本發(fā)明涉及環(huán)境噪聲控制的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)能源的消耗越來越大，由燃燒能源系統(tǒng)排放到大氣中的污染物日益增多。近年來，依據(jù)各大中城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)情況時(shí)有發(fā)生，城市霧霾天氣大范圍反復(fù)出現(xiàn)。中科院、環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)對(duì)霧霾的溯源研究表明，以PM2.5為主的細(xì)顆粒物已成為我國(guó)城市大氣環(huán)境的主要污染物。學(xué)術(shù)界研究普遍證實(shí)，懸浮細(xì)顆粒富含有毒物質(zhì)且在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，不僅降低大氣能見度，影響交通、環(huán)境和氣候，而且增加肺癌和心血管等疾病的致病率和死亡率，對(duì)人體健康有短期和長(zhǎng)期累積的嚴(yán)重危害。當(dāng)前，相關(guān)空氣污染問題已經(jīng)引起了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視、公眾的嚴(yán)重憂慮和全社會(huì)的普遍關(guān)注，甚至在國(guó)際范圍內(nèi)引發(fā)不良影響。特別是在突出強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境和生態(tài)文明建設(shè)的背景下，霧霾天氣的治理顯得尤為迫切。

現(xiàn)有的除塵技術(shù)如靜電除塵器、旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器和濕式除塵器等，對(duì)5μm以下顆粒物的清除效率都很低，或者存在成本高、處理流量受限和改造影響能源系統(tǒng)運(yùn)行等問題，因此迫切需要研究有效的PM2.5排放控制技術(shù)?；趶?qiáng)聲凝聚的PM2.5減排技術(shù)因其具有作用時(shí)間短、效果顯著、經(jīng)濟(jì)易用且能適應(yīng)高溫、高壓和腐蝕性環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為具有良好的應(yīng)用前景。但是，為了達(dá)到更好的微細(xì)顆粒物凝聚效果，減排裝置利用的聲壓級(jí)普遍在140～160dB以上，這雖然顯著提高了凝聚效率，但不可避免的產(chǎn)生了強(qiáng)烈的噪聲污染，該特強(qiáng)噪聲不僅對(duì)儀器設(shè)備和建筑物等產(chǎn)生永久性損傷，更損害了一線工作人員的人身安全。

目前國(guó)內(nèi)可用的工業(yè)級(jí)聲凝聚減排系統(tǒng)還比較少見，更沒有配套的消聲系統(tǒng)，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外的消聲裝置應(yīng)用于機(jī)器發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、建筑物和工程元件等方面，而在上述已有的消聲裝置中，復(fù)合式的消聲系統(tǒng)占比更低。申請(qǐng)?zhí)枮?00720029478.2的實(shí)用新型將吸聲材料與微穿孔板結(jié)構(gòu)復(fù)合吸聲，但微穿孔板和吸聲材料垂直層圍成一個(gè)膨脹吸音隔聲室，并未發(fā)揮它們的復(fù)合疊加消聲能力，導(dǎo)致其消聲效果較差。

