CN1247588A - 一种在气体介质传送系统中用来消音的装置与方法以及该装置在船舶排气系统中的使用 - Google Patents

Abstract

一种在气体介质传送系统中用于一个频带内实现消音的装置和方法,传送系统被置于一个与声源相连的入口和一个出口之间。传送系统包括多个互连的管道部件(1－7),并带有至少一个模块(8,9),模块包括至少一个带有阻抗长度(a₂,b₂)的反射衰减器(4)和至少一个带有被动长度(a₁,a₃,b₁,b₃)的被动衰减器(3)。阻抗长度等于频带中心频率的四分之一波长,而被动长度等于频带上下限频率之间一个频率的四分之一波长。

Description

一种在气体介质传送系统中用来消音的装置与方法 以及该装置在船舶排气系统中的使用

技术领域

本发明涉及一种在气体介质传送系统中用来消音的装置与方法，其类型描述于权利要求1的前序部分。气体传送系统的主要用途是船舶内燃机中的排气系统，其中排气系统出口产生的噪声须满足一定的关于噪声的预定要求。然而，本发明也可有利地应用于通风设备、如内燃机车辆中的排气设备或发电厂中的管道气体清洁装置。

背景技术

为了降低尤其是发自通风系统或排气系统孔口的噪声，公知的方法是在系统的气道中设置一个或多个消声器。消声器这个名称通常表示一个有能力消耗声能的装置。通过将声能转化为一些如热等的其他能量形式可消耗声能，这些其他能量可被转移和冷却。在下文中，阻抗衰减器这个名称指一个位于气道中的装置，其能够吸收声能，即能够将声能转化为其他能量形式。下文中的衰减器这个名称表示一种能够降低噪音的设备，而衰减表示降低噪音的特性。

阻抗衰减器的一个典型实施例是一个圆管或方管，其暴露在气流中的管壁覆盖上了吸音材料或带有小连通腔的多孔介质。在专利文献GB 2,122,256中描述了这种用于通风系统的普通声音衰减器。在美国专利文献2,826,261中，已公知另一种用于排气系统的阻抗衰减器。通常使用包含粘合剂的矿物棉或玻璃丝来作为吸音材料，其中粘合剂使吸音材料带有粘合结构。吸音材料也可用如穿孔板等透气表面层来保护，以在高气体流速下实现较长的服务寿命和更好的机械稳定性。这种阻抗衰减器将带有覆盖宽频范围的消音特性，该特性依赖于消音材料的厚度和流速，还依赖于衰减器的长度和内部面积。

对于低频区的消音，需决定吸音材料厚度与作为声音一部分的声波之比。在吸音材料厚度大于声音波长的四分之一时，可实现对该声音频段的满意消音。对于波长较长的低频区声音来说，消音特性则大幅降低。甚至当波长与吸音材料厚度之比大约为1/8时，吸收率只有比率为1/4时的一半，而比率为1/16时则只有比率为1/4时的20％。因为仍保持一定的吸收能力，在许多情形下通过增加气体传送系统中总吸音材料的长度可实现足够的消音。同样，气体传送系统的横截面积对于所实现的消音效果来说也是很重要的，因为随着横截面积增加，声音高频区的消音效果下降。

该阻抗衰减器的一个问题是：这样的话，吸音层必须厚，以能够吸收低频声音。这就需要一个大的体积。吸音材料较小的厚度也可通过加长衰减器的总长度来弥补。这将导致实现消音的成本增加。另一个问题是系统中的压力衰减须很有限。这将导致系统截面积相对较大。因此声音高频区的消音效果就下降了。消音特性还依赖于消音器在系统中放置的位置。经常出现这样的情况：在实验室中所得到的尤其是低频区的特性以及手册中说明的特性，在实际中很少能实现。为确保足够的消音效果，这导致尺寸将不得不大大加大。

另一个降低气体传送系统所发出声音的已知方法是阻止声音在管道中的传播。这可以通过在气体管道中设置反作用障碍来实现。一种这样的障碍可通过产生一个与管道中声音反相的声音来实现，可消除噪声。这种技术最好与所谓的主动消声结合使用。然后可通过置于管道中的扩音器来产生反向传播的声音。然而，为了使一个主动系统正常工作，需要控制非常严格的条件。

