CN106328114A - 基于强声凝聚的pm2.5减排装置的复合式消声系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，包括套筒、隔板、吸声材料、微穿孔吸声板和活塞，其中吸声材料和微穿孔吸声板之后的空气间隙由活塞控制。本发明利用了消声和隔声的基本原理，当声压级为140～160dB左右的声波穿过凝聚舱后，首先通过隔板进行隔声，其后经过消声材料削弱部分声强，最后经过微穿孔板再次吸声，从而使得该减排装置的声压级大幅降低。该消声系统不仅免除了特强噪声对仪器设备和建筑物等的损伤，更保证了一线工作人员的人身安全，整个实现方案在消声效率、经济性、适用性和可扩展性等方面具有优势。

Description

基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统

技术领域

本发明涉及环境噪声控制的技术领域，特别涉及一种基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统。

背景技术

我国经济的快速发展对能源的消耗越来越大，由燃烧能源系统排放到大气中的污染物日益增多。近年来，依据各大中城市的环境监测数据，PM2.5严重超标情况时有发生，城市雾霾天气大范围反复出现。中科院、环境与发展国际合作委员会对雾霾的溯源研究表明，以PM2.5为主的细颗粒物已成为我国城市大气环境的主要污染物。学术界研究普遍证实，悬浮细颗粒富含有毒物质且在大气中停留时间长、输送距离远，不仅降低大气能见度，影响交通、环境和气候，而且增加肺癌和心血管等疾病的致病率和死亡率，对人体健康有短期和长期累积的严重危害。当前，相关空气污染问题已经引起了党和国家领导人的高度重视、公众的严重忧虑和全社会的普遍关注，甚至在国际范围内引发不良影响。特别是在突出强调保护环境和生态文明建设的背景下，雾霾天气的治理显得尤为迫切。

现有的除尘技术如静电除尘器、旋风除尘器、袋式除尘器和湿式除尘器等，对5μm以下颗粒物的清除效率都很低，或者存在成本高、处理流量受限和改造影响能源系统运行等问题，因此迫切需要研究有效的PM2.5排放控制技术。基于强声凝聚的PM2.5减排技术因其具有作用时间短、效果显著、经济易用且能适应高温、高压和腐蚀性环境等诸多优点而被认为具有良好的应用前景。但是，为了达到更好的微细颗粒物凝聚效果，减排装置利用的声压级普遍在140～160dB以上，这虽然显著提高了凝聚效率，但不可避免的产生了强烈的噪声污染，该特强噪声不仅对仪器设备和建筑物等产生永久性损伤，更损害了一线工作人员的人身安全。

目前国内可用的工业级声凝聚减排系统还比较少见，更没有配套的消声系统，大多数国内外的消声装置应用于机器发动机、锅炉、建筑物和工程元件等方面，而在上述已有的消声装置中，复合式的消声系统占比更低。申请号为200720029478.2的实用新型将吸声材料与微穿孔板结构复合吸声，但微穿孔板和吸声材料垂直层围成一个膨胀吸音隔声室，并未发挥它们的复合叠加消声能力，导致其消声效果较差。

