1、消聲的基本概念

在一個(gè)房間、隔聲艙室等封閉空間中，往往需要通風(fēng)、散熱等方面的要求，就需要在室內(nèi)空間中設(shè)計(jì)與外界進(jìn)行氣流交換的開(kāi)口或風(fēng)管。開(kāi)口或風(fēng)管在實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空間與外界的氣流交換外，也形成與外界聲傳播的通道。為了保證使用空間的噪聲指標(biāo)的要求，需要阻隔由此帶來(lái)的噪聲傳播。既能允許氣流通暢通過(guò)，又能有效阻止或衰減聲能傳播的裝置，統(tǒng)稱(chēng)為消聲器。

消聲和隔聲都是通過(guò)降低聲能量傳輸(傳聲損失)來(lái)阻礙噪聲傳播的，隔聲是在聲傳遞路徑中采取阻隔的方式來(lái)達(dá)到傳聲損失，而消聲是在傳遞路徑中通過(guò)聲能量的吸聲消耗或者來(lái)回反射消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)傳聲損失。因此，通常的隔聲構(gòu)造的壁板的厚度在幾~幾十厘米的范圍，而需要較大的面積來(lái)對(duì)空間進(jìn)行圍蔽；通常消聲器的長(zhǎng)度則在幾~十幾米的范圍，需要通過(guò)較長(zhǎng)的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)聲能的衰減，滿(mǎn)足通風(fēng)的要求而不需要非常大的面積。

如果要滿(mǎn)足建筑物內(nèi)、外噪聲的要求，幾乎沒(méi)有哪個(gè)民用或工業(yè)技術(shù)的房間的機(jī)器和空調(diào)設(shè)備可以不配備消聲器。在大型的工業(yè)企業(yè)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)往往是最主要的噪聲源，必須對(duì)整個(gè)通風(fēng)管路系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)的消聲設(shè)計(jì)規(guī)劃，才能保證達(dá)到室內(nèi)、外噪聲控制的驗(yàn)收要求。在民用建筑的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中，必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)的消聲設(shè)計(jì)，才能確保室內(nèi)噪聲達(dá)到滿(mǎn)足使用功能的設(shè)計(jì)指標(biāo)(如在“噪聲評(píng)價(jià)量-A計(jì)權(quán)-NR-NC曲線(xiàn)”等相關(guān)技術(shù)分享中介紹的NR、NC以及RC曲線(xiàn)等)的要求。因此，消聲器廣泛應(yīng)用于噪聲控制技術(shù)中、室內(nèi)聲環(huán)境設(shè)計(jì)中。

下圖中分別給出了a) 需要保持室內(nèi)聲環(huán)境安靜情況下消聲器的運(yùn)用方式，以及b) 需要隔絕高設(shè)備噪聲源對(duì)外界噪聲影響情況下消聲的運(yùn)用方式。這兩種情況都采取了隔聲措施將噪聲源與需要安靜的環(huán)境空間進(jìn)行了隔離，但是由于通風(fēng)換氣、熱交換等多方面的因素，隔聲壁面上必須設(shè)置供氣流通過(guò)的開(kāi)口。從“隔聲降噪技術(shù)-6 組合構(gòu)件的隔聲性能”中的介紹，我們知道，開(kāi)口的設(shè)置將大大降低圍蔽空間的隔聲性能，必須降低開(kāi)口處的聲能透射。因此，采用消聲器來(lái)達(dá)到衰減開(kāi)口的聲能透射。

圖1 室內(nèi)安靜環(huán)境的傳聲路徑及降噪途徑

圖2 噪聲設(shè)備向外傳聲路徑及降噪途徑

(消聲百頁(yè))

(消聲百頁(yè))

2、消聲器性能的評(píng)價(jià)量

消聲器既需要阻止或衰減聲能的傳播，又需要保證氣流的通過(guò)，因此，對(duì)消聲器性能的評(píng)價(jià)也包含了聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力性能2方面技術(shù)參數(shù)的要求。當(dāng)然，實(shí)際工程應(yīng)用中還需要考慮消聲器的機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、外觀以及價(jià)格等方面的要求。
2.1 聲學(xué)性能

