消声降噪之消声器的基本概念和性能介绍

1、消声的基本概念

在一个房间、隔声舱室等封闭空间中，往往需要通风、散热等方面的要求，就需要在室内空间中设计与外界进行气流交换的开口或风管。开口或风管在实现了室内空间与外界的气流交换外，也形成与外界声传播的通道。为了保证使用空间的噪声指标的要求，需要阻隔由此带来的噪声传播。既能允许气流通畅通过，又能有效阻止或衰减声能传播的装置，统称为消声器。

消声和隔声都是通过降低声能量传输(传声损失)来阻碍噪声传播的，隔声是在声传递路径中采取阻隔的方式来达到传声损失，而消声是在传递路径中通过声能量的吸声消耗或者来回反射消耗来实现传声损失。因此，通常的隔声构造的壁板的厚度在几~几十厘米的范围，而需要较大的面积来对空间进行围蔽；通常消声器的长度则在几~十几米的范围，需要通过较长的路径来实现声能的衰减，满足通风的要求而不需要非常大的面积。

如果要满足建筑物内、外噪声的要求，几乎没有哪个民用或工业技术的房间的机器和空调设备可以不配备消声器。在大型的工业企业的空调通风系统中，风机往往是最主要的噪声源，必须对整个通风管路系统进行仔细的消声设计规划，才能保证达到室内、外噪声控制的验收要求。在民用建筑的空调通风系统中，必须经过仔细的消声设计，才能确保室内噪声达到满足使用功能的设计指标(如在“噪声评价量-A计权-NR-NC曲线”等相关技术分享中介绍的NR、NC以及RC曲线等)的要求。因此，消声器广泛应用于噪声控制技术中、室内声环境设计中。

下图中分别给出了a) 需要保持室内声环境安静情况下消声器的运用方式，以及b) 需要隔绝高设备噪声源对外界噪声影响情况下消声的运用方式。这两种情况都采取了隔声措施将噪声源与需要安静的环境空间进行了隔离，但是由于通风换气、热交换等多方面的因素，隔声壁面上必须设置供气流通过的开口。从“隔声降噪技术-6 组合构件的隔声性能”中的介绍，我们知道，开口的设置将大大降低围蔽空间的隔声性能，必须降低开口处的声能透射。因此，采用消声器来达到衰减开口的声能透射。

图1 室内安静环境的传声路径及降噪途径

图2 噪声设备向外传声路径及降噪途径

(消声百页)

(消声百页)

2、消声器性能的评价量

消声器既需要阻止或衰减声能的传播，又需要保证气流的通过，因此，对消声器性能的评价也包含了声学性能和空气动力性能2方面技术参数的要求。当然，实际工程应用中还需要考虑消声器的机械结构性能、外观以及价格等方面的要求。
2.1 声学性能

消声器能有效消声的频率有一定的范围，消声性能良好的消声器要求具有足够宽的消声频率范围，并且在所需要的消声频率范围内具有足够高的消声效果。

消声器的声学性能或降噪能力通常用消声量来表征。测量方法不同，所得消声量的内涵和数值也不同。当消声器内没有气流通过而仅有声波通过时，测得的消声量称为静态消声量；当有气流和声波同时通过时，测得的消声量称为动态消声量。

消声器的消声性能通常用传声损失或插入损失来评价。
2.1.1 传声损失(Transmission Loss,TL)
传声损失Dt定义为消声器进口端的输入声功率级和出口端透射出的声功率级之差，用公式可表示为：

式中，Lwi为消声器进口端输入声功率级，Lwo为消声器出口端输出声功率级。单位均为dB。

图3 传声损失及测量方

需要注意的是，传声损失定义的消声器两端的声功率级之差，而不是声压级之差。如果消声器进口端与出口端的截面积相同，并且可以近似假定声压沿截面均匀分布，这时传声损失也就等于入射声与透射声的声压级之差。

如果受测量条件的限制，难以测量得到声功率级，而只能获得两端的声压级时，这种情况下得到的是末端声压级差值，有的也称为末端降噪量。末端降噪量受测量环境的影响较大，并容易产生较大的误差。

