CN103161555A - 一种圆腔消声器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及圆腔消声器理论与设计方法，属于分布式能源降噪领域。本发明利用烟道气体流量、漏风系数、柯西系数及降噪量之间的关系，通过流体动力学运动的特点，得出了圆腔消声器的合理设计尺寸。本发明在低频阶段的降噪量大于等于10dB，当频率大于1000Hz时，降噪量高达34dB。特别是适用于不同中心频率的噪声控制及较大消声的设计，此方法更加合理。同时，此方法不仅仅局限于圆腔消声器，也适用于锅炉排烟出口消声器的设计。

Description

一种圆腔消声器的设计方法

技术领域

本发明属于燃气分布式能源降噪领域，具体涉及一种圆腔消声器合理尺寸的设计方法。

背景技术

燃气分布式能源是国家正在大力发展的一种新的清洁能源利用形式，该能源利用形式具有节能减排的显著效果。由于分布式能源站需要靠近用户端设置，所以与常规的发电厂及热电厂相比，更加靠近人口集中的生活区或者办公区域，例如居民区、学校、医院甚至疗养院等场所。因而，噪声问题成为分布式能源推广中凸显出的主要问题之一。

消声器是降低风机进风和排风噪声的重要部件，其性能好坏直接影响风机噪声的降噪效果和风机功率损耗。圆腔消声器由于结构简单，易于加工制造，且降噪量高，所以广泛应用于工业降噪领域。

燃气分布式站所产生的噪声源，是由内燃机设备、电制冷设备、直燃机设备、溴化锂机设备、循环水泵和管道噪声形成空气动力性噪声、机械性噪声、电磁噪声和振动噪声等，这些噪声的降噪方法主要是在烟气出口、进排风口施加圆形消声器进行降噪。目前，从国内外研究现状看，消声器的研究成果大部分是针对气流流速较高的小型消声器，比如汽车尾气排放消声器，脉动压力级平均大于120分贝。而对于大部分工业领域尤其是分布式能源所涉及的空腔气体声学问题，气流速度通常小于声速的1/10左右，消声器体型较大，因而，较低流速的圆腔消声器研究相对较少，但是较低流速圆腔消声器的研究更具有广泛地实用价值。

目前利用圆腔消声器进行降噪的研究取得了一定进展，证实了圆腔消声器用于分布式能源的可行性及发展潜力。但目前所有研究成果中全部是研究圆腔消声器降噪量问题，很少部分机构研究圆腔消声器理论设计尺寸问题，在这些研究中对圆腔消声器半径及长度并未进行合理的选取。特别是分布式能源站所用的大型圆腔消声器，现有消声器尺寸半径及长度过大，严重地造成较大的经济浪费。Jungowski等学者在1989年Journal of Sound and Vibration发表的文章“C_ylindrical side branch as tone generator”，文章中利用实验的方法研究圆腔直径分别为0.025～1.7m的消声器，理论上并未给出消声器的合理设计尺寸。Jin Woo Lee等学者在2009年International Journal for Numerical Methods in Engineering发表的文章“Topolog_y optimizationof muffler internal partitions for improving acoustical attenuation performance”，文章中利用有限元方法研究了圆腔消声器。杜江等学者在2010年振动与冲击上发表的文章“计及气流影响的小长径比插入管消声器声学特性的实验研究”等发表的文章中对圆腔消声器合理设计尺寸未进行计算。

这些已发表或公开的研究成果并为充分利用气体流量、圆腔半径及漏风系数等之间的关系，没有对气体流速及柯西系数进行深入研究。本发明的目的就是通过气体流量、流速、圆腔半径、漏风系数、柯西系数及降噪量之间的变化特点，对圆腔消声器的合理设计尺寸进行了精确设计。

发明内容

本发明的目的是为了解决圆腔消声器的设计现状，对消声器主体的合理尺寸和降噪量进行评估，提出一种圆腔消声器主体的长度和直径的合理尺寸的设计方法。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案具体为：

