高通滤波器在消声器上的应用研究

高通滤波器在消声器上的应用研究

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。
2.1 高通滤波器原理
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：
τw＝1/［１＋（ｓ０／２ＳＫｌ）２］　（１）或
τw＝1/[1+(cｓ０／4πf·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，τw→0，而当f大即频率向高频变化时，τw→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τw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＋（ｎｓ０／２mＳＫｌ）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。