环保设备及程设计.pptx

第七章 噪声控制设备选用与设计7.1 吸声降噪设备噪声控制工程中常用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声，吸声体按吸声机理分为多孔性吸声材料和共振吸声结构。7.1.1 多孔吸声材料7.1.1.1 多孔吸声材料的吸声机理多孔吸声材料的内部和表面具有很多微小的空隙，空隙间相互连通并与外界大气相连，当声波入射到多孔材料表面时，一部分在材料表面发射，一部分则透射到材料内部向前传播。在传播的过程中引起孔隙中的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于黏滞性和热传导效应将声能转变为热能而耗散掉。7.1.1.2 多孔吸声材料分类无机纤维材料：无机纤维材料有超细玻璃棉、玻璃丝、矿渣棉、岩棉及其制品。超细玻璃棉具有质轻、柔软、容重小、耐热、耐腐蚀等优点；矿渣棉具有质轻、防蛀、导热系数小、耐高温、耐腐蚀等特点。岩棉具有隔热、耐高温和价格低廉等特点。泡沫材料：根据泡孔形成的不同，分为开孔型泡沫材料和闭孔型泡沫材料。开孔型泡沫材料是吸声材料。泡沫材料具有良好的弹性、容易填充均匀；但易燃烧、易老化、强度较低。吸声特性是对中高频吸声性能优异。有机纤维材料：有机纤维材料主要为植物纤维制品，包括棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板、水泥木丝板以及稻草板等。这些材料在中、高频范围内具有良好的吸声性能。建筑吸声材料(已很少使用)：吸声建筑材料由多孔建筑材料制成，如加气混凝土、微孔吸声砖、陶瓷吸声板、珍珠岩吸声板等。7.1.1.3 材料吸声性能的评价吸声系数吸声系数定义为材料吸收声能EA和入射声能E0之比。如果声波是垂直入射材料表面的称为正规入射（a0）。如果声波是从各种方向入射的称为无规入射（a）。对同样材质和结构的材料，一般aa0。一般所说的吸声系数均指无规入射系数a，a的测定一般在混响室进行。为混响室自身的平均吸声系数，V为混响室体积，Sm为材料的暴露面积，T60，0为测得的混响室自身的混响时间，T60为测得的有材料后的混响时间，则材料的无规入射吸声系数计算：(7-1)a0常用驻波管测出。测出驻波的波腹与波节声压之比称为驻波比，以SWR表示。待测材料对该种频率声波的正规入射吸声系数：(7-2)降噪系数：我国吸声系数测量规范中规定的测试频率范围为1005000Hz，降噪系数（NRC）是取250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz四个频带吸声系数的平均值。影响因素：影响多孔性吸声材料吸声性能的因素有：材料的厚度、容重、流阻、空隙率、结构因子、材料背后的空气层、材料表面的装饰处理以及外部条件等。多孔性吸声材料对中、高频吸声效果较好；若加大材料的厚度则可提高低频的吸声效果。增加容重也有利于低频吸声；增大背后空气层与增加材料有效厚度的作用一样；空腔越大，吸声频率越低。7.1.1.4 多孔性材料吸声结构多孔材料吸声结构主要结构形式有吸声板结构、空间吸声体结构和吸声尖劈等。吸声板结构：由多孔吸声材料与穿孔板组成的板状吸声结构。穿孔板的穿孔率一般大于20%，孔心间距越大，低频吸声性能就越好。聚乙烯薄膜的厚度应小于0.03mm，否则会降低高频吸声性能。空间吸声体：空间吸声体由框架、吸声材料和护面结构组成。常用的几何形状有平面型、圆柱形、菱形、圆锥形和球形。