一种圆腔消声器的设计方法，所述圆腔消声器包括排烟/排风入口管、圆腔消声器主体和排烟/排风出口管，所述圆腔消声器主体一端与排烟/排风入口管连接，另一端与排烟/排风出口管连接，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1）：确定圆腔消声器主体的长度H，测量圆腔消声器主体中噪声声波波速及噪声中心频率，按照表达式⑤确定圆腔消声器主体的长度H

$H=(2n-1)\frac{c_0}{4f_z},$ n=1,2,3,…⑤

其中，c₀为噪声声波波速，f_z为噪声中心频率。

步骤2）：确定圆腔消声器主体的直径D，设定所述圆腔消声器的排烟/排风出口流量Q，设定排烟/排风入口管的内半径r₀，设定所述圆腔消声器的降噪量ΔdB及漏风系数α和柯西系数k，按照表达式⑧确定圆腔消声器主体的直径D

$D=2r_0\·{(\sqrt{{10}^{\mathrm{\ζ}}-1}+\sqrt{{10}^{\mathrm{\ζ}}})}^{0.5},$     ⑧

其中，系数ζ按照表达式⑨进行确定：

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\ΔdB}}{10}\·\mathrm{\β}$     ⑨

其中，系数β按照表达式⑩确定：

$\mathrm{\β}={10}^{1.36\mathrm{\αk}{H}^2/Q}$     ⑩

其中，H为步骤1）中确定的圆腔消声器主体的长度。

步骤1）中，利用波动方程得到圆腔消声器主体中噪声声波传播时的压力P表达式①，然后根据边界连接条件②和③得到圆腔消声器的消声量L_NR的表达式④，通过消声量L_NR的最大值得出圆腔消声器主体的长度H的表达式⑤，具体为：

（a）噪声声波传播压力表达式：

$P=\left\{\begin{array}{c}{P}_i=A\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\\ P_r=B\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{kx})\right]\\ P_1=A_1\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\\ P_2=B_1\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{kx})\right]\\ P_t=C\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\end{array}\right.$     ①

（b）消声器主体入口与出口处的连续表达式：

消声器主体入口处，即x=0处：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i+P_r=P_1+P_2\\ S_1(\frac{P_i}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_r}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})=S_2(\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})\end{array}\right.$     ②

消声器主体出口处，即x=H处：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1+P_2=P_t\\ S_2(\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})=S_1\frac{P_t}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\end{array}\right.$     ③

（c）通过上述表达式①、②和③得到圆腔消声器的消声量L_NR为：

$L_{\mathrm{NR}}=10.\lg [1+{\left(\frac{\frac{S_2}{S_1}-\frac{S_1}{S_2}}{2}\sin \mathrm{kH}\right)]}^2$     ④

当sinkH=1时，消声量L_NR最大，则有：

$H=(2n-1)\frac{c_0}{4f_z},$ n=1,2,3,…⑤

其中，A、B、A₁、B₁和C为幅值；P为噪声声波压力；P_i为噪声入射声压；P_r为噪声反射声压；P₁为圆腔消声器主体中噪声入射声压；P₂为圆腔消声器主体中噪声反射声压；P_t为噪声穿过圆腔消声器后的声压；排烟/排风入口管、出口管的直径均为d，截面积均为S₁；圆腔消声器主体的截面积为S₂；ρ₀是烟气密度；ω=2πf_z为圆频率；

为波数；L_NR为圆腔消声器的消声量。

步骤2）中，通过如下方式确定圆腔消声器主体的直径D的表达式⑧，具体为：

（d）圆腔消声器主体的断面为圆柱面，则经此圆柱面的流量Q为：

Q=2πrzV⑥

其中，r为消声器主体的设计内半径；z为消声器主体的设计长度；V为消声器主体断面处的气体流速。

（e）确定消声器主体断面处的气体流速V

$V=2\mathrm{\πrz\αk}\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dr}}$ ⑦

其中，dz为消声器主体设计长度微分；dr为消声器主体设计半径微分。

（f）将表达式⑤和⑥代入表达式⑦，得到圆腔消声器主体的直径D的表达式⑧。

可以根据实际的工程需要来灵活选择漏风系数α和柯西系数k的取值，例如可以根据锅炉设计规范（如GB50041-92锅炉房设计规范）等进行取值，优选地，漏风系数α为0.01～0.3，柯西系数k为0.84～1.0m/s。