傳統(tǒng)的消聲器因存在較弱的消聲能力，以及不易同時(shí)兼顧低頻和中、高頻的寬頻吸聲結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)不適用于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的降噪消聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)消聲器消聲能力較弱而不適用于聲壓級(jí)高達(dá)160dB分貝的強(qiáng)聲問題，本發(fā)明采用隔聲、消聲材料和微穿孔消聲板復(fù)合式消聲系統(tǒng)，使該強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置降噪80dB分貝左右。同時(shí)，因微穿孔板可對(duì)中高頻噪聲有良好的吸聲效果，隔聲板等機(jī)械阻抗單元可對(duì)低頻產(chǎn)生良好吸聲，整個(gè)結(jié)構(gòu)既能保證良好的中、高頻吸聲性能，也能在低頻有良好的吸聲效果，這良好解決了PM2.5減排裝置使用的300～3000Hz寬頻強(qiáng)聲的消聲問題。整個(gè)實(shí)現(xiàn)方案在消聲效率、經(jīng)濟(jì)性、適用性和可擴(kuò)展性等方面具有優(yōu)勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，包括中空的套筒，隔板，吸聲材料，微穿孔吸聲板，蓋板，所述的隔板固定于套筒內(nèi)的一端，所述的蓋板固定于套筒內(nèi)的另一端，所述的吸聲材料在套筒內(nèi)貼近隔板設(shè)置，吸聲材料與蓋板之間的空腔內(nèi)設(shè)置有微穿孔吸聲板并將空腔分為兩部分，吸聲材料與微穿孔吸聲板之間為第一空腔，微穿孔吸聲板與蓋板之間為第二空腔。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，還包括用于調(diào)整微穿孔吸聲板在套筒中相對(duì)位置的空腔調(diào)整裝置，所述的空腔調(diào)整裝置的一端連接微穿孔吸聲板，另一端穿過蓋板至套筒外以從套筒外部驅(qū)動(dòng)微穿孔吸聲板沿套筒的軸向方向運(yùn)動(dòng)。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述的空腔調(diào)整裝置包括活塞，所述的活塞上設(shè)有外螺紋，所述的蓋板上設(shè)有與活塞上外螺紋相匹配的螺孔，所述的活塞穿過螺孔并固定在微穿孔吸聲板上以驅(qū)動(dòng)微穿孔吸聲板運(yùn)動(dòng)。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述的空腔調(diào)整裝置包括活塞，所述的蓋板上設(shè)有穿孔，所述的活塞穿過穿孔并固定在微穿孔吸聲板上以驅(qū)動(dòng)微穿孔吸聲板運(yùn)動(dòng)。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述吸聲材料是由泡沫塑料、軟質(zhì)纖維板、亞麻板、壓縮玻璃纖維、毛氈中的一種或者多種制成。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述的第一空腔的厚度為聲波波長(zhǎng)的1/2～1/5。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述微穿孔吸聲板上的微穿孔孔徑為0.1～5mm，穿孔率為50～80％，板厚為5～30mm。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，第二空腔厚度為20～50mm。

所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，所述活塞直徑為2～10mm。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)提高消聲系統(tǒng)的消聲效果：采用隔聲、消聲材料和微穿孔消聲板三段復(fù)合式消聲系統(tǒng)，使該強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置降噪80dB分貝左右，使工作場(chǎng)所高達(dá)160dB分貝的強(qiáng)聲明顯減弱，不僅免除了特強(qiáng)噪聲對(duì)儀器設(shè)備和建筑物等的損傷，更保證了一線工作人員的人身安全。

(2)滿足低、中、高各頻段強(qiáng)聲的消聲需求：因微穿孔板可對(duì)中高頻噪聲有良好的吸聲效果，隔聲板等機(jī)械阻抗單元可對(duì)低頻產(chǎn)生良好吸聲，整個(gè)結(jié)構(gòu)既能保證良好的中、高頻吸聲性能，也能在低頻有良好的吸聲效果，這良好解決了PM2.5減排裝置使用的300～3000Hz寬頻強(qiáng)聲的消聲問題。

(3)本消聲裝置可擴(kuò)展性較強(qiáng)：通過改變隔板厚度，更換不同類型和厚度的吸聲材料以及更換不同板厚、穿孔率和小孔孔徑的微穿孔板，甚至可通過調(diào)節(jié)活塞位置，改變吸聲材料和微穿孔吸聲板之后的空氣空腔厚度等各種手段來使系統(tǒng)消聲能力處于最優(yōu)狀態(tài)。較強(qiáng)的可擴(kuò)展性也使得該復(fù)合式消聲系統(tǒng)用于不同量級(jí)的減排系統(tǒng)和不同的減排場(chǎng)合，拆卸和安裝都較為簡(jiǎn)單，更易推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為阻尼短管的聲阻抗示意圖；

其中1為螺絲、2為套筒、3為隔板、4為吸聲材料、5為微穿孔吸聲板、6為蓋板、7為活塞。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述復(fù)合式消聲系統(tǒng)如圖1、圖2所示，包含三段消聲結(jié)構(gòu)：隔聲段、吸聲材料的消聲段和微穿孔吸聲板的吸聲段。其中隔聲段由厚度可調(diào)的單層均質(zhì)隔板構(gòu)成；消聲材料的消聲段由類型和厚度可調(diào)的吸聲材料及其后的第一空腔構(gòu)成；微穿孔吸聲板的吸聲段由板厚、穿孔率和小孔孔徑可調(diào)的微穿孔板及其后的第二空腔構(gòu)成?；钊哂姓{(diào)節(jié)第一空腔和第二空腔厚度的功能，實(shí)際使用時(shí)可移動(dòng)活塞使系統(tǒng)消聲能力處于最優(yōu)狀態(tài)。本裝置可根據(jù)不同量級(jí)的減排系統(tǒng)和不同的減排場(chǎng)合組裝不同型號(hào)的復(fù)合式消聲裝置。