还有一种降低到达孔口处声音的方法：为在管道中传播的声波设置一个障碍。这种类型的消声器实际上不消耗能量，通常称为被动消声器。被动消声器主要根据两个原理来工作。第一种类型是反射消声器。其截面积逐渐增加，而面积增加产生一个反射波，其传播方向与原声音相反。从功能的观点来看，障碍可看成一个反射声音的壁。第二种类型是共振消声器，其影响管道中声音的传播。在这种情况下，障碍可看成是一个坑，行进的声音在通向孔口处的途中进入坑中而降低。

共振消声器包括两种主要类型，即四分之一波消声器和所谓的亥姆霍兹(Helmholtz)共鸣器。后者被调为单个频率，而四分之一波消声器被调为某种音调，且还影响其奇次谐波。四分之一波消声器通常包括一个与管道相连的封闭管，相应于需消除声音的四分之一波长。其消音特性通常覆盖一个非常狭窄的频率范围。被动消声器的一个问题是：体积必须根据待阻止声音的频率来调整。被动消声器的另外一个也是更难克服的问题是：对其在系统中的位置非常敏感。将声音看作是一个按脚步行进的东西，而将障碍看成是行进声音陷入的坑的话，很容易明白：正确地相应于脚步的长度来放置坑的开口是很重要的。一个不正确放置的坑意味着声音可毫无阻碍地通过。为得到最大限度的消声效果，四分之一波消声器的孔口因此须放置于管道中声音域的压力最大处。

还有大量以各种方式结合上述方法的装置。然而，通常的问题是：各种部件终止于不同的不起效果的位置。为弥补这些不可预见的特性，对于大的压力下降，传统消声器系统经常是大大加大尺寸，这导致设备昂贵、沉重和占用空间大。

对于气体传送系统中的消声器装置来说，如果气体的温度变化，则意味着更多的复杂性，因为声音的波长将随着温度而改变。如果气体的温度从20℃升至900℃，声波速度及波长增加两倍。因此，当气体被加热后，一个在常温下工作得很好的消声器的特性将恶化，尤其是低频区。这通常导致热气体传送系统中的消声装置变得非常庞大。热气体传送系统的一个另外的问题是凝结形成的危险。消声器中的吸音材料通常是绝热的，在这种情况下，消声器内部变得较冷，以致于在热气体中溶解的液体在这儿凝结。凝结的液体能够将气体中携带的如硫磺物和碳氢等燃烧残渣转化为其他物质，其中可腐蚀金属的酸。凝结还可导致系统中沉积微粒。

发明概述

本发明的目标是生产一种气体传送系统，从其发出的声音小于从传统已知系统发出的声音，且没有上述的缺陷。和利用已知技术制造的相应系统相比，该传送系统将更简单、占用空间更少、带有一个较小的截面积及不那么昂贵。系统将比传统的系统有更小的重量、在管道内更少产生空气动力学声音，并能够包括如排气锅炉、火花避雷器等系统部件。消声效果将能够根据系统中呈现的声学边界条件来调整，且对频率变化不很敏感。因为传送的气体经常是热的，系统将包括一个热隔离体，使得外侧管道可以被接触，而在系统的内部不产生凝结。系统的维护将是简单的，由可拆卸部件组成。

这通过符合本发明的一种传送系统和一种方法来实现；传送系统用于气体介质，其特征在权利要求1的特征部分来叙述；方法的特征在权利要求7的特征部分来叙述。有利的实施例在相关独立权利要求的特征部分来叙述。

声音在气体中以平移运动来传播，气体分子交替变密变稀。这导致相对的压力最大值和压力最小值。当一个声源在一个房间中产生声音时，出现一个由将房间特征化的声学边界条件所导致的声场。可以认为：房间对声源产生了一个响应。声场由空气分子组成，在某些位置分子运动得非常激烈，而在另外的位置分子运动较小，甚至是静止的。在那些分子静止的位置，相对空气压力较高；在那些分子速度较大的位置，相对空气压力较低。对于每个声音频率，依赖于房间的边界条件和声源产生该频率声音的强度，产生的模式多多少少被加强。在下文中，上述压力最小值称为节点。在节点之间，声场呈现一个振型，其振动运动称为振幅。

