周其顯，牛 瑞，王宏宇

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇南京211800）

1 引言

吸附式干燥裝置工作時(shí)產(chǎn)生的再生氣體排放噪聲、再生轉(zhuǎn)換氣流沖擊噪聲等，成為環(huán)境噪聲污染的主要因素。且再生過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生大量水氣，以及吸附劑脫落物和固體顆粒，堆積易造成排污口堵塞，引起再生氣流不暢，再生壓力上升，不利于干燥劑的活性恢復(fù)，為下一周期的吸附埋下了隱患[1]。

針對(duì)吸附式干燥裝置排污消聲器的上述工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠快速卸放、排污降噪的阻抗復(fù)合式消聲器，在滿足吸附式干燥裝置工作性能的同時(shí)，能有效解決了環(huán)境噪聲污染問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 消聲原理

消聲器是一種在允許氣流通過(guò)的同時(shí)，又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置，按降噪原理，消聲器可以分為阻性消聲器和抗性消聲器。

其中，阻性消聲器利用多孔吸聲材料將吸收聲能轉(zhuǎn)化為熱能原理來(lái)降低噪聲，抗性消聲器則是利用截面突變改變聲傳播阻抗來(lái)降低由消聲器向外輻射的聲能，以達(dá)到消聲目的。阻性消聲器對(duì)中高頻消聲效果好，而抗性消聲器對(duì)低、中頻帶消聲效果好。

2.2 基本原則

吸附式干燥器排污消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

（1）聲學(xué)性能要求：要求具有較高的消聲量和較寬的消聲頻率，即在所需要的消聲頻率范圍有足夠大的消聲量。吸附式干燥裝置工作時(shí)除了正常的再生氣體排放噪聲外，還有非常大的再生轉(zhuǎn)換氣流沖擊噪聲，該噪聲主要以高頻沖擊噪聲及輻射噪聲為主，流速快、沖擊力大，對(duì)消聲器整體結(jié)構(gòu)和消聲性能有很大響。

（2）空氣動(dòng)力性能要求：安裝消聲器后所增加的阻力損失，要控制在裝置容許的范圍內(nèi)[2]。在滿足降低環(huán)境噪聲同時(shí)，還必須具備快速排放的特點(diǎn)，防止排污口背壓增高，影響氣動(dòng)閥乃至裝置的性能、增加裝置的能耗（壓力損失）。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)要求：再生廢氣中含有較多的固體顆粒、油水混合物等雜質(zhì)，低溫條件下會(huì)在閥口結(jié)冰堵塞，影響整機(jī)性能。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保障再生廢棄物的順利卸放。

事實(shí)上，降低噪聲與減少壓力損失是一對(duì)矛盾，吸附式干燥裝置的再生排污消聲器設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮這對(duì)矛盾體。此外，設(shè)計(jì)再生排污消聲器時(shí)還必須考慮到排氣噪聲污染、排氣過(guò)程對(duì)閥芯的振動(dòng)影響等。

圖1 阻抗復(fù)合排污消聲器結(jié)構(gòu)組成

圖2 阻抗復(fù)合排污消聲器的聲波傳輸路徑

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)噪聲傳播理論，降低排污噪聲可以從聲源和傳播途徑2個(gè)方面開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即降低排污過(guò)程中的沖擊噪聲和輻射噪聲?？剐韵暺鲗?duì)環(huán)境適用性（高溫、腐蝕、雜質(zhì)、氣流沖擊） 比阻性消聲器好[3]，該特性非常適合吸附式干燥裝置的再生排污要求。目前，大多數(shù)吸附式干燥裝置均采用這種消聲器。

再生氣體由高壓到低壓膨脹以及排放過(guò)程中，如若不經(jīng)消聲處理，會(huì)在排污口形成“放空效應(yīng)”?？剐韵暺麟m然環(huán)境適應(yīng)性好，但受消聲頻帶限制，通常只能處理低、中頻帶的噪聲[4]。為了彌補(bǔ)其高頻消聲效果差的缺陷，設(shè)計(jì)了一種阻抗復(fù)合式消聲器（圖1所示），主要由金屬本體、均流板、多孔消聲器、橡膠膜板、吸音棉構(gòu)成，組成一個(gè)寬頻帶的消聲器，適用于軌道交通吸附式干燥裝置的再生排污。