传统的消声器因存在较弱的消声能力，以及不易同时兼顾低频和中、高频的宽频吸声结构等缺点不适用于强声凝聚的PM2.5减排装置的降噪消声。

发明内容

为了解决传统消声器消声能力较弱而不适用于声压级高达160dB分贝的强声问题，本发明采用隔声、消声材料和微穿孔消声板复合式消声系统，使该强声凝聚的PM2.5减排装置降噪80dB分贝左右。同时，因微穿孔板可对中高频噪声有良好的吸声效果，隔声板等机械阻抗单元可对低频产生良好吸声，整个结构既能保证良好的中、高频吸声性能，也能在低频有良好的吸声效果，这良好解决了PM2.5减排装置使用的300～3000Hz宽频强声的消声问题。整个实现方案在消声效率、经济性、适用性和可扩展性等方面具有优势。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，包括中空的套筒，隔板，吸声材料，微穿孔吸声板，盖板，所述的隔板固定于套筒内的一端，所述的盖板固定于套筒内的另一端，所述的吸声材料在套筒内贴近隔板设置，吸声材料与盖板之间的空腔内设置有微穿孔吸声板并将空腔分为两部分，吸声材料与微穿孔吸声板之间为第一空腔，微穿孔吸声板与盖板之间为第二空腔。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，还包括用于调整微穿孔吸声板在套筒中相对位置的空腔调整装置，所述的空腔调整装置的一端连接微穿孔吸声板，另一端穿过盖板至套筒外以从套筒外部驱动微穿孔吸声板沿套筒的轴向方向运动。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述的空腔调整装置包括活塞，所述的活塞上设有外螺纹，所述的盖板上设有与活塞上外螺纹相匹配的螺孔，所述的活塞穿过螺孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板运动。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述的空腔调整装置包括活塞，所述的盖板上设有穿孔，所述的活塞穿过穿孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板运动。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述吸声材料是由泡沫塑料、软质纤维板、亚麻板、压缩玻璃纤维、毛毡中的一种或者多种制成。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述的第一空腔的厚度为声波波长的1/2～1/5。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述微穿孔吸声板上的微穿孔孔径为0.1～5mm，穿孔率为50～80％，板厚为5～30mm。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，第二空腔厚度为20～50mm。

所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，所述活塞直径为2～10mm。

本发明具有以下有益效果：

(1)提高消声系统的消声效果：采用隔声、消声材料和微穿孔消声板三段复合式消声系统，使该强声凝聚的PM2.5减排装置降噪80dB分贝左右，使工作场所高达160dB分贝的强声明显减弱，不仅免除了特强噪声对仪器设备和建筑物等的损伤，更保证了一线工作人员的人身安全。

(2)满足低、中、高各频段强声的消声需求：因微穿孔板可对中高频噪声有良好的吸声效果，隔声板等机械阻抗单元可对低频产生良好吸声，整个结构既能保证良好的中、高频吸声性能，也能在低频有良好的吸声效果，这良好解决了PM2.5减排装置使用的300～3000Hz宽频强声的消声问题。

(3)本消声装置可扩展性较强：通过改变隔板厚度，更换不同类型和厚度的吸声材料以及更换不同板厚、穿孔率和小孔孔径的微穿孔板，甚至可通过调节活塞位置，改变吸声材料和微穿孔吸声板之后的空气空腔厚度等各种手段来使系统消声能力处于最优状态。较强的可扩展性也使得该复合式消声系统用于不同量级的减排系统和不同的减排场合，拆卸和安装都较为简单，更易推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为阻尼短管的声阻抗示意图；

其中1为螺丝、2为套筒、3为隔板、4为吸声材料、5为微穿孔吸声板、6为盖板、7为活塞。

具体实施方式

本发明所述复合式消声系统如图1、图2所示，包含三段消声结构：隔声段、吸声材料的消声段和微穿孔吸声板的吸声段。其中隔声段由厚度可调的单层均质隔板构成；消声材料的消声段由类型和厚度可调的吸声材料及其后的第一空腔构成；微穿孔吸声板的吸声段由板厚、穿孔率和小孔孔径可调的微穿孔板及其后的第二空腔构成。活塞具有调节第一空腔和第二空腔厚度的功能，实际使用时可移动活塞使系统消声能力处于最优状态。本装置可根据不同量级的减排系统和不同的减排场合组装不同型号的复合式消声装置。

本装置的具体连接方式如下：通过均匀分布在套筒圆环区域的四个螺丝把套筒和隔板固定在一起，此为隔声段；其后吸声材料与隔板并排相连，之后为吸声材料之后的第一空腔，其厚度为声波波长的1/2～1/5，二者共同构成吸声材料的消声段；再后面是以活塞固定的微穿孔板和盖板，具体连接方式是盖板和套筒的端口以内外螺纹的形式固定，通过活塞移动来调节两个空腔的厚度；位于消声装置两个端口的隔板和盖板使整个系统得以封闭，为了便于移动活塞，活塞上设有一个把手，把手凸出于盖板之后。

为适应不同声波强度、不同频率、不同量级减排系统和不同减排场合的消声需要，需要通过调节隔板的厚度、吸声材料的类型和厚度、微穿孔板的板厚、穿孔率和小孔孔径以及调节活塞位置，改变吸声材料和微穿孔吸声板之后的空气空腔厚度等多种手段来满足系统消声能力最优。经理论模拟和实验证实后，本发明所利用强声波的频率范围为300～3000Hz，信号声压级在140～160dB以上，经复合式消声系统消声后，信号声压级降低80dB左右。

