船舶消声器设计原理
陈影彬
摘 ?要：基于传统型船用扩张式排气消声器，根据扩张式排气消声器的基本特性来设计消声器，使其能够满足消声效果好，阻力损失小，重量轻，体积小要求。并分析影响柴油机排气消声器消声性能的各种主要参数，以及如何正确选取消声器各主要参数的方法。
关键词：船用柴油机排气消声器 ?参数 ?消声器容积 ?消声量
在船舶上，机舱是一个多噪声区也是船舶环境污染的主要来源之一。机舱噪声的产生主要由船舶主机及辅机工作时进气噪声、排气噪声、燃烧噪声及机械噪声等共同组成了的一个强烈的综合性噪声，其引起的噪声污染目前已占到船舶噪声污染的80%。在这几个噪声源中，排气噪声最为突出，其主要是低频噪声和谐波高频噪声成分，最大噪声量可高达130 dB（A）。对轮机人员身体健康和船舶环境造成重大危害。因此，降低排气噪声势在必行，最主要的解决措施就是在主辅机排气口设计安装有效的消声器。
船舶消声器的设计主要取决于对消声器主要参数的选择
1、船用柴油机排气消声器内气流速度的确定
经试验及理论分析得知，一般消声器前插入管的气流速度可取v=60～90m/s;消声器内部的气流速度应控制在40～60m/s范围内。
2、船用柴油机排气消声器进气管内径d1的确定
根据柴油机排出流量Q，选择合适的气流速度v，便可确定流通面积F，从而确定进气管直径d1
因为 ? F=Q/v，F= ■
所以 ? ■
式中，Q为排气流量，m3/s;V为排气平均速度，m/s;
排气流量Q一般由柴油机制造厂提供。若生产厂家未提供，有条件的也可以对该柴油机进行排气流量的实测，无条件的，也可以通过理论计算确定。理论公式如下：
柴油机进气流量 Q进=nηvVh/60τ（1）
柴油机排气流量 Q排=Q进*Te/Ts
式中：n为柴油机标定转速，r/min;ηv为充量系数，柴油机ηv=1，增压柴油机ηv=增压比;τ为冲程数，四冲程τ=2，二冲程τ=1;Vh为柴油机排量，m3/s;TS为柴油机进气温度，K;Te为柴油机排气温度，或涡轮增压器出口温度，K。
3、船用柴油机排气噪声基频及谐波的确定
柴油机排气噪声基频及谐波可用下式表示
■ ? ? ? ?x=1，2，3……
当x=1时 ? 基频 = ■
式中：n—主机转速;Z—主缸数;τ—冲程系数，四冲程τ=2，二冲程τ=1。
4、噪声在排气管中的声速及其波长的确定
柴油机排气噪声声速可用下式计算：
■
式中：t-柴油机排气温度，若是增压柴油机，t为增压器出口排气温度。单位：0C
排气噪声的波长可以由以下公式求得：
■
5、船用柴油机消声器腔数的确定
消声器容积Ve和纵横比L/D确定之后，若空腔分隔的腔数n越多从理论上讲，最大衰减量为（20lgm-6）·n，高频消声效果好，而低频消声效果差，而且，制造时材料消耗和加工时间增多，成本增加。反之，若空腔分隔的腔数越少，则低频消声声效果好，材料消耗和工时减少，但高频消声效果差。因此，消声器分隔的腔数多少，应与消声特性和消声量相配合。一般，消声器的腔数n可根据消声量选择。
A类消声器 ?消声量>10dB（A） n=2～3
B类消声器 ?消声量>15dB（A） n=3～4（2）
C类消声器 ?消声量>20dB（A） n>4
6、船用柴油机消声器各腔长度的确定
第一腔长度L1的确定十分重要，它承担着消声器的主要消声性能和缓冲高温高速脉动气流的任务。一般，第一腔的容积不应小于柴油机排量Vh的1～3倍。
第一腔的长度L1应取其峰值频率波长的1/4，即L1=λ/4。第一腔长度L1确定之后，第二腔长度L2、第三腔长度L3等便可相继确定。L2=0.5L1，L3=0.5L2。这样，消声器便可形成消除低、中、高频噪声的全频消声器。
7、船用柴油机排气消声器扩张比 m 的确定。
通常扩张比m总是大于1的，而要取得明显的效果，则m应取大于5的数值。
TLmax=201gm-6;
式中TLmax为消声器第一腔最大消声量一般TLmax=12～18
设TLmax=18dB（A），令m=s21，则m=15.8≈16.
