高通滤波器在消声器上的应用研究

                     播 雨

1 前言

  大截面消声器（装置）是指通道有效截面尺寸大于Φ300或300×300的消声器（装置）。它广泛应用在大型通风机，鼓、引风机、热泵、冷却塔已经矿井通风机，大截面通风管道等消除空气动力性噪声。近年来大风量，大口径消声器（装置）的设计与应用日趋增多，在冷却塔、热泵、除尘风机等排风系统消声工程中已有不少应用，并取得显著降噪效果。大截面消声器在实际应用中需解决两个问题：（1）由于通道截面大，需解决高频失效和提高低频消声量问题，既要保证一定的消声性能，又要拓宽消声频带；（2）减小消声器体积，结构简单，容易加工与安装。

   本文通过建立消声原理的结构模型，进行理论分析探讨，提出高通滤波器的设计原理，并在工程中应用，取得满意效果。

2 消声原理及实验研究

   消声器的消声原理就是利用声线路中的声阻和声抗来消耗声能量，达到消声的目的。利用声阻消声的消声器叫阻性消声器；利用声抗消声的消声器叫抗性消声器。两者并用的消声器叫阻抗复合式或阻-共振复合式消声器。

高通滤波器用在阻抗复合式消声器上，可进一步提高低频消声量。它的原理如图1所示。在气流主管道上开一个圆孔（工程上可开多个），在这种情况下主管道的阻抗就会发生突然变化，一部分入射声波被反射回去，形成反射波，一部分继续沿主管道向右（或者说前）传播，形成透射波，还有一部分则沿圆孔（分支管）传播。                       图1 分支管道

在主管道壁上钻一个孔时，其声功率透射系数可给出如下式：

τ_w＝1/［１＋（ｓ_０／２ＳＫｌ）^２］　（１）或

τ_w＝1/[1+(cｓ_０／4πf·Ｓｌ]          (2)

式中，d-穿孔直径，米；ｌ＝１.７d；Ｋ=2πf/c，波数；S-管道横截面积，m²；S₀-穿孔面积，m²；c-声波速度，c=340m/s。

由（2）式可以看出，当f小即频率向低频变化时，τ_w→0，而当f大即频率向高频变化时，τ_w→1，因此，高频时入射声波的能量几乎全部进入续管，既由于小孔的存在，使管道成为一个高通滤波器。在消声器中引进高通滤波器是为了消除低频噪声。

由公式（1）和（2）式都可以看出，增加小孔面积（或增加小孔数）及减小管道面积都可以使τ_w增大，而起到让高频通过，让低频消声的目的。

工程实际应用时，可在主管道（或插管）上并列数个小孔，相当于阻抗并联，降低系统的总阻抗。当多排孔时，相当于阻抗串联，阻抗近似等于1个孔的1/n             图2  声滤波消声器

 

当小孔面积远远小于主管道面积时，声强透射系数等于声功率透射系数，因此透射损失如下式^[5，7]：

TL＝１０ｌｏｇ［１＋（ｎｓ_０／２mＳＫｌ）^２］

式中，n-穿孔数，m-穿孔排数。

2.2 高通滤波器消声实验

 在抗性消声器内引进声滤波制成的消声装置，在直径Ф125主管道上钻Ф10孔8只，在Ф95插管上钻Ф6孔8只，如图2所示。

为了比较高通滤波器的效果，用另一台不带高通滤波器只做插管的装置（其它条件不变），在3L-10/8型           

空压机进气管道上，安装这种消声装置做对比实验。

实测消声效果，如表1和图3所示。                      

表1    有无滤波器消声量对比   /dB

项目	中心频率/Hz
	31.5	63	125	250	500
有滤波器	9	19.5	27	26.5	15
无滤波器	4.5	11	24	26.0	15
效 果	4.5	8.5	3	0.5	0.1
计算值	15.4	7.1	2.5	0.7	0.2
误差	-10.9	1.4	0.5	-0.2	-0.1

        图3  实测消声效果

由表1或图3可以看到，两种消声装置在低频段有明显差别。带有高通滤波器的消声装置，在31.5、63、125、250 Hz三个低频段，平均提高5dB^[7]。可见，在保证相同消声量的情况下，加进高通滤波器可以减小消声装置的体积，因而          

大截面的管道或进、排风口消声，采用带高通滤波器的插管结构，     

就可以解决抗性消声器单靠增大截面比，提高低频消声量的问题。

  表1中计算值与实测值误差不大，只在31.5Hz比较大，原因可能是与系统共振频率很接近带来的测试误差。

3  结论                               

（1）高通滤波器可以消除低频噪声，其结构比较简单，在大截面消声装置上应用，可以拓宽消声频带。

（2）采用高通滤波器与阻性消声结构或共振消声结构复合，可以拓宽消声频带，在工程中应用，能够取得满意的降噪效果。

（3）带中间隔板的高通滤波器结构可以避免高频失效，而提高高频消声效果。