本发明具有以下优点：1）可以对消声器尺寸设计提供了理论和设计依据；2）可以对消声器尺寸设计进行快速和有效的计算；3）与确定消声器尺寸的工程经验进行比较，此方法更具有合理性，同时，能够节省材料和经济的浪费。

附图说明

图1是圆腔消声器平面图；

图2是圆腔消声器立面图；

图3是圆腔消声器检测信号。

图中：1为排烟/排风入口管，2为排烟/排风出口管、3为圆腔消声器主体。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的内容做进一步的详细说明：

本发明所采用的气流传播方式参见图1，消声器装置参见图2，包括：排烟/排风入口管1、圆腔消声器主体3和排烟/排风出口管2，圆腔消声器主体3一端与排烟/排风入口管1连接，另一端与排烟/排风出口管2连接。排烟/排风入口管1、排烟/排风出口管2的半径为r₀、消声器主体3的设计内半径R。

本发明利用气体流量、流速、圆腔半径、漏风系数、柯西系数及降噪量对圆腔消声器的尺寸进行了合理设计，步骤如下：

1）本实例中以圆腔钢体材料为基础，利用厂家提供的GL1A型消声器烟道流量Q=2000m³/h进行计算，主管道半径r₀=115mm，测得噪声中心频率f_z=142Hz，噪声声速为c₀=340m/s，噪声值为70分贝，根据《工业企业厂界环境噪声排放标准(GB12348-2008)》厂界外噪声2类排放标准为60分贝，降噪量为10分贝；

2）取漏风系数设计值为α=0.01，柯西系数k=0.84m/s；

3）根据公式⑤确定圆腔消声器长度为

根据制作工艺的需要，四舍五入满足工业允许误差，即小于5%）；当n=1时，消声器长度最小，从经济性上考虑用1较好。

4）将上述已知数据带入公式⑧⑨和⑩，可以得到β=1.01，

5）将β和ζ值带入公式⑧中得出圆腔消声器合理设计内直径为：D=595.34mm，实际的管道不能精确设计内直径，所以实际制作时取内直径D≈600mm。根据厂家提供的GL1A型消声器参数可知，设计内直径450mm，消声器长度为1550mm。从上述可以看出，内直径增加了 $\left|\frac{450-600}{600}\right|\×100\%=25.00\%,$ 长度减少了 $\frac{1550-600}{1550}\×100\%=61.30\%,$ 可见本方法对圆腔型消声器的设计既有理论价值，又有节省经济价值。GL1A消声器在低频时降噪量较小，本发明在低频阶段的降噪量大于等于10dB，当频率大于1000Hz时，降噪量高达34dB。特别是适用于不同中心频率的噪声控制及较大消声的设计，此方法更加合理。同时，此方法不仅仅局限于圆腔消声器，也适用于锅炉排烟出口消声器的设计。

根据本发明方法对圆腔消声进行了设计，如图3所示。从图3可以看出，同原有的消声器相比，根据本发明方法优化的消声器的降噪量更大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种圆腔消声器的设计方法，所述圆腔消声器包括排烟/排风入口管、圆腔消声器主体和排烟/排风出口管，所述圆腔消声器主体一端与排烟/排风入口管连接，另一端与排烟/排风出口管连接，所述排烟/排风入口管和出口管的内半径相同，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤，

步骤1）：确定圆腔消声器主体的长度H，测量圆腔消声器主体中噪声声波波速及噪声中心频率，按照表达式⑤确定圆腔消声器主体的长度H

$H=(2n-1)\frac{c_0}{4f_z},$ n=1,2,3,…⑤

其中，c₀为噪声声波波速，f_z为噪声中心频率。

步骤2）：确定圆腔消声器主体的直径D，设定所述圆腔消声器的排烟/排风出口流量Q，设定排烟/排风入口管的内半径r₀，设定所述圆腔消声器的降噪量ΔdB及漏风系数α和柯西系数k，按照表达式⑧确定圆腔消声器主体的直径D