传声损失严格地是消声器本身所具有的属性，与管道系统和噪声源无关。因此，传声损失是实验室表征消声器声学特性的参量，适宜于进行消声器理论分析和效果检验。
2.1.2 插入损失(Insertion Loss, IL)

插入损失Di定义为管道中安装通风消声器前后，在消声器下游测量的声功率级差值，用公式表示为：

式中，Lw1为安装消声器前风管下游测量的声功率级，Lw2为安装消声器后风管下游测量的声功率级。单位均为dB。

图4 插入损失及测量方法

如果安装消声器前后，声场分布情况近似保持不变，那么插入损失等于在给定测点处，装置消声器前后声压级之差。

严格地说，插入损失只能反应整个系统(包括消声器、管道及噪声源)在装置消声器前后声学性能的变化，并不能直接反映消声器本身的消声性能。也就是说，插入损失不是消声器单独具有的属性。

由于插入损失比较容易测量，并且能够直观反映安装消声器后的实际效果，因此在噪声控制工程中应用较多。但需注意插入损失不仅与消声器本身的特性相关，而且也与声源的阻抗特性和出口端的负载特性密切相关，这一点对抗性消声器特别明显。

下图中给出了在一管路系统中，对一扩张式消声器分别采用插入损失和传声损失评价得到的消声量频谱曲线，可以看出由于单元尺寸的简单倍数关系，插入损失消声量曲线中出现了明显的管道共振，所得到的结果为管路系统与扩张式消声器组合起来的结构的传声性能。

图5 管路系统中插入损失及传声损失的对比
2.1.3 消声量的单值评价量
插入损失、传递损失消声量通常按照1/1倍频程或1/3倍频程来表表述。根据消声器的各个1/1倍频程或1/3倍频程的消声量和安装消声器前后测点声场的频谱特性，则能计算消声器的单值A计权评价量。
以插入损失为例，A计权插入损失的计算公式为：

式中：

LWA1——安装消声器前测点处的A计权声功率级，dB；

LWA2——安装消声器后测点处的A计权声功率级，dB；

——安装消声器前的测点第i个1/3倍频程或倍频程声压级，dB；

——第i个1/3倍频程或倍频程的A计权修正值，dB；

Di  ——第i个1/3倍频程或倍频程的消声器插入损失，dB；

i    ——1/3倍频程或倍频程的序号。

在根据A计权消声量来评价和选用消声器时，需要注意消声性能测试时的噪声源的频谱特征。在采用白噪声或粉红噪声进行消声性能测试时，由于噪声频谱的差异，得到的A计权消声量将有所不同，因此它并不是消声器单独具有的属性。实际使用中应关注A计权消声量的噪声源的频谱特征。在最新发布的《19K116-5 XZK阻抗复合型消声器选用与制作》图集中，以及已经编制完成即将颁布的国家标准《通风消声器》中，都明确了A计权消声量的噪声源频谱特征。在消声器的选用中，应根据实际使用条件下噪声源的频谱特性，选择与之最接近的A计权消声量，才能更好地达到预期的消声效果。

下图中给出了一般电机噪声频谱、常见的空调机组风机噪声平均值频谱，与常用的测试白噪声、粉红噪声以及红噪声等噪声源频谱的关系。(最新编制的国家标准《通风消声器》中引入了红噪声A计权消声量的概念。)

图6 典型电机噪声频谱与测量声源频谱的比较

图7 典型空调风

噪声频谱与测量声源频谱的比较

2.2 空气动力性能

消声器的空气动力性能是评价消声器的另一重要指标，它反应了消声器对气流的阻力影响。消声器对所通过的气流的阻力要小，即安装消声器后所增加的压力损失或功率损耗要在允许的范围内，不能影响设备的正常运行。同时要求气流通过消声器时产生的气流再生噪声级，远低于消声器出口端的期望噪声级。消声器的空气动力性能通常用阻力系数或压力损失来表示。