为了避免在300～3000Hz这样一个宽频强声波范围内某些频段消声效果差的现象，采用了微穿孔板和隔板的复合式消声，因微穿孔板可对中高频噪声有良好的吸声效果，隔声板等机械阻抗单元可对低频产生良好吸声，整个结构既能保证良好的中、高频吸声性能，也能在低频有良好的吸声效果，这良好解决了PM2.5减排装置使用的宽频强声消声问题。

实施例1

本实施例采用的空腔调整装置包括活塞，活塞上设有外螺纹，盖板上设有与活塞上外螺纹相匹配的螺孔，活塞穿过螺孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板运动。使用时，旋转活塞，使活塞作出沿套筒轴线方向的直线运动，则微穿孔吸声板也就会随着活塞而运动，从而改变第一和第二空腔的厚度。

实施例2

本实施例采用的空腔调整装置包括活塞，盖板上设有穿孔，活塞穿过穿孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板运动。使用时，直接推动活塞，则微穿孔吸声板也就会随着活塞而运动，从而改变第一和第二空腔的厚度。

本发明所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其具体工作过程如下：

(1)气流声源产生的强声波穿过凝聚舱后，首先通过单层均质隔声板隔绝部分声音；

(2)经削弱的强声波再经过消声材料进行第二次消声；

(3)经二次削弱的声波最后经过微穿孔吸声板消声；

(4)为了取得更好的消声效果，在所述步骤(1)中还可加入如下步骤：在消声装置满足尺寸要求的前提下，更换不同厚度的隔板；

(5)为了取得更好的消声效果，在所述步骤(2)中还可加入如下步骤：在消声装置满足尺寸要求的前提下，更换不同类型和厚度的吸声材料；

(6)为了取得更好的消声效果，在所述步骤(3)中还可加入如下步骤：在消声装置满足尺寸要求的前提下，更换不同板厚、穿孔率和小孔孔径的微穿孔板；

(7)为了取得更好的消声效果，在所述步骤(3)中还可加入如下步骤：调节活塞位置，改变吸声材料和微穿孔吸声板之后的空气空腔厚度；

(8)本发明所利用强声波的频率范围为300～3000Hz，信号声压级在140～160dB以上，经复合式消声系统消声后，信号声压级降低80dB左右。消声作用的理论依据及计算过程

用隔声材料(隔声构件、隔声结构)来隔绝空气中传播的噪声，从而获得较安静的环境称为隔声，材料一侧的入射声能与另一侧的透射声能相差的分贝数就是该材料的隔声量。声波通过媒介或入射到媒介分界面上时声能的减少过程，称为吸声或声吸收，当媒介分界面为材料表面时，由于材料的多孔性、薄膜作用或共振作用，使部分入射声能被吸收，可称为材料吸声。

本消声装置中各部件(包括套筒、隔板、吸声材料、微穿孔吸声板和活塞)的截面均为正方形，其具体尺寸可依据已知的PM2.5减排装置的尺寸L、强声波声压级SPL、强声波频率范围f确定，具体过程如下：

对于隔板而言，隔板密度为ρ(kg/m³)，隔板厚度为D₁(m)，强声波频率为f(Hz)，进而得到隔声量TL(dB)：

TL＝-42+20lgf+20lg(ρ*D₁)

对于吸声材料而言，吸声材料类型为X，厚度为D₂(m)，吸声材料之后的空气空腔厚度为D₃(m)，强声波频率为f(Hz)，以此通过查询数据库来确定吸声材料的吸声系数α₁；

对于微穿孔吸声板而言，空气密度为ρ₀＝1.2kg/m³，声速为c＝340m/s，动力学黏度为η/ρ₀＝1.8×10^-5m²/s，吸声板厚度为1(m)，小孔半径为a(m)，小孔后空腔截面积为S₀(m²)，小孔截面积为S＝πa²(m²)，穿孔率为δ＝S/S₀，板后空气空腔厚度为d(m)，强声波频率为f(Hz)，圆频率为ω＝2πf(rad/s)，进而通过matlab迭代得到微穿孔吸声板的最优吸声系数α₂，以下为优化过程：