$D=2r_0\·{(\sqrt{{10}^{\mathrm{\ζ}}-1}+\sqrt{{10}^{\mathrm{\ζ}}})}^{0.5},$     ⑧

其中，系数ζ按照表达式⑨进行确定：

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\ΔdB}}{10}\·\mathrm{\β}$     ⑨

其中，系数β按照表达式⑩确定：

$\mathrm{\β}={10}^{1.36\mathrm{\αk}{H}^2/Q}$     ⑩

其中，H为步骤1）中确定的圆腔消声器主体的长度，漏风系数α在0.01～0.30中任意取值，柯西系数k在0.84～1.0m/s中任意取值。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤1）中，利用波动方程得到圆腔消声器主体中噪声声波传播时的压力P表达式①，然后根据边界连接条件②和③得到圆腔消声器的消声量L_NR的表达式④，通过消声量L_NR的最大值得出圆腔消声器主体的长度H的表达式⑤，具体为：

（a）噪声声波传播压力表达式：

$P=\left\{\begin{array}{c}{P}_i=A\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\\ P_r=B\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{kx})\right]\\ P_1=A_1\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\\ P_2=B_1\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}+\mathrm{kx})\right]\\ P_t=C\·\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})\right]\end{array}\right.$     ①

（b）消声器主体入口与出口处的连续表达式：

消声器主体入口处，即x=0处：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i+P_r=P_1+P_2\\ S_1(\frac{P_i}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_r}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})=S_2(\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})\end{array}\right.$ ②

消声器主体出口处，即x=H处：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1+P_2=P_t\\ S_2(\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}-\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0})=S_1\frac{P_t}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\end{array}\right.$     ③

（c）通过上述表达式①、②和③得到圆腔消声器的消声量L_NR为：

$L_{\mathrm{NR}}=10.\lg [1+{\left(\frac{\frac{S_2}{S_1}-\frac{S_1}{S_2}}{2}\sin \mathrm{kH}\right)]}^2$     ④

当sinkH=1时，消声量L_NR最大，则有：

$H=(2n-1)\frac{c_0}{4f_z},$ n=1,2,3,…⑤

其中，A、B、A₁、B₁和C为幅值；P为噪声声波压力；P_i为噪声入射声压；P_r为噪声反射声压；P₁为圆腔消声器主体中噪声入射声压；P₂为圆腔消声器主体中噪声反射声压；P_t为噪声穿过圆腔消声器后的声压；排烟/排风入口管、出口管的直径均为d，截面积均为S₁；圆腔消声器主体的截面积为S₂；ρ₀是烟气密度；ω=2πf_z为圆频率；为波数；L_NR为圆腔消声器的消声量。

3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，步骤2）中，通过如下方式确定圆腔消声器主体的直径D的表达式⑧，具体为：

（d）圆腔消声器主体的断面为圆柱面，则经此圆柱面的流量Q为：

Q=2πrzV    ⑥

其中，r为消声器主体的设计内半径；z为消声器主体的设计长度；V为消声器主体断面处的气体流速。

（e）确定消声器主体断面处的气体流速V

$V=2\mathrm{\πrz\αk}\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dr}}$     ⑦

其中，dz为消声器主体设计长度微分；dr为消声器主体设计半径微分。

（f）将表达式⑤和⑥代入表达式⑦，得到圆腔消声器主体的直径D的表达式⑧。

4.根据权利要求1至3任一项所述的设计方法，其特征在于，根据步骤1）和步骤2）确定的圆腔消声器主体的长度H和直径D为最优理论值，实际加工制作消声器时，可以在小于5%工程误差的前提下，对上述最优理论值按照四舍五入的方式进行取值。

5.根据权利要求1至4任一项所述的设计方法，其特征在于，根据消声器所处环境类别来设定降噪量ΔdB。

6.一种圆腔消声器，包括排烟/排风入口管、圆腔消声器主体和排烟/排风出口管，所述圆腔消声器主体一端与排烟/排风入口管连接，另一端与排烟/排风出口管连接，其特征在于，所述圆腔消声器主体的长度H的及直径D按照权利要求1至5任一项所述的圆腔消声器的设计方法进行取值。

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