声问题。通过分析柴油机排气噪声特点，剖析阻性、抗性消声器的消声机理，结合两者优缺点，优化结构，针对性地选取吸声材料，设计了一种多级阻抗复合型结构的消声器。最后通过理论计算、分析对比，并实验验证了此结构的消声器能有效降低柴油发电机的排气噪声，为消声器降噪提出一种优化方法参考。
关键词：柴油发电机 消声器 阻抗复合型 设计 试验
随着社会的发展和科学技术的进步，以及现代工业化生产的飞速发展与改革创新，环境污染也成为越来越严重的问题，噪声污染就是其中之一。而发动机工作产生的噪声所占比例相对较大，影响人们正常生活。柴油发电机组作为重要场所的备用电源装置，保持正常的电力供应，但由于其特殊工作方式，一般产生较大噪声，而怎样更好地降低或减弱其噪声，是当前研究发展的方向。
目前，消声器降噪是相对较好的一种方式，设计降噪效果好、功率损失小的消声器是实现柴油发电机组低噪、高效工作的首要前提。
1 消声器原理与发展现状
消声器是一种在允许气流通过的情况下运用消声技术阻止声音或减弱声能向外传播的装置，用于降低柴油机排气噪声[1]。一个性能好的消声器，可使排气噪声降低20～40dB。消声器的种类很多，究其消声机理，主要分为6大类型，即阻性、抗性、阻抗复合式、微穿孔板、小孔和有源[2]。其中，阻性消声器对中高频噪声效果相对于低频噪声较好；而抗性消声器对高频噪声效果相对于中低频噪声效果则较差。由于柴油机的排气噪声主要是中低频噪声，少部分的高频噪声，因此采用以抗性结构为主的多级阻抗复合式消声器，可以达到比较明显的降噪效果。
如今，消声器的研究进展并没有取得较大的突破，主要是通过改变消声器的结构，来增强消声器的降噪能力，提高消声器的效率。在今后的一段时间内，针对废气排放产生的噪声，一方面是不断改进和完善消声器的技术性能，对声源进行有效的控制；另一方面是从传播途径上进行降噪，通过改变消声器内部结构形状，用消声、隔振的降噪方式降低主要噪声，再以吸声、隔声相结合的综合降噪方式进行综合治理。
2 多级阻抗复合型消声器的设计
消声器的设计应从合理设计排气管的长度与形状，避免气流产生共振和减少涡流等方面入手[3]，我们综合了阻性消声和抗性消声的结构特点，运用抗性消声器的原理，采用两级内插管式的抗性结构，并且将内插管的前段改为阻性结构，在不减低柴油机效率的情况下实现了对柴油发电机组排气噪声的有效控制。
如图1所示，柴油机排气的气流经消声器的进气口进入第一段扩张室，声波受到扩张室壁面的阻挡，在多次反射和干涉中使声能衰减，同时气流速度由于流通截面的扩大而降低，也抑制了再生噪声的产生；然后气流通过四个内插管进入第二段扩张室，这四个内插管与普通的内插管有很大的不同，四个内插管的面积之和与进气口面积相等，内插管的前端是用吸音棉包裹的穿孔板制作而成阻性消声结构，该结构的作用是：当气流进入内插管以后，阻性消声结构中的吸音棉吸收了排气的部分高频噪声。该内插管另一端是封闭的，并在靠近出口的内插管壁上开设了面积等于该内插管截面积的一些微孔，微孔直径取2mm，这样的结构具有转移频率功能，能够将部分中低频噪声转移到人耳感觉不到的频段接受范围，实现降低可听声的目的。该消声器的第三段中左右两部分内插管相互交叉，对声波产生有效阻挡，在回流过程中可消耗声能，降低噪声。最后，气流通过消声器第四段流出。综上可知，整个消声器结构能够很好的降噪，同时气流阻力小，使柴油发电机组有较小的功率损失。
表1 发动机主要性能参数
表2 不同内插管长度下的消声量
3 多级阻抗复合型消声器的消声技术分析
为了验证该消声器的降噪性能，我们依据设计的结构制作了样机，对消声器的降噪量与消声器的结构的关系进行了分析研究。
试验是在广东西电动力科技股份有限公司的标准测试机房中进行的，采用国家标准GB/T1859（idt ISO6798）中规定的简易方法来测量噪声，测试仪器主要有：噪声计、压力表、风速仪等，测试仪器符合ISO3744（IEC651或IEC804中1型声级计）的规定。柴油发电机组采用西电公司WESTINPOWER品牌的柴油发电机组，所选型号产品主要由康明斯发动机和斯坦福发电机构成，发动机的主要性能参数如下。
如图2所示，测量平面、测量平面上两个测点的布置以及球形测量表面面积S的计算。
设第三级消声段的长度为L，分别设置内插管伸出的长度为L/4，L/2和3L/4，分别研究这三个长度下的消声量，数据如表2所示。
根据上述数据可以看出，当左右两边的内插管都为3L/4时，消声量最大。原因是左右两个内插管交叉布置，排气声波通过时路程增加，有更多反射和干涉的机会，能有效的消耗声波能量。同时，由于第三段有较大的空间，能减缓气流的速度，内插管的总面积等于消声器进口面积，其阻力损失也较小，抑制了再生噪声。
所以，左右内插管有一部分重叠，声波及气流经过180°的回转，导致声波折射率和声能损耗量得以提高，有利于噪声的降低；同时，也有利于降低气流速度，保证发动机较小的功率损失。
4 多级阻抗复合型消声器基本理论与评价指标