如圖2所示，在消聲器入口端設(shè)置的多孔均流板減少氣流“沿壁效應(yīng)”，提高入口氣流品質(zhì)；通過(guò)軸向多孔共振器將聲能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，降低尖峰噪聲及中低頻噪聲；為減少高速氣流對(duì)消聲器的器質(zhì)性損傷，在最終排放前通過(guò)柔性橡膠膜板來(lái)吸收同軸共振消聲器引起的紊流振動(dòng)，降低空氣動(dòng)力性噪聲；在消聲器外壁設(shè)置同軸消聲環(huán)，降低空氣輻射噪聲。

3.2 部件設(shè)計(jì)

（1） 均流板

氣流分布對(duì)空氣消聲器有著極大影響，氣流不穩(wěn)、流速不定、流場(chǎng)不均都會(huì)影響消聲器的消聲特性，造成局部紊流及氣流沖擊，嚴(yán)重甚至?xí)绊懴暺鞯氖褂脡勖黐5]。在消聲器入口設(shè)置導(dǎo)流器或多孔均流板是實(shí)現(xiàn)軸向流消聲器流體均勻分布、消除氣流沖擊噪聲的重要手段和必要措施。圖3為本消聲器設(shè)計(jì)的一種圓形均流板，通過(guò)設(shè)置均勻的環(huán)形孔板結(jié)構(gòu)，可有效降低消聲器的“沿壁效應(yīng)”及氣流局部短路現(xiàn)象。

（2） 同軸共振器

針對(duì)干燥裝置再生轉(zhuǎn)換過(guò)程氣流沖擊形成的峰值噪聲比較明顯特征，利用共振消聲器的頻率選擇性比較強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種同軸型共振器（圖4）。該共振器由一根表面開(kāi)有組合圓小孔的圓管與外接本體構(gòu)成，圓孔與中間腔體之間構(gòu)成了多個(gè)共振腔室，這樣就形成了一個(gè)相對(duì)較寬的消聲頻帶，可以有效地降低峰值噪聲。

同軸共振消聲器實(shí)際上是共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用，這種消聲器對(duì)頻率有較強(qiáng)選擇性，適于消除在某些頻率上帶有峰值的噪聲，其共振頻率可由公式（1） 確定[6-7]

式中c——聲速

r——頸口半徑

V——空腔體積

t——頸板的厚度

d——圓孔的直徑

（3） 橡膠膜板

經(jīng)同軸共振消聲器處理后的再生氣體流速依然非常高，在管壁附近會(huì)形成紊流，進(jìn)而不斷沖擊薄板產(chǎn)生輻射噪聲。為減緩氣流沖擊，在排氣口最后通道前設(shè)計(jì)了柔性橡膠膜板，可以有效吸收紊流引起的振動(dòng)，破壞聲能傳播通道的阻抗匹配，降低空氣動(dòng)力性噪聲。

（4） 吸音棉

對(duì)消聲器本體進(jìn)行包扎吸音棉，提高殼體內(nèi)部的吸聲系數(shù)，降消聲器本體內(nèi)部空氣聲對(duì)殼體的激勵(lì)，可以進(jìn)一步阻隔部分對(duì)外輻射噪聲。此外，吸音棉的設(shè)置還可以實(shí)現(xiàn)低溫狀態(tài)下的保溫功能，有效防止消聲器內(nèi)部結(jié)露、結(jié)冰堵塞。

圖3 均流板

圖4 同軸共振消聲器

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

以吸附式雙塔干燥裝置結(jié)構(gòu)為例，開(kāi)展本結(jié)構(gòu)消聲器的性能測(cè)試，主要從測(cè)試再生背壓及排污口的聲壓級(jí)大小來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的合理性。