在一个排气系统中，其中气体通过管道至孔口处，与在房间中产生声场的相同方式来产生一个声场，该声场由管道中的边界条件决定。另外，声能本身有一个清楚表达的运动方向，即从声源至孔口。声音在通往孔口途中服从的声学边界条件因此决定于管道有限表面的特性。孔口处的声学边界条件很复杂，因为孔口特别的形状以及高压热气体流入常温常压空气时的现象影响声音的产生。在孔口处，行进的声音受到一个强烈的反射，其中部分声能沿反方向传回。反射的声音产生一个声场，在管道中形成持续的声波。在一个不消声的管道系统中，声场几乎全部由反射声波所决定。这样，带有明确的节点和大振幅的持续声波就加入了生成的声场中。

通过在管道系统中引入消声，声场被削弱了。实验显示：在这些条件下，局部控制管道中产生的声场是可能的。每次截面增加形成一个反射波，部分传播的声能在此被反射回去。在一个渐细的细长管道系统中，这意味着：声场中的一个节点位于这样一个截面增加处。本发明利用了这一点，利用的方式是：节点位置用来决定反射消声器的最佳长度和被动消声器孔口的最佳位置，反射消声器也可包括阻抗衰减特性。

为限制气体传送系统的体积，在管道系统中安置了带有中等厚度吸音材料的阻抗衰减器。这样对于高频声音可得到一个好的消音效果。对于低频声音，通过一个接一个地安置多个阻抗衰减器也可得到好的消音效果。这样通过更长的阻抗衰减器的总长度弥补了较差的吸音能力。

在低频区，行进波更多地将一个阻抗衰减器认为是一个反射衰减器。因为管道系统是渐细的，声场被如此安排，使得声场中的节点位于截面变化处。结果，为在某个声音频率处得到好的衰减效果，放置一个四分之一波衰减器，使其孔口的位置距截面增加处为四分之一波长。在某个频率声音的两个节点之间，距离为半个波长。在这些节点间的中点，即距节点为四分之一波长的距离处，压力幅值最大。在这个位置，气体分子的运动最少，四分之一波衰减器就放置在这儿。所述方法也使得这成为可能：最佳地安排四分之一波衰减器的长度，使其与管道长度相符。

通过将带有阻抗衰减特性的反射衰减器和被动衰减器适当地结合，实验表明可以控制管道中的声场，且通过位置的选择，可制成带有可预知的、最优化的衰减特性的衰减器。当放置一个被动衰减器于一个反射衰减器的任一侧时，实验表明：在低频区，可在一个相应于第三倍频程的带宽上实现一个相当大的衰减效果。一个第三频段包括一个倍频程的三分之一，即相应于约为中心频率24％的带宽。

附图说明

将通过参考附图对一个实施例的描述来更详细地解释本发明，其中：

图1显示了一个由符合本发明的阻抗和被动衰减器组成的传送系统，

图2显示了一个阻抗衰减器的截面，及

图2显示了一个被动衰减器的截面。

优选实施例描述

图1显示了一个符合本发明的用于气体介质的传送系统。所示的传送系统是一个用于船用柴油发动机的排气系统。发动机(图中未示)排出的废气通过置于排气系统下方的入口管1，经过管道气体清洁设备6，进入一个热交换器2。在热交换器中，热气体部分多余的热量被取出来用于加热水或油。从热交换器出来的气体进一步通过排气管道的一个消声部件，其包括多个被动消声器3和多个包含某种形式吸音材料的阻抗反射衰减器4。在排气系统的上方，废气通过一个火花避雷器5后进入出口管7，出口管与一个被烟堆(图中未示)包围的孔口(图中未示)相连。管道中传送的气体是热的，通常带有约400℃的温度。小燃烧微粒随着气体被传送，在溶解于气体中的液体凝结时，微粒形成一些其他物质，其中酸可导致金属的腐蚀损坏。