吸声体对于高频声的吸声效果随着空间吸声体尺寸的减少而增加；对于低频声的吸声效果随着空间吸声体尺寸的加大而升高。吸声尖劈：吸声尖劈是一种楔子形空间吸声体，并在金属网架内填充多孔吸声材料。吸声原理：利用特性阻抗逐渐变化，即从尖劈端面特性阻抗接近于空气的特性阻抗，逐渐过渡到吸声材料的特性阻抗。吸声结构低频特性极好。吸声尖劈的形状有等腰劈状、直角劈状、阶梯状、无规则状等。7.1.2 共振吸声结构振动结构要消耗声能而降低噪声，且有各自的固有频率，当声波频率与结构的固有频率相同时就会发生共振。吸声系数在共振频率处为最大。7.1.2.1 薄板共振吸声结构把薄的板材周边固定在框架上，将框架固定在刚性壁面上，薄板与刚性壁面间留有一定厚度的空气层，就构成薄板共振吸声结构。0为薄板共振吸声结构的固有频率，Hz；M为薄板的面密度，kg/m2；D为空气层的厚度，cm。吸声性能的改善方法为：在薄板结构的边缘放一些软质材料或在空气层中沿框架放一些多孔吸声材料，使最大吸声的频带变宽。吸声机理：当声波入射到薄板上引起板面振动，薄板振动要克服本身的阻尼和板与框架之间的摩擦，使一部分声能转化为热能而耗损。当薄板振动结构的固有频率与入射声波频率一致时将发生共振，吸声最强。薄板的固有频率较低，固有频率的计算为：(7-3)7.1.2.2 薄膜共振吸声结构刚性很小的弹性材料和其后空气层一起构成薄膜共振吸声结构。吸声机理：固有频率和薄板共振吸声结构相同。在膜后填充多孔吸声材料可改善低频吸声性能。膜的面密度较小，共振频率向高频移动。c为声速，m/s；P为穿孔率；D为穿孔板后空气层的厚度，m。Le为孔颈的有效长度，m。d为孔口直径，m；L0为孔颈实际长度，m。7.1.2.3 穿孔板吸声结构穿孔板吸声结构是将多孔穿孔板吸声结构视为很多单个共振腔的并联。在板上以一定的孔径和穿孔率打孔，并在板后留有一定厚度的空气层就构成穿孔板共振吸声结构。共振频率的计算：(7-4)穿孔率越高共振频率就越高，穿孔率一般为5%。主要用于低频及部分中频吸声7.1.2.4 微穿孔板吸声结构微穿孔板吸声结构是利用微孔中空气的黏滞阻力消耗入射声能。在板厚小于1mm的薄金属板上穿以孔径1mm的微孔，穿孔率在1%5%之间，后部留有一定厚度的空气层，这样就构成了微穿孔板吸声结构。微穿孔板吸声结构的吸声系数和吸声频带宽度比穿孔板吸声结构要好。7.1.3 吸声降噪的应用与实例7.1.3.1 吸声结构选择及设计原则优先考虑对声源进行隔声、消声等处理。平均吸声系数很小时采取吸声处理才能达到预期效果。在靠近声源直达声为主时采取吸声处理不能达到理想的降噪效果。若噪声高频成分很强可选用多孔吸声材料；若中、低频成分很强，可选择薄板共振吸声结构或穿孔板共振吸声结构；若噪声中各个频率都很强，可选择复合穿孔板或微穿孔板结构。对于湿度较高的环境，可采用薄膜复面的多孔材料或单、双层微穿孔板共振吸声结构。进行吸声处理时应满足防火、防潮、防腐、防尘等。确定降噪后的允许噪声级和各倍频程的允许声压级，计算相应的吸声减噪量Lp(7-5)7.1.3.2 吸声降噪设计的一般步骤确定吸声处理前房间的各倍频带的声压级Lpi和总噪声级Lp1，了解噪声源的特性。确定吸声处理前房间的声学特性。房间各墙面的吸声系数和面积分别为a1，a2，a3，S1，S2，S3。房间中吸声面的平均吸声系数：Lp为吸声减噪量；Lp1、Lp2分别为吸声降噪处理前后房间的声压级；1、2分别为吸声降噪处理前后房间的平均吸声系数；A1、A2分别为吸声降噪处理前后房间的消声量。根据平均吸声系数 2和房间内可以设置吸声材料的面积，确定吸声面的吸声系数，公式参考7-5。