本裝置的具體連接方式如下：通過均勻分布在套筒圓環(huán)區(qū)域的四個(gè)螺絲把套筒和隔板固定在一起，此為隔聲段；其后吸聲材料與隔板并排相連，之后為吸聲材料之后的第一空腔，其厚度為聲波波長(zhǎng)的1/2～1/5，二者共同構(gòu)成吸聲材料的消聲段；再后面是以活塞固定的微穿孔板和蓋板，具體連接方式是蓋板和套筒的端口以內(nèi)外螺紋的形式固定，通過活塞移動(dòng)來調(diào)節(jié)兩個(gè)空腔的厚度；位于消聲裝置兩個(gè)端口的隔板和蓋板使整個(gè)系統(tǒng)得以封閉，為了便于移動(dòng)活塞，活塞上設(shè)有一個(gè)把手，把手凸出于蓋板之后。

為適應(yīng)不同聲波強(qiáng)度、不同頻率、不同量級(jí)減排系統(tǒng)和不同減排場(chǎng)合的消聲需要，需要通過調(diào)節(jié)隔板的厚度、吸聲材料的類型和厚度、微穿孔板的板厚、穿孔率和小孔孔徑以及調(diào)節(jié)活塞位置，改變吸聲材料和微穿孔吸聲板之后的空氣空腔厚度等多種手段來滿足系統(tǒng)消聲能力最優(yōu)。經(jīng)理論模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)后，本發(fā)明所利用強(qiáng)聲波的頻率范圍為300～3000Hz，信號(hào)聲壓級(jí)在140～160dB以上，經(jīng)復(fù)合式消聲系統(tǒng)消聲后，信號(hào)聲壓級(jí)降低80dB左右。

為了避免在300～3000Hz這樣一個(gè)寬頻強(qiáng)聲波范圍內(nèi)某些頻段消聲效果差的現(xiàn)象，采用了微穿孔板和隔板的復(fù)合式消聲，因微穿孔板可對(duì)中高頻噪聲有良好的吸聲效果，隔聲板等機(jī)械阻抗單元可對(duì)低頻產(chǎn)生良好吸聲，整個(gè)結(jié)構(gòu)既能保證良好的中、高頻吸聲性能，也能在低頻有良好的吸聲效果，這良好解決了PM2.5減排裝置使用的寬頻強(qiáng)聲消聲問題。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用的空腔調(diào)整裝置包括活塞，活塞上設(shè)有外螺紋，蓋板上設(shè)有與活塞上外螺紋相匹配的螺孔，活塞穿過螺孔并固定在微穿孔吸聲板上以驅(qū)動(dòng)微穿孔吸聲板運(yùn)動(dòng)。使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)活塞，使活塞作出沿套筒軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，則微穿孔吸聲板也就會(huì)隨著活塞而運(yùn)動(dòng)，從而改變第一和第二空腔的厚度。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用的空腔調(diào)整裝置包括活塞，蓋板上設(shè)有穿孔，活塞穿過穿孔并固定在微穿孔吸聲板上以驅(qū)動(dòng)微穿孔吸聲板運(yùn)動(dòng)。使用時(shí)，直接推動(dòng)活塞，則微穿孔吸聲板也就會(huì)隨著活塞而運(yùn)動(dòng)，從而改變第一和第二空腔的厚度。

本發(fā)明所述基于強(qiáng)聲凝聚的PM2.5減排裝置的復(fù)合式消聲系統(tǒng)，其具體工作過程如下：

(1)氣流聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲波穿過凝聚艙后，首先通過單層均質(zhì)隔聲板隔絕部分聲音；