根据本发明，排气系统的消音部件被设计成带有均匀厚度的外径。这形成一个带有均匀厚度的细长管道系统，其允许排气系统容纳在一个最佳的节省空间的总体积。包括在系统中的阻抗反射衰减器4用于有效吸收高中频声音。在频率降低，吸音能力会下降。然而，通过在管道中安排许多个阻抗反射衰减器，对于低频区的高端也可实现足够的吸收。根据本发明，传统的耗费空间的管道系统的消音效果被更长的阻抗衰减的总长度所弥补了。

在低频区，阻抗反射衰减器4只起反射衰减器的作用，在这种情况下，某些频率的声能沿声音传播的反方向被反射回去。因此管道中的声场可适应自身，使得声场中的压力节点位于在管道中的那个截面积改变的位置。根据本发明，这一点以这样的方式来利用：将被动衰减器3的孔口安排于距所限定的压力节点四分之一波长处。原因是：如果其孔口置于两个节点间中点的声压最大值处，即距其中一个节点四分之一波长的距离，被动衰减器的作用发挥得最好。

对于一个四分之一波衰减器，衰减器的长度等于反射衰减器和四分之一波衰减器之间的长度。这允许四分之一波衰减器有利地平行于管子延伸，且其封闭端朝向反射衰减器。因此排气管道可被设计成带有均匀厚度的外径。四分之一波衰减器的长度也恰好与反射衰减器边缘及四分之一波衰减器孔口之间的距离相等。此后该长度将被称为被动长度，这样包括从反射衰减器到孔口的距离以及四分之一波衰减器的长度。

反射衰减器有这样的衰减特性：对于四分之一波长的偶数倍相应于衰减器长度的频率来说，衰减器将给出大的衰减。在频率范围的高低两端，衰减效果下降；对于半波长的倍数相应于衰减器长度的频率来说，衰减为零。这种模式导致反射衰减器对于基频和基频的偶次谐波有效；基频的波长为衰减器长度的四倍。因此在低频区，利用的是阻抗反射衰减器的反射特性。阻抗长度等于反射衰减器的长度，此后将被称为阻抗长度。这儿应说明：低频区的阻抗衰减器可用反射腔或排气系统中一些其他呈现截面变化的单元来等价替换。

共振衰减器在一个狭窄频带内吸音。四分之一波衰减器的衰减特性与声音四分之一波长的奇数倍有关。然后，在频域的高低两端，衰减效果急速下降。使四分之一波衰减器能发挥衰减效果的一个条件是：其孔口置于系统中，使得共振运动能开始。只当孔口位于声场中的所关心频率有压力最大值的点时，其才能有效起作用。四分之一波衰减器最好用于衰减系统中的纯音。因此，如果将其置于距反射衰减器四分之一波长处，其效果是最好的。当将其置于阻抗衰减器之前或之后时，可通过选择合适的阻抗长度和被动长度来使其消音能力和低频带宽达到最佳。

实验表明：三个消声器单元组成的一个模块在低频区呈现出非常有效的消音特性。相当宽频带内的声音可用这种方法来有效衰减。根据本发明，衰减器分别安排于模块8和9，各模块包括至少一个阻抗反射衰减器4和至少一个被动衰减器3。图1显示了两个模块，每个模块包括一个阻抗反射衰减器4，其被安置于两侧的被动衰减器3所包围，其中孔口背离反射衰减器。这种模块的总长度A和B分别为三个单元的长度a和b之和，每一个包括欲实现衰减频带的中心频率的四分之三波长。置于流入方向前端的被动衰减器3b和3d适合被调整用于频带的下限频率。置于阻抗反射衰减器之后的被动衰减器3c和3e适合被调整用于频带的上限频率。阻抗长度a₂和b₂分别适合于与所述中心频率的四分之一波长相对应。被动长度a₁和b₁分别适合于与下限频率的四分之一波长相对应。被动长度a₃和b₃分别适合于与上限频率的四分之一波长相对应。