消聲器能有效消聲的頻率有一定的范圍，消聲性能良好的消聲器要求具有足夠?qū)挼南�聲頻率范圍，并且在所需要的消聲頻率范圍內(nèi)具有足夠高的消聲效果。

消聲器的聲學(xué)性能或降噪能力通常用消聲量來(lái)表征。測(cè)量方法不同，所得消聲量的內(nèi)涵和數(shù)值也不同。當(dāng)消聲器內(nèi)沒(méi)有氣流通過(guò)而僅有聲波通過(guò)時(shí)，測(cè)得的消聲量稱(chēng)為靜態(tài)消聲量；當(dāng)有氣流和聲波同時(shí)通過(guò)時(shí)，測(cè)得的消聲量稱(chēng)為動(dòng)態(tài)消聲量。

消聲器的消聲性能通常用傳聲損失或插入損失來(lái)評(píng)價(jià)。
2.1.1 傳聲損失(Transmission Loss,TL)
傳聲損失Dt定義為消聲器進(jìn)口端的輸入聲功率級(jí)和出口端透射出的聲功率級(jí)之差，用公式可表示為：

式中，Lwi為消聲器進(jìn)口端輸入聲功率級(jí)，Lwo為消聲器出口端輸出聲功率級(jí)。單位均為dB。

圖3 傳聲損失及測(cè)量方

需要注意的是，傳聲損失定義的消聲器兩端的聲功率級(jí)之差，而不是聲壓級(jí)之差。如果消聲器進(jìn)口端與出口端的截面積相同，并且可以近似假定聲壓沿截面均勻分布，這時(shí)傳聲損失也就等于入射聲與透射聲的聲壓級(jí)之差。

如果受測(cè)量條件的限制，難以測(cè)量得到聲功率級(jí)，而只能獲得兩端的聲壓級(jí)時(shí)，這種情況下得到的是末端聲壓級(jí)差值，有的也稱(chēng)為末端降噪量。末端降噪量受測(cè)量環(huán)境的影響較大，并容易產(chǎn)生較大的誤差。

傳聲損失嚴(yán)格地是消聲器本身所具有的屬性，與管道系統(tǒng)和噪聲源無(wú)關(guān)。因此，傳聲損失是實(shí)驗(yàn)室表征消聲器聲學(xué)特性的參量，適宜于進(jìn)行消聲器理論分析和效果檢驗(yàn)。
2.1.2 插入損失(Insertion Loss, IL)

插入損失Di定義為管道中安裝通風(fēng)消聲器前后，在消聲器下游測(cè)量的聲功率級(jí)差值，用公式表示為：

式中，Lw1為安裝消聲器前風(fēng)管下游測(cè)量的聲功率級(jí)，Lw2為安裝消聲器后風(fēng)管下游測(cè)量的聲功率級(jí)。單位均為dB。

圖4 插入損失及測(cè)量方法

如果安裝消聲器前后，聲場(chǎng)分布情況近似保持不變，那么插入損失等于在給定測(cè)點(diǎn)處，裝置消聲器前后聲壓級(jí)之差。

嚴(yán)格地說(shuō)，插入損失只能反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)(包括消聲器、管道及噪聲源)在裝置消聲器前后聲學(xué)性能的變化，并不能直接反映消聲器本身的消聲性能。也就是說(shuō)，插入損失不是消聲器單獨(dú)具有的屬性。

由于插入損失比較容易測(cè)量，并且能夠直觀反映安裝消聲器后的實(shí)際效果，因此在噪聲控制工程中應(yīng)用較多。但需注意插入損失不僅與消聲器本身的特性相關(guān)，而且也與聲源的阻抗特性和出口端的負(fù)載特性密切相關(guān)，這一點(diǎn)對(duì)抗性消聲器特別明顯。

下圖中給出了在一管路系統(tǒng)中，對(duì)一擴(kuò)張式消聲器分別采用插入損失和傳聲損失評(píng)價(jià)得到的消聲量頻譜曲線(xiàn)，可以看出由于單元尺寸的簡(jiǎn)單倍數(shù)關(guān)系，插入損失消聲量曲線(xiàn)中出現(xiàn)了明顯的管道共振，所得到的結(jié)果為管路系統(tǒng)與擴(kuò)張式消聲器組合起來(lái)的結(jié)構(gòu)的傳聲性能。

