CN112834624A - 一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架和试验方法，包括包括扬声器系统、扬声器和试验管道之间的过渡管段、弹性支撑件、消声室和混响室；所述扬声器系统由扬声器、功放和信号源组成；所述弹性支撑件固定试验管道于扬声器系统内；试验管道位于所述混响室内，试验管道末端吸声结构位于所述消声室中。本发明将管道保温包扎结构隔声性能试验系统各部件作为一个整体综合系统进行设计，提出设计步骤优化流程框图，保证试验系统在全频带具有足够的隔声性能测试能力，以获得可靠的试验数据。本发明方法适用于不同隔声性能的管道保温包扎结构试验台架的设计，尤其适合具有高隔声性能的管道保温包扎结构试验台架的设计。

Description

一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架及试验方法

技术领域

本发明属于管道隔声性能试验技术领域，特别是涉及具有高隔声性能的管道保温包扎结构的隔声性能试验。

背景技术

气流在管道内高速流动时，受管道内的阀门、弯管等区域气流压力突变、管壁受脉动气流激发产生振动等因素影响，管道辐射噪声相当高，一般在80～90dB，对环境造成很大影响，同时对工作人员造成身心健康的损害。同时管路系统往往需要在较高温度下运行。因此，为保证管路不丧失过多的热能，通常在管路表面覆盖包扎层/保温层。

管道保温包扎结构是管道降噪、保温最常用的方法。管道保温包扎结构通常包括外层的金属层，以及内层的保温/吸声材料层，有些管道保温包扎结构也含多层结构。

为了适应日益增长的环保需求，管道保温包扎结构也向高保温效果、高隔声性能方向发展。GB/T 31013-2014《声学管道、阀门和法兰的隔声》中规定了管道隔声的3个等级(等级A、等级B和等级C)的声学性能要求。

普通的管道台架在测量高频隔声性能或对具有高降噪量的结构进行测量时，往往信噪比不足，难以获得有效的试验数据。本专利在对管道包扎结构的隔声性能进行试验研究的基础上，提出进行有效测量管道保温包扎结构的试验台架设计方法，尤其适用于具有高隔声性能的管道保温包扎结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管道保温包扎结构隔声性能(插入损失)试验系统的优化设计方法，充分考虑了管道末端、管道及保温包扎结构综合传声特性、弹性支撑的影响，达到获得足够管内噪声信号的目标，为管道保温包扎结构的试验研究和理论研究提供依据。本设计方法适用于管道保温包扎结构插入损失和传声损失的测量试验台架，尤其适用于对具有高隔声性能的管道保温包扎结构进行隔声性能测量的试验台架设计。

本发明给出的技术方案为一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架，包括扬声器系统、扬声器和试验管道之间的过渡管段、弹性支撑件、消声室和混响室；

所述扬声器系统由扬声器、功放和信号源组成；所述弹性支撑件固定试验管道于扬声器系统内；试验管道位于所述混响室内，试验管道末端吸声结构位于所述消声室中。

本发明还提供了一种管道保温包扎结构隔声性能试验方法，包括一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架，方法如下：

步骤S1：据试验目标，确定试验管道外噪声级范围要求；

步骤S2：根据包扎结构参数、管道参数和管道外噪声级范围，确定管道内声级要求，确定扬声器参数；

步骤S3：确定管道末端吸声结构的设计参数；

步骤S4：确定防塌陷弹性支撑件的设计参数。

优选的，所述步骤S1包括：

步骤S11：确定测量频率范围flower≤f≤fupper：flower为测量频率下限，fupper为测量频率上限；

步骤S12：获取试验环境的背景噪声频谱Lbg(f)；

步骤S12：得到所述试验管道外噪声级的最低要求，计算具体如下：

L1(f)＝Lbg(f)+10 (1)

优选的，所述步骤S2包括：

步骤S21：获取管道保温包扎结构的各层组成；

步骤S22：确定试验管道参数；管径Dpipe≤300mm，壁厚tpipe≥4.2mm；300m<Dpipe≤1000mm，壁厚tpipe≥6.3mm；

步骤S23：根据所述包扎结构的组成，对于多层结构，基于阻抗分析法估计管道及保温包扎结构的综合传声损失范围；

步骤S24：根据传声损失和管道外噪声最低值，确定管内噪声级L2：按式(12)计算管内噪声级L2

L2＝L1+TL+19 (12)