8、船用柴油机消声器本体内径的确定
由■得，D= ■=4d
式中，d1为消声器进口内径。一般，m=5～16。
9、船用柴油机消声器内各腔连接方法的确定
消声器内各腔的长度确定之后，只要流通面积一定，腔与腔之间用管子或管子开多孔连通，本质上无多大差别。用管子连接时其插入管长度选择1/4L和1/2L，实际应用时，插入管长度可比计算长度减少（0.3～0.4）d，d为插入管子内径。
试验证明，中心对正插入管的插入深度越大，其阻力系数就越大，性能下降就越多。随着两插入管的接近，高速脉动气流越不能在消声器中得到充分膨胀，排气仍以脉动形式从排气管中排出，出入口处排气产生的涡流越强，因而某些频率便形成再生噪声。因此，最好是采用错开式内插管，它能避免简单膨胀腔出现通过频率的缺点，又能使气流在消声器内得到充分的膨胀，其消声性能较好。
用多孔连通时，优点是结构简单，只需在隔板上冲出几个小孔即可。但空腔不能被充分地隔开，不能充分发挥多腔的作用，还残留着单个空腔的性能，空腔长度在500～600 Hz范围内产生峰值，并使高频的消声效果变差。
若保持排气孔的总面积恒定不变，开一个孔、二个孔，三个孔或三个以上的孔相比较，因膨胀比m一定，所以消声效果相差不大。但因孔径越小，越能增加其声能损失，从而减少了高频成分，听起来感觉柔和些。
10、船用柴油机消声器排气尾管和管径的性能确定
尾管的长度不是越长越好。经试验结果证明，尾管在某长度时能增加消声器的消声量，但继续增长尾管，达到某一值后，排气噪声反而增大，若再超过此长度，又能增加消声器的消声效果。为了确定排气消声器排气尾管的最佳长度，最好用台架试验确定。
消声器内空腔的最大衰减量为20lgm-6，所以尾管的直径越小，扩张比m越大，管壁处的声能损失增加，就会使消声器的消声性能越好。由此可知，尾管的直径在允许的范围内越小越好。但管径越小，气流速度越大，产生的气流再生噪声也越大，背压增加，性能恶化。设计时必须注意此点。
一般来说，为获得良好的消声效果，低速时应采用细而长的尾管，高速时应采用粗而短的尾管。这尾管应用于柴油机，效果更加显著。也可以采用双管排气方式，单管时低速排气，双管时高速排气，由蝶形阀控制。
11、船用柴油机消声量在排气系中安装位置的确定
消声器在排气系中的安装位置，对消声效果也有较大影响，这是由于消声器相对于排气系内最大压力的位置对辐射噪声有影响，而且抗性消声器声能的有效反射与消声器的位置有很大关系。设消声器的前管长度为L1，消声器的后管长度为L2，从柴油机的排出口至消声器尾管排出口的长度为L，则L= L1十消声器本体长度十L2。所以，消声器的安装位置一般推荐值如下：
L1/L=0～0.21; 0.37～0.47;0.6～0.72;0.85～0.94 ? ? ? ? ? ? ? ? （3）
最不利的位置为：L1/L=0.21～0.37;0.47～0.6; 0.72～0.85;0、94～1.00，然后通过实验确定最佳安装位置。
12、船用柴油机排气消声器有效容积的确定
消声器的结构确定之后，其容积大小的选择也是很重要的。容积过小，往往导致柴油机功率损失过大，消声效果下降;容积过大，虽有消声量大、阻力损失小、对脉动气流的缓冲作用大等优点，但也往往使安装使用不便，而且造成材科浪费。下面介绍估算消声器容积V。的大小。
消声器容积■（4）
式中，C——经验常数，根据消声器所要达到的指标而定：
A 类消声器 ? ?消声量>10dB（A） ? C=2—3，
B 类消声器 ? ?消声量>15dB（A） ? C=4—5，
C 类消声器 ? ?消声量>20dB（A） ? C=7—8，
D 类消声器 ? ?消声量>25dB（A） ? C=10—13.
Ki——气缸修正值，■;i——气缸数;Kz——内燃机冲程数修正系数，四冲程及Kz=1，二冲程及Kz=2;Kt——消声器应用于不同类型内燃机的修正系数，非增压柴油机，Kt =1，非增压汽油机，Kt=0.98，增压内燃机，Kt=增压比;Kn——内燃机转速修正系数.Kn=0.7—10-4nb（nb为标定转速）;■——内燃机压缩比修正系数，汽油机■，柴油机■ ;Vh——内燃机排量，L。
对于排气系统有两个消声器的V型内燃机排气缸用一个消声器，每个消声器的容积：■
当V型内燃机只有一个消声器时，消声器的容积：
■
13、船用柴油机排气消声器消声量的确定
消声器消声量：■
式中：■，Li—消声器各腔长度，K—波数，m—扩张比。
总之：扩张比m增大，消声器的消声量也增大，此时需要缩小消声器入口或者出口管的直径，或者增大消声器外壳的直径。消声器入口直径不应小于船用柴油机排气歧管出口或排气口的直径，否则因排气背压增高，将使柴油机消声器的功率损失增大，则同时也会使排气流速增大，容易激发再噪声，易影响到消声器的实际消声效果。消声器出口直径可以等于略小于入口直径。消声器外壳尺寸不能为了获得大的消声量而取得过大，因为外壳尺寸还要受到船体等条件的限制。
参考文献：
[1] 周轶尘，程冲《船用柴油机实用手册》人民交通出版社
[2] 杨庆佛《内燃机噪声控制》太原-山西人民出版社，1985.5
[3] 于学礼，舰船主机消音器的声学设计《船舶》1991.3
[4] 林辉江，内燃机排气消声器主要参数的选择（一）《内燃机》2001.4
[5] 林辉江，内燃机排气消声器主要参数的选择（二）《内燃机》2001.5
（作者单位：江西省九江市船舶检验局）