圖5 管路系統(tǒng)中插入損失及傳聲損失的對(duì)比
2.1.3 消聲量的單值評(píng)價(jià)量
插入損失、傳遞損失消聲量通常按照1/1倍頻程或1/3倍頻程來(lái)表表述。根據(jù)消聲器的各個(gè)1/1倍頻程或1/3倍頻程的消聲量和安裝消聲器前后測(cè)點(diǎn)聲場(chǎng)的頻譜特性，則能計(jì)算消聲器的單值A(chǔ)計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)量。
以插入損失為例，A計(jì)權(quán)插入損失的計(jì)算公式為：

式中：

LWA1——安裝消聲器前測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，dB；

LWA2——安裝消聲器后測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，dB；

——安裝消聲器前的測(cè)點(diǎn)第i個(gè)1/3倍頻程或倍頻程聲壓級(jí)，dB；

——第i個(gè)1/3倍頻程或倍頻程的A計(jì)權(quán)修正值，dB；

Di  ——第i個(gè)1/3倍頻程或倍頻程的消聲器插入損失，dB；

i    ——1/3倍頻程或倍頻程的序號(hào)。

在根據(jù)A計(jì)權(quán)消聲量來(lái)評(píng)價(jià)和選用消聲器時(shí)，需要注意消聲性能測(cè)試時(shí)的噪聲源的頻譜特征。在采用白噪聲或粉紅噪聲進(jìn)行消聲性能測(cè)試時(shí)，由于噪聲頻譜的差異，得到的A計(jì)權(quán)消聲量將有所不同，因此它并不是消聲器單獨(dú)具有的屬性。實(shí)際使用中應(yīng)關(guān)注A計(jì)權(quán)消聲量的噪聲源的頻譜特征。在最新發(fā)布的《19K116-5 XZK阻抗復(fù)合型消聲器選用與制作》圖集中，以及已經(jīng)編制完成即將頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)消聲器》中，都明確了A計(jì)權(quán)消聲量的噪聲源頻譜特征。在消聲器的選用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用條件下噪聲源的頻譜特性，選擇與之最接近的A計(jì)權(quán)消聲量，才能更好地達(dá)到預(yù)期的消聲效果。

下圖中給出了一般電機(jī)噪聲頻譜、常見(jiàn)的空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)噪聲平均值頻譜，與常用的測(cè)試白噪聲、粉紅噪聲以及紅噪聲等噪聲源頻譜的關(guān)系。(最新編制的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)消聲器》中引入了紅噪聲A計(jì)權(quán)消聲量的概念。)

圖6 典型電機(jī)噪聲頻譜與測(cè)量聲源頻譜的比較

圖7 典型空調(diào)風(fēng)

噪聲頻譜與測(cè)量聲源頻譜的比較

2.2 空氣動(dòng)力性能

消聲器的空氣動(dòng)力性能是評(píng)價(jià)消聲器的另一重要指標(biāo)，它反應(yīng)了消聲器對(duì)氣流的阻力影響。消聲器對(duì)所通過(guò)的氣流的阻力要小，即安裝消聲器后所增加的壓力損失或功率損耗要在允許的范圍內(nèi)，不能影響設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)要求氣流通過(guò)消聲器時(shí)產(chǎn)生的氣流再生噪聲級(jí)，遠(yuǎn)低于消聲器出口端的期望噪聲級(jí)。消聲器的空氣動(dòng)力性能通常用阻力系數(shù)或壓力損失來(lái)表示。

氣流在管道中流動(dòng)時(shí)，如果流速不太大，聲壓級(jí)也不太高，那么按照時(shí)間平均來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為氣體的密度近似保持不變(不可壓縮流體)。如果流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生機(jī)械能的損耗，那么沿流動(dòng)方向上的氣體靜壓Ps與單位體積氣體的動(dòng)能的總和保持不變，即：

這一關(guān)系式就是伯努利方程。單位體積氣體的動(dòng)能叫做動(dòng)壓，記為Pv，靜壓和動(dòng)壓的總和叫做全壓，記為Pt。上式表明，在不發(fā)生機(jī)械能損耗時(shí)，氣體的全壓沿流體方向保持不變。他們的單位均為Pa(噪聲控制工程中經(jīng)常用毫米水柱()為單位，1≈10Pa)。
2.2.1 壓力損失

當(dāng)氣流通過(guò)消聲器時(shí)，一般將發(fā)生機(jī)械能的損耗現(xiàn)象，在消聲器的進(jìn)口端與出口端之間的氣體全壓會(huì)有一定的降低。這一氣流通過(guò)消聲器前后所產(chǎn)生的壓力降低量就叫做壓力損失，或者說(shuō)，壓力損失就是消聲器前后氣流管道內(nèi)的平均全壓差值。如果消聲器進(jìn)口端與出口段的截面面積相同，那么氣流的平均流速相同，動(dòng)壓相等，則壓力損失就等于消聲器進(jìn)口端與出口段管道內(nèi)的平均靜壓差值。壓力損失用公式可表示為：