步骤S25：根据确定的管内噪声级进行扬声器选型，扬声器的灵敏度S、扬声器的电功率W应满足：

W·10^(0.1S-4)≥L₂+5+20log(r) (13)

其中，r为管道半径。

优选的，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31：确定测量频率下限f_lower处的管道吸声末端结构的吸声系数α_s的要求。声如果无管道模型消声结构，声波从管道辐射时，管道末端和外部空间之间存在阻抗突变，导致一部分声能发射回管道中，将在管道内产生显著的驻波，影响试验结果。因此，在管道末端需要安装适当的吸声材料，对到达管道末端的声波尽可能全吸声。安装吸声末端后，仍有部分声能发射到管道中，形成小幅驻波。管道内f_lower的极大值声压级和极小值声压级的差值Ls为试验偏差控制量，Ls、末端吸声系数α_s应满足：

步骤S32：确定管道吸声末端材料的容重ρ_m和有效长度Le。优选20Kg/m3～50Kg/m3的超细玻璃棉。对于超细玻璃棉，玻璃棉的容重ρ_m、频率下限f_lower、吸声末端有效长度Le宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥80 (15)

对于普通玻璃棉，宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥300 (16)

优选的，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的内径rinner和外径router，具体为：在管道和第1层金属层之间、第i金属层与第i+1金属层之间布置弹性橡胶支撑件，弹性橡胶支撑件由若干半圆支撑组成；在管道和金属层之间的橡胶支撑件，外径为第1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为管道外径；在第i金属层与第i+1金属层之间的橡胶支撑件，外径为第i+1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为第i层金属层外表面到管道中心的距离；

步骤S42：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的安装位置和弹性模量；弹性橡胶支撑件在保温层搭接处安装，弹性橡胶支撑件的弹性模量Et宜满足式(17)：

其中，b为弹性橡胶支撑件相邻安装位置的距离，t为金属层厚度，P为金属层的拉伸强度。

本发明对管道保温包扎结构隔声性能试验台架中扬声器、管道末端吸声结构、弹性支撑等各组成部分的重要参量提出了优化设计方法，并提出步骤实施流程框图，根据流程框图可以清楚准确地确定组成部件的参量，有利于试验台架参数的优化设计，保证试验台架的可靠性和准确性。

本发明的有益效果是：本发明考虑到考虑了管道末端、管道及保温包扎结构综合传声特性、弹性支撑的影响，将管道保温包扎结构隔声性能试验系统各部件作为一个整体综合系统进行设计进行优化设计，满足不同隔声性能的管道保温包扎结构试验台架的设计要求。本发明的设计方法对个部件重要参数的先行确定使得设计步骤清晰、层次分明，可得到优化的管道保温包扎结构隔声性能测试台架系统，获得可靠准确的管道保温包扎结构隔声性能的测试数据。根据本发明设计的喷流试验台架对管道保温包扎结构的高频隔声性能测量、及具有高隔声性能管道保温包扎结构的测量均能获得有效可靠的试验数据，表明本发明具有良好的适用性和准确性。

附图说明

图1试验台架系统组成示意图；

图2步骤实施流程图；

图3某保温包扎结构插入损失测量结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明涉及的管道保温包扎结构隔声性能试验台架的组成包括扬声器系统、扬声器和试验管道之间的过渡管段、试验管道、试验管道末端吸声结构、弹性支撑件、消声室：扬声器系统由扬声器、功放、信号源组成，试验管道位于混响室内，试验管道末端吸声结构位于消声室中。

根据步骤本发明涉及的管道保温包扎结构隔声性能试验台架要求保温结构插入损失达到B1级，测量频率不低于4000Hz。

一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：据试验目标，确定试验管道外噪声级范围要求；

步骤S11：确定测量频率范围f_lower≤f≤f_upper：f_lower为测量频率下限，f_upper为测量频率上限；

步骤S12：获取试验环境的背景噪声频谱L_bg(f)；

步骤S12：得到试验管道外噪声级的最低要求。计算具体如下：

L₁(f)＝L_bg(f)+10 (1)