4.1 消声器的基本理论
(1) 声速的计算。
空气中声音速度的大小称为声速C。
式中K——弹性模量(kg.m-1.s-2)；
r
——空气密度的大小(kg.m-3)。
声速的大小对于消声器的减噪有一定的影响。另外，对声速影响比较大的，还有温度的变化。
(2) 声压的计算。
声压是有声波存在时，媒介中的压力和静压强之间的差值。声源在空气中传播时，压强随着空气介质膨胀状态的变化而变小，也会随着空气形成的压缩形式的变化而变大；在时间范围内的瞬时声压的平方根称为有效声压，即
式中 T——压缩周期（s）；
p1——瞬时声压（Pa）。
(3) 声压级的计算
表1和表2中数据显示出英汉新词法之间的共性。词缀法、复合法、转换法、拼缀法、截短法、类比法分别在英汉新词中得以应用。
即：
(4) 声功率。
声功率是一定的时间内物体向外辐射的声能[4]。在噪声检测中，声功率指的是声源总声功率，单位为W。声功率与声强的关系为I=W/S。
(5) 声强。
在传播方向上，单位时间内声波通过垂直于单位面积的声能量定义为声强[5]，记为I，其中I=W/S。单位面积上的声强随着声能的减小而减小；一定时间内的声源辐射，辐射总面积随着距离的增大而增大。
(6) 声阻抗率。
媒质中某一点的声压和质点速度的比值定义为声阻抗率[6]，表达式为Zs=p/v。利用正弦平面波可以计算自由声场的声压值p1：
上述公式中，
是声音传播介质的密度大小，通常情况下指的是空气密度，A是介质位移的幅值，k是波数，
，
是波长，
是角频率。
声阻抗率的本质是声波传播介质的声学属性，并且跟温度和压强有较大的物理关系。而从以上可得，
。这可明显地看出，一个共同的c可以表示不同点处的声阻抗率。在一般情况下，
跟
的相位是不相同的，因此声阻抗率就是两个物理量的复数比值，而声阻抗的定义则为测量点处的声压大小和测量点体积速度的比值。那么，声导纳即为声阻抗的倒数。
4.2 消声性能评价指标
消声器的性能指标一般从声学、空气动力学、机械与材料和经济效率这四个方面进行评价。评价消声器声学性能的一个重要指标是传递损失。声学性能有两个方面的内容：一方面是消声器能够在怎样的频段下具有较好的效果；另一方面则是能够降低噪声的程度大小[7]。根据消声器的设计情况以及设计要求，消声器的设计研究应以噪声源为出发点，使其能够将噪声降低到最小化。
消声器的空气动力学也是评价消声性能的重要指标，用阻力系数或阻力损耗反映消声器对气流阻力的大小[8]。另外，消声器结构性能主要是指它的外形尺寸、使用寿命、维护要求和坚固程度等[7]。较完美的消声器除了在声学和空气动力学具有良好的表现之外，还应在机械和材料方面有所改进，结构复杂，体积庞大，加工复杂，使用寿命短，保养复杂的消声器逐渐被抛弃，随之而来的是具备优良材质，结构简单、外型美观等众多优点的新型消声器。
5 吸声材料的选取
在噪声控制过程中，吸声材料的选择很重要，其必须有较高的吸声系数，以及具备耐高温、耐腐蚀的特性。在研究过程中，人们往往忽略了其他方面的综合评价，只针对声学特性方面进行考虑。因此，对于吸声材料的选择，我们应从多方面多角度进行综合评价。
研究人员选择吸声材料一般在玻璃棉、石棉、矿渣棉和工业毛毡等材料中选择，这些材料符合吸声材料的特性，但满足不了排气管的特殊性，为了使排气管具备更好的吸声效果及耐高温效果，我们选择了超细玻璃棉。超细玻璃棉绝热材料具有重量轻、导热系数小、吸收系数大、阻燃性能好等优点，在耐热、耐腐蚀和抗震、抗冻等方面化学稳定性良好，并且施工方便，是一种高效经济和持续耐久的保温材料。我们选择的超细玻璃棉不仅具备良好的消声、吸声性能，而且可在900℃的高温下保持良好的工作状态。除此之外，消声器的吸声性能还与吸声材料的厚度及密度有关。吸声频率的最佳频段取决于材料厚度及密度，材料的厚度越大或者密度越大，吸声频率则越倾向低频方向，那么，中低频的消声效果也就得以提高。为了使整个消声器的机械和材料性能达到最佳，取得良好的消声效果，密度为40 kg·m-3，厚度为30 mm的超细玻玻璃棉成为了我们消声器材料的最终选择。
图1 消声器结构图
图2 测量排气噪声测点的布置
图3 多级阻抗复合型消声器的的Pro/E外部结构模型
图4 多级阻抗复合型消声器的的Pro/E内部结构模型
6 多级阻抗复合式消声器经济及社会效益
该多级阻抗复合型消声器项目角度独特，技术先进，优势明显，前景可观，具备一定的科学性，顺应当前国家可持续发展，节能减排。通过不断地技术创新，结构优化，以及市场挖掘，该项目定能在消声器市场领域中占有一席之地，推动消声器技术以及消声器行业发展，将会有良好的社会效益。
7 结语
通过设计、生产及试验验证，这种多级阻抗复合型消声器的消声量可以达到28 dB，具有非常好的降噪效果。该文所述消声器其内插管相互交叉叠加的结构，对发动机的功率损失小，可以很好的抑制气流的再生噪声，降噪效果明显。在“超静音柴油发电机组”项目应用了该多级阻抗复合型消声器，取得了良好的效果。