气流在管道中流动时，如果流速不太大，声压级也不太高，那么按照时间平均来说，可以认为气体的密度近似保持不变(不可压缩流体)。如果流动过程中不发生机械能的损耗，那么沿流动方向上的气体静压Ps与单位体积气体的动能的总和保持不变，即：

这一关系式就是伯努利方程。单位体积气体的动能叫做动压，记为Pv，静压和动压的总和叫做全压，记为Pt。上式表明，在不发生机械能损耗时，气体的全压沿流体方向保持不变。他们的单位均为Pa(噪声控制工程中经常用毫米水柱()为单位，1≈10Pa)。
2.2.1 压力损失

当气流通过消声器时，一般将发生机械能的损耗现象，在消声器的进口端与出口端之间的气体全压会有一定的降低。这一气流通过消声器前后所产生的压力降低量就叫做压力损失，或者说，压力损失就是消声器前后气流管道内的平均全压差值。如果消声器进口端与出口段的截面面积相同，那么气流的平均流速相同，动压相等，则压力损失就等于消声器进口端与出口段管道内的平均静压差值。压力损失用公式可表示为：

式中，为消声器压力损失，为消声器前管道内的平均全压，为消声器后管道内的平均全压。单位均为Pa。

消声器的压力损失除了与消声器的结构形式有关外，还会随着消声器的气流速度发生变化，同样的消声器在设计的不同迎面风速条件下，压力损失也不同。因此，消声器在不同气流速度条件下的压力损失值应分别给出，或者说，在给出压力损失时应同时给出气流速度条件。

图8 空调通风管路中的压力变化关系

2.2.2 阻力系数

阻力系数是指通过消声器前后的压力损失与气流动压值的比值，用公式可表示为：

式中，消声器前后全压差(压力损失)，Pv为消声器内的动压。单位均为Pa。

用噪声控制工程中常用的毫米水柱(mmH2O)为单位时，动压的表达式为：

式中，g为重力加速度(m/s2)，v为消声器内的平均气流速度(m/s)。

阻力系数能比较全面地反应消声器的空气动力性能。根据消声器的阻力系数就可以求得不同流速下的压力损失值。
2.3 消声器的类型

消声器的种类很多，根据消声器的原理不同，大致可以分为四大类型：阻性消声器、抗性消声器、排空消声器和有源消声器。其它各种消声器，其消声原理都可归结为这几种或者他们的组合，如微穿孔消声器、阻抗复合消声器、小孔喷注消声器等。
2.3.1 阻性消声器

阻性消声器(dissipative silencer)的消声原理是利用装置在管道内吸声材料或吸声结构的吸声作用，使得沿管道传播的噪声不断地被吸收，从而达到消声的目的。在声电类比中，吸声材料或吸声结构的作用相当于交流电路中的电阻，所以称这种消声器为阻性消声器。阻性消声器的特点是能在较宽的中高频范围内消声。

图9 抗性和阻性消

2.3.2 抗性消声器

抗性消声器(reactive silencer)的消声原理是利用管道中声学性能突变处的声反射作用，例如管道截面突然扩张(或收缩)或旁接共振回路等，使得沿管道传播的一部分噪声在突变处向声源反射回去而不通过消声器，从而达到消声的目的。抗性消声器并不直接吸收声能。在声电类比中，它的作用相当于交流电路中的抗性元件，所以称这种消声器为抗性消声器。抗性消声器的特点是能在低中频范围内有选择地消声。

2.3.3 排空消声器

排空消声器的消声原理在于控制或改变气体动力性噪声源的发声性能，使得噪声源辐射的可听声的声功率降低，从而在听觉上达到消声的目的。与阻性、抗性消声器相比，排空消声器的特点是在声源处消声而不是在噪声传播途径中消声。
2.3.4 有源消声器

有源消声器是利用有源消声的原理构成的消声器，即在噪声场中，用电声器件和电子设备产生一个与原来的声压大小相等、位相相反的声波，使在一定区域内与原来的声场相抵消的消声器。有源消声器在抑制低频噪声方面有显著的优点，并且几乎不影响原来气流的动力性能。