步骤S2：根据包扎结构参数、管道参数和管道外噪声级范围，确定管道内声级要求，确定扬声器参数；

步骤S2确定管道内声级的具体步骤包括：

步骤S21：获取管道保温包扎结构的各层组成；

步骤S22：确定试验管道参数；管径D_pipe≤300mm，壁厚t_pipe≥4.2mm；300m<D_pipe≤1000mm，壁厚t_pipe≥6.3mm；

步骤S23：根据包扎结构的组成，对于多层结构，基于阻抗分析法估计管道及保温包扎结构的综合传声损失范围。

首先获得隔声结构各层的阻抗，然后求出各层组合后结构整体的阻抗，计算具体如下。通常管道保温包扎结构由若干层金属板或多孔材料层组成多层结构，见图1，总层数为N，第1层为管道层，第2层为多孔材料层，第3层到第N层可以为金属薄板也可以为多孔材料层，第i层的声阻抗为Z_i，第i层的表面声阻抗为Z_si，第N层结构的表面声阻抗为Z。

第i层如果为金属层，第i层的声阻抗Z_i为：

其中，f为频率，K_i为第i层板的刚度系数，f_{co i}为第i层板的吻合频率，f_{ring l}为第i层板的环频率，E_i为第i层板的杨氏模量，υ_i为第i层板的泊松比，h_i为第i层板的厚度，η_i为第i层板的阻尼系数，m_i为第i层板的面密度，R_i为第i层板的曲率半径，ρ₀为空气密度，c₀为空气中的声速。

第i层如果为多孔保温材料层，第i层声阻抗Z_i为：

其中k_i为第i层材料中声波的波数，σ_i为第i层材料的流阻率，t_i为第i层材料的厚度。

第2层的表面声阻抗为：

从第3层到第N层，如果第i层为金属板，第i层的表面声阻抗为：

Z_si＝Z_i+Z_i-1 (9)

如果第i层为多孔保温材料层，第i层的表面声阻抗为：

直至计算到第N层结构的表面声阻抗Z，通过式(12)计算获得总传声损失(TL)：

步骤S24：根据传声损失和管道外噪声最低值，确定管内噪声级L₂：按式(12)计算管内噪声级L₂

L₂＝L₁+TL+19 (12)

步骤S25：根据确定的管内噪声级进行扬声器选型。扬声器的灵敏度S、扬声器的电功率W应满足：

W·10^(0.1S-4)≥L₂+5+20log(r) (13)

其中，r为管道半径。

步骤S3：确定管道末端吸声结构的设计参数；

步骤S31：确定测量频率下限f_lower处的管道吸声末端结构的吸声系数α_s的要求。声如果无管道模型消声结构，声波从管道辐射时，管道末端和外部空间之间存在阻抗突变，导致一部分声能发射回管道中，将在管道内产生显著的驻波，影响试验结果。因此，在管道末端需要安装适当的吸声材料，对到达管道末端的声波尽可能全吸声。安装吸声末端后，仍有部分声能发射到管道中，形成小幅驻波。管道内f_lower的极大值声压级和极小值声压级的差值L_s为试验偏差控制量，L_s、末端吸声系数α_s应满足：

步骤S32：确定管道吸声末端材料的容重ρ_m和有效长度L_e。优选20Kg/m³～50Kg/m³的超细玻璃棉。对于超细玻璃棉，玻璃棉的容重ρ_m、频率下限f_lower、吸声末端有效长度L_e宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥80 (15)

对于普通玻璃棉，宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥300 (16)

步骤S4：确定防塌陷弹性支撑件的设计参数。

步骤S41：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的内径r_inner和外径r_outer。具体为：在管道和第1层金属层之间、第i金属层与第i+1金属层之间布置弹性橡胶支撑件，弹性橡胶支撑件由若干半圆支撑组成。在管道和金属层之间的橡胶支撑件，外径为第1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为管道外径。在第i金属层与第i+1金属层之间的橡胶支撑件，外径为第i+1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为第i层金属层外表面到管道中心的距离。

步骤S42：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的安装位置和弹性模量。具体为：弹性橡胶支撑件在保温层搭接处安装。弹性橡胶支撑件的弹性模量E_t宜满足式(17)：