圖5為被試設(shè)備氣動(dòng)原理圖，當(dāng)壓縮空氣前置過(guò)濾后，流經(jīng)A塔對(duì)高壓濕空氣進(jìn)行吸附的同時(shí)，干燥后的氣體一部分經(jīng)節(jié)流閥8反向吹掃B塔，使得B塔具備在線脫附的能力，再生廢氣通過(guò)排污消音器5排出大氣。一旦A塔吸附結(jié)束，會(huì)立即切換到B塔，交替重復(fù)上述過(guò)程。

測(cè)試設(shè)備：傳感器、LabVIEW數(shù)據(jù)采集設(shè)備、BBM噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

4.2 再生背壓測(cè)試

在干燥裝置再生轉(zhuǎn)換瞬間，隨著進(jìn)氣閥板和排氣閥迅速打開(kāi)和關(guān)閉，會(huì)伴隨著高壓氣體的放空及沖擊，這股外泄氣流沒(méi)有起到任何作用，屬于功能性損失，但會(huì)造成排氣閥閥口壓力迅速上升，并呈現(xiàn)尖峰脈沖波形狀，切換過(guò)程越短，波形越窄。圖6為在消聲器入口處采集的壓力時(shí)間曲線。

從圖6可以看出：

（1）經(jīng)該結(jié)構(gòu)的消聲器處理后，會(huì)導(dǎo)致再生壓力上升3～5 kPa，再生轉(zhuǎn)換瞬間殘余壓力約在260 kPa左右，滿足一般再生壓力不超過(guò)10 kPa、峰值壓力不超過(guò)300 kPa的設(shè)計(jì)要求；

（2） 消音量再生轉(zhuǎn)換殘余壓力時(shí)間在1～2 s左右，滿足快讀排污的設(shè)計(jì)要求。

圖5 被試設(shè)備氣動(dòng)原理圖

圖6 排污口再生壓力測(cè)試

圖7 排污口再生過(guò)程噪聲測(cè)試（左：普通抗性消聲器，右側(cè)：阻抗復(fù)合消聲器）

4.3 再生及排污噪聲測(cè)試

在機(jī)器滿負(fù)荷運(yùn)行的條件下，在距離干燥裝置排污口1 m處測(cè)量機(jī)器的平均聲壓級(jí)，并采集噪聲信號(hào)，測(cè)量數(shù)據(jù)采用A計(jì)權(quán)。分別對(duì)比測(cè)試了普通抗性消聲器及本文設(shè)計(jì)的阻抗復(fù)合消聲器在正常再生以及轉(zhuǎn)換過(guò)程中的噪聲聲壓級(jí)曲線（如圖7、8所示），結(jié)果表明：

圖8 排污口轉(zhuǎn)換過(guò)程噪聲測(cè)試（左：普通抗性消聲器，右側(cè)：阻抗復(fù)合消聲器）

（1）再生過(guò)程中的噪聲較為平穩(wěn)，主要以中低頻為主。因此，相比于傳統(tǒng)抗性消聲器，本體所提及的復(fù)合消聲器在中低頻噪聲處理方面提高不多，僅5 dB（A） 左右；

（2）轉(zhuǎn)換過(guò)程存在明顯的周期沖擊噪聲，周期約為1.8 s，主要以高頻噪聲為主。本文提及的復(fù)合消聲器相比傳統(tǒng)抗性消聲器聲壓級(jí)（1 m處）降低了12 dB（A） 左右。

可以看出，相比于傳統(tǒng)抗性消聲器，被測(cè)的阻抗復(fù)合消聲器能夠大大降低再生轉(zhuǎn)換過(guò)程中的沖擊噪聲。

5 結(jié)語(yǔ)

消聲器的消聲量主要決定于噪聲源的強(qiáng)度、消聲器的消聲特性以及環(huán)境工況等。在設(shè)計(jì)排污消聲器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮其處理介質(zhì)的狀態(tài)，如流量、流速、壓力、清潔度、溫度等參數(shù)，在滿足機(jī)械設(shè)備工作穩(wěn)定性的前提下，合理設(shè)計(jì)選用抗性或阻性消聲結(jié)構(gòu)，注意斷面突變時(shí)的空氣動(dòng)力特性，如流道口處應(yīng)沒(méi)有刃角、縫隙，內(nèi)壁光滑，開(kāi)孔位置及開(kāi)孔率要適當(dāng)?shù)取?/p>