根据所确定的吸声面的吸声系数，合理选用吸声材料和吸声结构类型、材料厚度、密度、安装方式等。通过下式可求出吸声处理后室内平均吸声系数 2，并确定需要增加的吸声量A2A1：(7-6)7.1.3.3 吸声降噪应用实例7.1.4 吸声材料的发展趋势环保型和安全型声学材料复合型声学材料多功能声学材料R的数值越大，表明隔声材料的隔声性能越好。传声损失也称透声损失、隔声量。“需要隔声量”，是按生源状况、标准要求、声学环境等通过计算求得的隔声量。一般构件隔声量应大于“需要隔声量”5dB（A）以上。(7-7)7.2 隔声设备7.2.1 隔声原理当具有一定能量的噪声入射到一个壁面上时，壁面会在声波作用下发生振动消耗的声能称为透射声能。透射声能与入射声能的比值称为透射系数，用表示，越小，说明构件的隔声性能越好。常用传声损失R（单位：dB）来表示隔声材料的隔声能力，定义为：7.2.2 隔声板材单层板材：金属板、塑料板、石膏板、机制板、石棉水泥板等。双层板材：单层墙体：炭化石灰板墙、加气混凝土墙等。双层墙体：7.2.3 复合隔声板用钢板、吸声材料、阻尼材料和装饰表面等多层结构组成一个整体复合隔声板。常用轻质复合板是用金属或非金属的坚实薄板作面层，内侧覆盖阻尼或夹入吸声材料或空气层等组成。7.2.4 隔声罩隔声罩是用隔声构件将噪声源封闭在一个较小的空间内，以降低噪声源向周围环境辐射噪声的罩形结构。隔声罩基本结构：罩壁由罩板、阻尼涂料和吸声层构成。为便于拆装、搬运、操作、检修以及经济方面的因素，罩板常采用薄金属、木板、纤维板等轻质材料。当采用薄金属板作罩板时，必须涂覆相当于罩板24倍厚度的阻尼层，以改善共振区和吻合效应处的隔声性能。通常是按现场实际情况设计、制造非标准隔声罩。分为全封闭、局部封闭和消声箱式隔声罩。R实为隔声罩实际隔声量，dB；R为隔声材料本身的固有隔声量或传声损失，dB。为隔声罩内表面平均吸声系数。7.2.4.3 选择或制作隔声罩应注意的事项罩面必须选择由足够隔声能力的材料制作。采用钢板或铝板制作的罩壳须在壁面上加筋。隔声罩内的所有焊缝应避免漏声。隔声罩内表面必须进行吸声处理。隔声罩应易于拼装、通风散热良好。7.2.4.2 隔声罩的隔声计算隔声罩的实际隔声量计算式为：(7-8)7.2.5 隔声间隔声间也称隔声室，是用隔声围护结构建造成的一个较安静，且有良好的通风、采光的空间，供工作人员使用。隔声间由隔声墙板、隔声门、隔声窗、通风消声装置等组成。7.2.5.1 隔声门常采用轻质复合结构，层与层之间填充吸声材料，隔声门的隔声性能与门缝的密封程度有关，门缝应做成企口或阶梯状，在门上应设加压关闭装置。7.2.5.2 隔声窗有普通隔声采光窗、通风隔声窗、消声遮阳百叶窗。7.2.6 声屏障在噪声源和需要进行噪声控制的区域之间，安置一个有足够面密度的密实材料的板或墙，使声波传播有明显的附加衰减，这样的“障碍物”称为声屏障。7.2.6.1 声屏障降噪原理声屏障的降噪作用是基于声波的衍射原理。噪声在传播途径中遇到障碍物，若障碍物尺寸远大于声波波长时，大部分声能被反射和吸收，一部分绕射，声波在声屏障背后一定距离内形成声影区，声波绕射必然产生衰减。7.6.2.2 声屏障降噪效果计算绕射声衰减Ldh为声屏障高度，m；N为菲涅耳数，N=2/；为入射声波的波长，m；为声程差，即绕射路程与直达路程之差，=（a+b）-d，m；d为声源与受声点间的直线距离，m；a为声源至声屏障顶端的距离，m；b为受声点至声屏障顶端的距离，m。若声源与受声点的连线和声屏障法线之间有一角度时，则菲涅耳数应为：N（）=Ncos。