其中，b为弹性橡胶支撑件相邻安装位置的距离，t为金属层厚度，P为金属层的拉伸强度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架，其特征在于，包括扬声器系统、扬声器和试验管道之间的过渡管段、弹性支撑件、消声室和混响室；

所述扬声器系统由扬声器、功放和信号源组成；所述弹性支撑件固定试验管道于扬声器系统内；试验管道位于所述混响室内，试验管道末端吸声结构位于所述消声室中。

2.一种管道保温包扎结构隔声性能试验方法，其特征在于，包括权利要求1所述的试验台架，方法如下：

步骤S1：据试验目标，确定所述试验管道外噪声级范围要求；

步骤S2：根据包扎结构参数、管道参数和管道外噪声级范围，确定管道内声级要求，确定扬声器参数；

步骤S3：确定管道末端吸声结构的设计参数；

步骤S4：确定防塌陷弹性支撑件的设计参数。

3.根据权利要求2所述的一种管道保温包扎结构隔声性能试验方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：确定测量频率范围flower≤f≤fupper：flower为测量频率下限，fupper为测量频率上限；

步骤S12：获取试验环境的背景噪声频谱Lbg(f)；

步骤S12：得到所述试验管道外噪声级的最低要求，计算具体如下：

L1(f)＝Lbg(f)+10 (1)

4.根据权利要求2所述的一种管道保温包扎结构隔声性能试验方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21：获取管道保温包扎结构的各层组成；

步骤S22：确定试验管道参数；管径Dpipe≤300mm，壁厚tpipe≥4.2mm；300m<Dpipe≤1000mm，壁厚tpipe≥6.3mm；

步骤S23：根据所述包扎结构的组成，对于多层结构，基于阻抗分析法估计管道及保温包扎结构的综合传声损失范围；

步骤S24：根据传声损失和管道外噪声最低值，确定管内噪声级L₂：按式(12)计算管内噪声级L₂

L₂＝L₁+TL+19 (12)

步骤S25：根据确定的管内噪声级进行扬声器选型，扬声器的灵敏度S、扬声器的电功率W应满足：

W·10^(0.1S-4)≥L₂+5+20log(r) (13)

其中，r为管道半径。

5.根据权利要求3所述的一种管道保温包扎结构隔声性能试验台架设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31：确定测量频率下限f_lower处的管道吸声末端结构的吸声系数α_s的要求。声如果无管道模型消声结构，声波从管道辐射时，管道末端和外部空间之间存在阻抗突变，导致一部分声能发射回管道中，将在管道内产生显著的驻波，影响试验结果。因此，在管道末端需要安装适当的吸声材料，对到达管道末端的声波尽可能全吸声。安装吸声末端后，仍有部分声能发射到管道中，形成小幅驻波。管道内f_lower的极大值声压级和极小值声压级的差值L_s为试验偏差控制量，L_s、末端吸声系数α_s应满足：

步骤S32：确定管道吸声末端材料的容重ρ_m和有效长度L_e。优选20Kg/m³～50Kg/m³的超细玻璃棉。对于超细玻璃棉，玻璃棉的容重ρ_m、频率下限f_lower、吸声末端有效长度L_e宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥80 (15)

对于普通玻璃棉，宜满足：

ρ_m·f_lower·L_e≥300 (16)

6.根据权利要求2所述的一种管道保温包扎结构隔声性能试验方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的内径r_inner和外径r_outer，具体为：在管道和第1层金属层之间、第i金属层与第i+1金属层之间布置弹性橡胶支撑件，弹性橡胶支撑件由若干半圆支撑组成；在管道和金属层之间的橡胶支撑件，外径为第1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为管道外径；在第i金属层与第i+1金属层之间的橡胶支撑件，外径为第i+1层金属层内表面到管道中心的距离，内径为第i层金属层外表面到管道中心的距离；

步骤S42：确定防塌陷弹性橡胶支撑件的安装位置和弹性模量；弹性橡胶支撑件在保温层搭接处安装，弹性橡胶支撑件的弹性模量E_t宜满足式(17)：

其中，b为弹性橡胶支撑件相邻安装位置的距离，t为金属层厚度，P为金属层的拉伸强度。

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