式中，為消聲器壓力損失，為消聲器前管道內(nèi)的平均全壓，為消聲器后管道內(nèi)的平均全壓。單位均為Pa。

消聲器的壓力損失除了與消聲器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)外，還會(huì)隨著消聲器的氣流速度發(fā)生變化，同樣的消聲器在設(shè)計(jì)的不同迎面風(fēng)速條件下，壓力損失也不同。因此，消聲器在不同氣流速度條件下的壓力損失值應(yīng)分別給出，或者說(shuō)，在給出壓力損失時(shí)應(yīng)同時(shí)給出氣流速度條件。

圖8 空調(diào)通風(fēng)管路中的壓力變化關(guān)系

2.2.2 阻力系數(shù)

阻力系數(shù)是指通過(guò)消聲器前后的壓力損失與氣流動(dòng)壓值的比值，用公式可表示為：

式中，消聲器前后全壓差(壓力損失)，Pv為消聲器內(nèi)的動(dòng)壓。單位均為Pa。

用噪聲控制工程中常用的毫米水柱(mmH2O)為單位時(shí)，動(dòng)壓的表達(dá)式為：

式中，g為重力加速度(m/s2)，v為消聲器內(nèi)的平均氣流速度(m/s)。

阻力系數(shù)能比較全面地反應(yīng)消聲器的空氣動(dòng)力性能。根據(jù)消聲器的阻力系數(shù)就可以求得不同流速下的壓力損失值。
2.3 消聲器的類(lèi)型

消聲器的種類(lèi)很多，根據(jù)消聲器的原理不同，大致可以分為四大類(lèi)型：阻性消聲器、抗性消聲器、排空消聲器和有源消聲器。其它各種消聲器，其消聲原理都可歸結(jié)為這幾種或者他們的組合，如微穿孔消聲器、阻抗復(fù)合消聲器、小孔噴注消聲器等。
2.3.1 阻性消聲器

阻性消聲器(dissipative silencer)的消聲原理是利用裝置在管道內(nèi)吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲作用，使得沿管道傳播的噪聲不斷地被吸收，從而達(dá)到消聲的目的。在聲電類(lèi)比中，吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于交流電路中的電阻，所以稱(chēng)這種消聲器為阻性消聲器。阻性消聲器的特點(diǎn)是能在較寬的中高頻范圍內(nèi)消聲。

圖9 抗性和阻性消

2.3.2 抗性消聲器

抗性消聲器(reactive silencer)的消聲原理是利用管道中聲學(xué)性能突變處的聲反射作用，例如管道截面突然擴(kuò)張(或收縮)或旁接共振回路等，使得沿管道傳播的一部分噪聲在突變處向聲源反射回去而不通過(guò)消聲器，從而達(dá)到消聲的目的�？剐韵�聲器并不直接吸收聲能。在聲電類(lèi)比中，它的作用相當(dāng)于交流電路中的抗性元件，所以稱(chēng)這種消聲器為抗性消聲器�？剐韵�聲器的特點(diǎn)是能在低中頻范圍內(nèi)有選擇地消聲。

2.3.3 排空消聲器

排空消聲器的消聲原理在于控制或改變氣體動(dòng)力性噪聲源的發(fā)聲性能，使得噪聲源輻射的可聽(tīng)聲的聲功率降低，從而在聽(tīng)覺(jué)上達(dá)到消聲的目的。與阻性、抗性消聲器相比，排空消聲器的特點(diǎn)是在聲源處消聲而不是在噪聲傳播途徑中消聲。
2.3.4 有源消聲器

有源消聲器是利用有源消聲的原理構(gòu)成的消聲器，即在噪聲場(chǎng)中，用電聲器件和電子設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)的聲壓大小相等、位相相反的聲波，使在一定區(qū)域內(nèi)與原來(lái)的聲場(chǎng)相抵消的消聲器。有源消聲器在抑制低頻噪聲方面有顯著的優(yōu)點(diǎn)，并且?guī)缀醪挥绊懺瓉?lái)氣流的動(dòng)力性能。