无限长屏障对点声源的绕射声衰减量的计算模式，公式为：(7-9)(N0)（声影区）(N=0)(N=0.2)（亮区）(0N0.2)（过度区）工程设计中Ld可从图7-11求得。式中，；为入射声波的中心频率，Hz；为声程差；c为空气中的声速。无限长屏障对有限长线声源的绕射声衰减量的计算模式，公式为：(t=0)(7-10)(t0)有限长屏障对无限长线声源的绕射声衰减量的计算模式，公式为（7-10）然后按图7-12修正。修正后的Ld取决于遮蔽角百分率。TL为隔声量，又叫传声损失，隔声量的定义为墙或间壁一面的入射声功率级与另一面的透射声功率级之差。（式7-7）。反射声修正量Lr：障碍物声衰减量Ls：地面吸声声衰减量LG：考虑上述因素，声屏障实际插入损失为：透射声修正量的公式：(7-11)(7-12)7.2.6.3 道路声屏障结构形式声屏障顶部既是声线的绕射点又是亮区与声影区的分界点，可在声屏障上端面安置软体或吸声材料和改善声屏障的形状来提高降噪能力。不同结构形式声屏障吸声型屏障：在声屏障面向道路的一侧外表面布置吸声材料，降低反射声改善降噪效果。T型屏障：软表面结构形式屏障：在原声屏障上边缘附着一层或一个带管状“声学软平面”结构，能阻碍声屏障顶部绕射声的传播。G型屏障：顶端按一定角度折向道路内侧。带管状顶部的屏障：带管状顶部的屏障即在原有方形屏障的顶部加置一个管状单元（有圆柱形和蘑菇型）。Y型屏障：多重边缘声屏障：在原有单层障板上面增加两道（或更多）边板（最好声源一侧）隧道式声屏障：不同结构形式屏障降噪性能对比 Hs等效声源的高度，m；B为大型车比例，%；S为中小型车比例，%；M为摩托车比例，%。声屏障设计目标值的确定：与受声点处的道路交通噪声值、受声点的背景噪声值以及环境噪声标准值的大小有关。位置的确定：声屏障靠近声源，或者靠近受声点，可利用土坡、堤坝等障碍物。几何尺寸的确定：根据设计目标值确定几组声屏障的长与高，计算各参数，综合比较，选择最优方案。(7-13)7.2.6.4 道路声屏障设计声学设计等效声源的确定：声屏障的形式选择：声屏障的形式选择需要综合考虑现场条件和保护点声环境要求等多种因素。吸声结构设计：当双侧安装声屏障时，应在朝向声源一侧安装吸声结构，吸声结构的降噪系数NRC应大于0.5。结构设计：包括声屏障承重结构的设计计算和声学上需要满足的构造设计。景观设计：要遵循建筑形式美的一般原则，使其保持与道路及周围环境的整体性和一致性，同时不要影响驾驶安全性。7.2.6.5 国内外公路声屏障技术发展趋势注重公路声屏障与景观协调设计。多用低成本材料建造公路声屏障。提倡在声屏障内、前与后种植各类植物。建设降噪绿化带也是一种常用的降噪方法。7.3 消声器消声器是控制空气动力性噪声的最有效的方法。7.3.1 消声器种类与性能要求 声学性能：要求消声器在所需要的消声频率范围内有足够大的消声量。空气动力性能：消声器对气流的阻力损失或功能损耗要小。结构性能：体积要小、重量轻、坚固耐用、结构简单、便于加工、安装和维修。外形及装饰要求：符合实际安装空间同时应美观大方，表面装饰应与设备总体相协调。价格费用要求：价格便宜、使用寿命长、性价比要好。选用消声器时要考虑：噪声源特性、确定噪声标准、计算消声量、选型与适配、全面考虑和综合治理、消声器的正确安装。LpA1为噪声源本身的A声级；LpA2相对于装置消声器后的A声级。7.3.2 消声器声学性能评价量当消声器内没有气流仅有声音测得的消声量为静态消声量；当有声音和气流时测得的消声量为动态消声量。