微穿孔板上有大量与板面垂直的小孔，每一个小孔和其后的空腔均可看做是一个亥姆霍兹共鸣器，所以整个吸声板可看做是由大量亥姆霍兹共鸣器并联而成。微穿孔板与盖板之间的距离d较大，因此把小孔背后的空腔看做一段波导，利用下式：

$Z_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\frac{Z_2\cos \left(kd\right)-i\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\sin \left(kd\right)}{-{\mathrm{iZ}}_2\sin \left(kd\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\cos \left(kd\right)}$

可知盖板处的声阻抗近似为Z₂＝∞，微穿孔吸声板背面的声阻抗为

$Z_1=\frac{P_2}{Q}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}i\cot \left(kd\right)$

这里声音向盖板方向的体积流速Q为正，S₀是小孔后空腔截面积。小孔本身的声阻抗为Z_a：

$Z_a=\frac{P_1-P_2}{Q}=-i\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}l}{S}{\[1-\frac{2J_1\left(\sqrt{i}\mathrm{\μ}\right)}{\sqrt{i}{\mathrm{\μJ}}_0\left(\sqrt{i}\mathrm{\μ}\right)}\]}^{-1}$

其中S＝πa²为小孔的截面积，S/S₀是微穿孔板的穿孔率。

●μ很大，也就是一般的细管，有声阻很小，与半径成反比声抗趋向质量抗X_a＝ωM_a.

●μ很小，也就是毛细管的情况，有声阻很大，与截面半径的四次方成反比，声抗比质量抗大三分之一。

其中声质量

当f取1到10000时，计算结果中μ在f＝10000时取得最大值为0.1772，由图3可知，μ属于很小的范围，所以取

$Z_a=\frac{8\mathrm{\η}l}{{\mathrm{\πa}}^4}-\frac{4}{3}{\mathrm{i\ωM}}_a$

因此微穿孔板前面的声阻抗为

$Z_3=\frac{P_1}{Q_0}=\frac{P_1-P_2}{Q_0}+\frac{P_2}{Q_0}=Z_a+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}i\cot \left(kd\right)$

如果声波正入射到微穿孔板的表面，则声压反射系数为

$R_p=\frac{Z_3{S}_0-{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{Z_3{S}_0+{\mathrm{\ρ}}_{0}c}$

最后得到微穿孔吸声板的吸声系数：

α₂＝1-|R_p|²。

Claims (9)

1.一种基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于，包括中空的套筒(2)，隔板(3)，吸声材料(4)，微穿孔吸声板(5)，盖板(6)，所述的隔板固定于套筒内的一端，所述的盖板固定于套筒内的另一端，所述的吸声材料(4)在套筒(2)内贴近隔板(3)设置，吸声材料(4)与盖板之间的空腔内设置有微穿孔吸声板(5)并将空腔分为两部分，吸声材料(4)与微穿孔吸声板(5)之间为第一空腔，微穿孔吸声板(5)与盖板(6)之间为第二空腔。

2.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于，还包括用于调整微穿孔吸声板(5)在套筒(2)中相对位置的空腔调整装置，所述的空腔调整装置的一端连接微穿孔吸声板(5)，另一端穿过盖板(6)至套筒(2)外以从套筒外部驱动微穿孔吸声板(5)沿套筒(2)的轴向方向运动。

3.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于，所述的空腔调整装置包括活塞(7)，所述的活塞(7)上设有外螺纹，所述的盖板(6)上设有与活塞上外螺纹相匹配的螺孔，所述的活塞(7)穿过螺孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板(5)运动。

4.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于，所述的空腔调整装置包括活塞(7)，所述的盖板(6)上设有穿孔，所述的活塞(7)穿过穿孔并固定在微穿孔吸声板上以驱动微穿孔吸声板(5)运动。

5.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于：所述吸声材料(4)是由泡沫塑料、软质纤维板、亚麻板、压缩玻璃纤维、毛毡中的一种或者多种制成。

6.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于：所述的第一空腔的厚度为声波波长的1/2～1/5。

7.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于：所述微穿孔吸声板(5)上的微穿孔孔径为0.1～5mm，穿孔率为50～80％，板厚为5～30mm。

8.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于：第二空腔厚度为20～50mm。

9.如权利要求1所述基于强声凝聚的PM2.5减排装置的复合式消声系统，其特征在于：所述活塞(7)直径为2～10mm。