在相应于第三频段量级频带的理想衰减功能的情况下，带宽约为中心频率的24％。为得到这样的衰减功能，被动长度被调整为对应于分别为第三倍频程频带中心频率之下12％和之上12％的频率的四分之一波长。显示于图1的阻抗长度a₂和b₂分别对应于第三倍频程频带中心频率的四分之一波长。被动长度a₁和b₁分别对应于阻抗长度a₂和b₂分别乘上系数1.14。同样，对于上限频率，被动长度a₃和b₃分别等于阻抗长度a₂和b₂分别除以系数1.14。实验表明，利用所述模块，可在由第三倍频程频带组成的频带上实现约15分贝(dB)的衰减。当两个模块互连时可实现协作效果，在这种情况下模块互相配合，使得总消声效果延伸至整个倍频程频带上，即三个第三倍频程频带。因此，实现这一点无需在模块间放置阻抗反射衰减器。

图2显示了包括在传送系统中的阻抗反射衰减器4。消声器包括一个圆柱形容器10，其两端都安置了一个锥形连接片11，用于安装一个最好是圆形的凸缘12，以和系统中的连接单元相连。容器10、连接片11和凸缘12用抗热材料制成，如金属，最好是不锈钢。在容器中安置了形成与凸缘12内部13相符的通道的圆柱吸收体14。在容器内部和吸收体外部之间，布置了用于气体通过的管道15，管道沿着容器的整个内部以一个横截面延伸。在容器外侧安置了一个温度安全保护装置27。温度安全保护装置被合适地设计为带有耐脏、机械耐久外表面的隔热薄层。

吸收体14包括一个带有耐热吸音材料的圆柱形体，材料最好是带有长纤维的绒线，被压缩于内保护层16和外保护层17之间。比如，吸音材料可由玻璃丝或矿物棉制成，也可使用其他陶瓷或合成纤维。包围吸音材料的内保护层16和外保护层17在端部通过圆形末端部分18连接在一起。在容器两端的末端部分18和相对的连接片11的内侧之间，设置了通向管道15的一个孔口和一个出口。保护性吸音材料居中放置，并通过多个纵向延伸的分隔条19附着于容器内侧而固定于容器中。内外保护层被布置得部分暴露出吸音材料，并由耐热材料制成。保护层最好由穿孔不锈钢板或耐腐蚀网制成。实验表明，引入气体通过的管道15不会使吸音有任何明显的退化。因此，与容器10内部和吸音材料内保护层16之间的吸音材料厚度相对应的消音特性是非常期望的。

设置于容器10内部的管道15的任务是：允许部分流经消声器的热废气通过。因为热气体的通过，容器内侧可达到150℃，这可以防止溶解于气体中的液体凝结在容器内侧。被这样加热的内侧必须是隔热的，使得从外侧接触系统时不会引起人员伤害。因此，温度的目标是55℃。出于这个原因，设置了温度安全保护装置27，以实现系统外侧的温度安全。

图3显示了包括在传送系统中的被动消声器3。消声器包括一个圆柱形容器20，其两端都安置了一个锥形连接片21。一个最好是圆形的凸缘22固定于连接片上，用于和系统中的连接单元相连。容器20、连接片21和凸缘22用耐热材料制成，如金属，最好是不锈钢。在容器20中设置了圆柱形传送管24，其形成与凸缘22的内侧23相符的通道。管的末端与凸缘22的内侧相连，在容器20和传送管24之间有一个围成的容积25。在管24的一端设置了多个开口26，将容积25与气体传送管道相连。

设置于传送管24中的开口26的总开口面积，与传送管内截面积的数量基本相等。开口被设置得沿切向延伸，这样可限制其沿衰减器纵向的延伸。传送管道截面积与被动衰减器的容积25的截面积的比率应该是相等的。如果减小该面积，消音效果将变差，频率变窄。如果增加该面积，又会引起更大更多的宽带效果。因此，只有所允许的总体积限制所得到的能力。以阻抗衰减器所用的同样方式，在容器20外侧设置了一个温度安全保护装置27。在容器内侧，在调整后的容积25内设置了一个隔热体28，其也提供一定的消音功能。对于这个位置，外侧隔热的需要下降了，同时产生一个更多的宽带被动衰减特性。