插入损失：插入损失的计算：(7-14)Lp0为入射声声压级，dB；Lp1为透射声声压级，dB；K0为入射声的背景噪声修正值，dB；K1为透射声的背景噪声修正值，dB；S0为消声器上游管道通道截面面积，m2；S1为消声器下游管道通道截面面积，m2。减噪量：在消声器进口端面测得的平均声压级与出口端面测得的平均声压级之差。衰减量：消声器内部两点间的声压级的差值。传声损失：消声器传声损失为消声器进口端声功率与出口端声功率之比。计算公式：(7-15)7.3.3 阻性消声器利用声波在多孔而且串通的吸收材料中因摩擦和黏滞阻力将声能转化为热能耗散掉，从而达到消声的目的。吸声材料对中、高频具有良好的特性和消声效果。P为通道截面的周长，m；S为通道横截面面积，m2；L为消声器的有效长度，m；（a0）为与材料吸声系数a0有关的消声系数。(7-16)7.3.3.1 阻性消声器消声量近似公式：L高于失效频率的某倍频带的消声量，dB；L失效频率处的消声量，dB；n高于失效频率的倍频带带数。随着频率的增加消声性能下降，把消声量开始下降的频率称为高频失效频率。经验公式为：c为声速，m/s；D为消声器通道的当量直径，m。当频率高于失效频率后，每增加一个倍频带，其消声量约下降1/3，估算公式：(7-17)(7-18)7.3.3.2 消声器的设计原则根据噪声源所需要的消声量、空气动力性能要求以及空气动力设备管道中的防潮、防火、耐油、耐高温等。考虑消声器的空气动力性能损失控制在能使设备正常工作。应考虑消声器可能产生的气流再生噪声的影响。必须降低消声器和管道中的气流速度。7.3.3.3 阻性消声器的设计步骤确定消声量：根据有关的环保标准，适当考虑设备的具体条件，合理确定实际所需的消声量。选择消声器的结构形式：根据气体流量和消声器所控制的流速，计算所需的通流截面，并由此来选定消声器的结构形式。合理选用吸声材料：吸声材料的性能是决定消声器声学性能的重要因素。合理确定消声器的长度：消声器的长度应根据噪声源的强度和现场降噪要求来决定。合理选择吸声材料的护面结构：阻性消声器的吸声材料是在气流中工作的，所以吸声材料必须用牢固的护面结构固定。验算消声效果：根据高频失效和气流再生噪声的影响，验算消声效果。7.3.3.4 阻性消声器设计实例7.3.4 抗性消声器依靠管道突变或旁接共振腔等在声传播过程中引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能。有扩张室式消声器和共振腔消声器7.3.4.1 扩张式消声器L为消声量，dB；m为扩张比，m=S2/S1，S1为连接管的截面积，S2为扩张室的截面积；k为波数，m-1，由声波频率决定，k=2/=2/c；l为扩张室长度，m。管道截面扩张m倍或收缩m倍的消声作用是相同的。(7-19)扩张室消声器的消声性能，消声性能取决于扩张比m和扩张室的长度L，其消声量由公式计算：当M5时的最大消声量的近似计算:根据上述关系则单节扩张室消声器的最大消声量为：最大消声量的频率为：扩张室消声器的消声量由扩张比m决定。(7-20)(7-21)(7-22)V为扩张室的容积，m3。(7-23)(7-24)扩张室消声器的有效消声上限截止频率的计算公式：c为声速，m；D为通道截面的当量直径，m。扩张室消声器的下限截止频率的计算公式：改善扩张室消声器消声频率特性的方法一种是将单节扩张式改进为内插管式，两端各插入1/2,1/4扩张室长度的管，分别消除n为奇数和偶数时的通过频率低谷,实际设计时将两端的插入管连在一起而在1/4处打孔，穿孔率30%。二是将几节扩张室消声器串联起来，各扩张室长度不相等，使各自的通过频率相互错开。