虽然很有利，但管道系统并不限于包括一个带有圆形一圆柱形截面的管道系统。本发明可应用于带有多边形截面的系统、以及纵向弯曲截面的系统。

虽然实验已表明由两个被动衰减器和一个阻抗衰减器组合成的模块有非常好的消音特性，但一个被动衰减器和两个阻抗衰减器的组合在低频区可产生显著的消音效果。在这种情况下，总的阻抗长度即反射衰减器的长度为波长的一半。因此反射衰减器呈现这样的衰减特性：在标准频率(dimensioning frequency)处的衰减为零，但在频率升高和降低时，衰减大大增加。然而，包括在模块中的四分之一波衰减器的衰减效果集中在标准频率(dimensioning frequency)上。因此利用两个衰减器之间的配合，可在一个很宽的频带上得到衰减效果。

通过实验，还表明至少一个反射衰减器和至少一个被动衰减器的每种组合都可提供较好的宽带消音效果。需要决定的是被动长度与阻抗长度的比率。为得到最好的效果，阻抗长度和被动长度须基本相等。

在气体传送系统的孔口处，产生一个强烈的反射波，一个压力节点位于该处。根据本发明，通过放置一个孔口背离系统孔口的被动衰减器(3f)来利用这种情形。也可同样地安置被动衰减器，使其孔口置于距系统孔口的四分之一波长处，而衰减器背离系统的孔口延伸。

Claims (10)

1.一种在气体介质传送系统中用于消音的装置，气体介质位于与声源相连的入口和出口之间；传送系统包括多个互连的管道部件(1-7)，其形成至少一个模块(8，9)，模块包括至少一个带有阻抗长度(a₂，b₂)的反射衰减器(4)和至少一个带有被动长度(a₁，a₃，b₁，b₃)的被动衰减器(3)，其特征在于，阻抗长度和被动长度基本相同。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个模块(8，9)由一个反射衰减器(4)和一个置于反射衰减器任一侧的被动衰减器(3)组成。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，阻抗长度(a₂，b₂)与被动长度(a₁，a₃，b₁，b₃)的比率在0.85到1.15的间隔内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，反射衰减器(4)包括一个容器(10)，其中安置了一个吸收体(14)，在容器和吸收体之间设置有一个管道，部分被传送的气体流经该管道。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，被动衰减器(3)包括一个容器(20)和一个被容器包围的传送管(24)，在容器和传送管体之间围成了一个容积(25)，其横截面积基本等于受传送管限制的气体传送管道的横截面积。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在传送管(24)与围成的容积(25)之间的开口(26)总面积基本等于管(24)的截面积。

7.一种在气体介质传送系统中用于一个频带内消音的方法，传送系统带有多个互连的管道部件(1-7)，在传送系统中至少设置一个模块(8，9)，模块包括至少一个带有阻抗长度(a₂，b₂)的反射衰减器(4)和至少一个带有被动长度(a₁，a₃，b₁，b₃)的被动衰减器(3)，其特征在于，阻抗长度构成频带中心频率的四分之一波长，而被动长度构成频带上下限频率之间一个频率的四分之一波长。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，至少设置一个带有一反射衰减器(4)和一被动衰减器(3)的模块(8，9)，反射衰减器有一个阻抗长度，等于频带中心频率的半波长，而被动衰减器有一个被动长度，等于频带中心频率的四分之一波长。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，至少设置一个模块(8，9)，带有一个反射衰减器(4a，4b)，其一端连接一个第一被动衰减器(3b，3d)，另一端连接一个第二被动衰减器(3c，3e)；第一被动衰减器有一个被动长度，等于频带下限频率的四分之一波长，而第二被动衰减器有一个被动长度，等于频带上限频率的四分之一波长。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的在气体介质传送系统中用于消音的装置，或根据权利要求6-8，用于实现气体介质传送系统中一个频带内消音的方法，使用于船舶的排气系统中。

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