扩张式消声器设计步骤根据需要的消声频率特性，合理分布最大消声频率（即合理设计各节扩张室的长度及其插入管的长度）。根据有关标准确定所需的消声量，尽可能选择较大的扩张比，设计扩张室各部分的截面尺寸。验算所设计扩张室消声器的上下频率是否在所需要消声的频率范围之外。设计实例7.3.4.2 共振腔消声器共振腔消声器的消声原理：小孔与空腔组成一个弹性振动系统，小孔孔颈中具有一定质量的空气，在声波的作用下往复运动，与孔壁产生摩擦，使声能转变成热能而消耗掉。V为共振腔的容积，m3；G为传导率（定义为小孔面积与孔板有效厚度之比，m）:(7-26)(7-25)共振腔消声器的固有频率的计算：n为开孔个数；D为孔径，m；t为穿孔板厚度，m。K为与共振腔消声器消声性能有关的常数；V为空腔体积，m3；S为消声器通道横截面积，m2。(7-28)(7-27)共振腔消声器对频率为f声波的消声量为:消声量与频率比、系数K的关系见图7-26，工程设计中需要计算某一频带的消声量，最常用的为倍频程和1/3倍频程。改善消声性能的方法尽可能选择较大的K值。增大阻尼。在空腔内填充一些吸声材料，以增加共振腔消声器的声阻，使有效的消声频率范围展宽。采用多节共振腔消声器串联。各节的共振频率互相错开可有效地展宽消声频率范围。(7-29)(7-30)倍频带消声量：1/3倍频带消声量：设计共振腔消声器的几何尺寸：根据现场条件和所用的板材确定板厚、孔径及空腔深等参数，然后再设计其他参数。(7-32)(7-31)共振腔消声器的设计按降噪要求制定共振频率及频带所需的消声量并确定K值（按式7-28，或图7-26）求出共振腔的体积V和传导率G：设计时应注意：共振腔的最大几何尺寸都应小于共振频率波长的三分之一；穿孔位置应均匀集中在共振腔消声器内管的中部，穿孔范围应小于其共振频率相应波长的二分之一，孔心距应大于孔径的5倍；共振腔消声器也存在高频失效问题；增大共振腔深度、减小孔径、在孔径处增加阻尼可展宽共振腔消声器的有效消声频率范围。设计实例7.3.5 阻抗复合式消声器为了在较宽的频率范围内获得较好的消声效果，可把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器。7.3.6 微穿孔板消声器微穿孔板消声器用微穿孔板制作，是阻抗复合式消声器的一种特殊形式，为获得宽频带高吸声效果，通常用双层微穿孔板结构7.3.7 有源消声器有源消声器又称电子消声器，由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成。是利用电子技术产生一个与原噪声源信号大小相等、相位相反的新信号，以抵消原噪声源信号，从而达到消声的目的。7.3.8 消声器选用噪声源特性分析：消声器只适用于降低空气动力性噪声。噪声源的峰值频率应与消声器最理想、消声量最高的频率相对应。噪声指标确定：参照有关国家标准。消声量计算：应按噪声源测量结果和噪声允许标准的要求来计算消声器的消声量。选型与匹配：应按噪声器性质、频谱、环境的不同，选择不同类型的消声器：综合治理、全面考虑：消声器对机壳、管壁的辐射噪声无能为力7.3.9 消声器安装明确风机噪声源的部位。要选定在室内或室外安装消声器。消声器在室外时消声量可达到20dB以上，在室内靠近风机时最好效果可降到电机和机壳的噪声水平，即可降低1015dB。消声器到风机的距离为34倍管径。防止兰盘漏声漏气。管道最好捆扎吸声材料。通风管道中有水或粉尘时不易采用阻性消声器。进、排气消声器，对于通风机可互换使用，对鼓风机和压缩机千万不可互换使用。消声器要定时检修、以保证消声器的效果。