(2)經(jīng)削弱的強(qiáng)聲波再經(jīng)過消聲材料進(jìn)行第二次消聲；

(3)經(jīng)二次削弱的聲波最后經(jīng)過微穿孔吸聲板消聲；

(4)為了取得更好的消聲效果，在所述步驟(1)中還可加入如下步驟：在消聲裝置滿足尺寸要求的前提下，更換不同厚度的隔板；

(5)為了取得更好的消聲效果，在所述步驟(2)中還可加入如下步驟：在消聲裝置滿足尺寸要求的前提下，更換不同類型和厚度的吸聲材料；

(6)為了取得更好的消聲效果，在所述步驟(3)中還可加入如下步驟：在消聲裝置滿足尺寸要求的前提下，更換不同板厚、穿孔率和小孔孔徑的微穿孔板；

(7)為了取得更好的消聲效果，在所述步驟(3)中還可加入如下步驟：調(diào)節(jié)活塞位置，改變吸聲材料和微穿孔吸聲板之后的空氣空腔厚度；

(8)本發(fā)明所利用強(qiáng)聲波的頻率范圍為300～3000Hz，信號(hào)聲壓級(jí)在140～160dB以上，經(jīng)復(fù)合式消聲系統(tǒng)消聲后，信號(hào)聲壓級(jí)降低80dB左右。消聲作用的理論依據(jù)及計(jì)算過程

用隔聲材料(隔聲構(gòu)件、隔聲結(jié)構(gòu))來隔絕空氣中傳播的噪聲，從而獲得較安靜的環(huán)境稱為隔聲，材料一側(cè)的入射聲能與另一側(cè)的透射聲能相差的分貝數(shù)就是該材料的隔聲量。聲波通過媒介或入射到媒介分界面上時(shí)聲能的減少過程，稱為吸聲或聲吸收，當(dāng)媒介分界面為材料表面時(shí)，由于材料的多孔性、薄膜作用或共振作用，使部分入射聲能被吸收，可稱為材料吸聲。

本消聲裝置中各部件(包括套筒、隔板、吸聲材料、微穿孔吸聲板和活塞)的截面均為正方形，其具體尺寸可依據(jù)已知的PM2.5減排裝置的尺寸L、強(qiáng)聲波聲壓級(jí)SPL、強(qiáng)聲波頻率范圍f確定，具體過程如下：

對(duì)于隔板而言，隔板密度為ρ(kg/m³)，隔板厚度為D₁(m)，強(qiáng)聲波頻率為f(Hz)，進(jìn)而得到隔聲量TL(dB)：

TL＝-42+20lgf+20lg(ρ*D₁)

對(duì)于吸聲材料而言，吸聲材料類型為X，厚度為D₂(m)，吸聲材料之后的空氣空腔厚度為D₃(m)，強(qiáng)聲波頻率為f(Hz)，以此通過查詢數(shù)據(jù)庫(kù)來確定吸聲材料的吸聲系數(shù)α₁；

對(duì)于微穿孔吸聲板而言，空氣密度為ρ₀＝1.2kg/m³，聲速為c＝340m/s，動(dòng)力學(xué)黏度為η/ρ₀＝1.8×10^-5m²/s，吸聲板厚度為1(m)，小孔半徑為a(m)，小孔后空腔截面積為S₀(m²)，小孔截面積為S＝πa²(m²)，穿孔率為δ＝S/S₀，板后空氣空腔厚度為d(m)，強(qiáng)聲波頻率為f(Hz)，圓頻率為ω＝2πf(rad/s)，進(jìn)而通過matlab迭代得到微穿孔吸聲板的最優(yōu)吸聲系數(shù)α₂，以下為優(yōu)化過程：

微穿孔板上有大量與板面垂直的小孔，每一個(gè)小孔和其后的空腔均可看做是一個(gè)亥姆霍茲共鳴器，所以整個(gè)吸聲板可看做是由大量亥姆霍茲共鳴器并聯(lián)而成。微穿孔板與蓋板之間的距離d較大，因此把小孔背后的空腔看做一段波導(dǎo)，利用下式：

$Z_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\frac{Z_2\cos \left(kd\right)-i\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\sin \left(kd\right)}{-{\mathrm{iZ}}_2\sin \left(kd\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}\cos \left(kd\right)}$

可知蓋板處的聲阻抗近似為Z₂＝∞，微穿孔吸聲板背面的聲阻抗為

$Z_1=\frac{P_2}{Q}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}i\cot \left(kd\right)$

這里聲音向蓋板方向的體積流速Q(mào)為正，S₀是小孔后空腔截面積。小孔本身的聲阻抗為Z_a：

$Z_a=\frac{P_1-P_2}{Q}=-i\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}l}{S}{\[1-\frac{2J_1\left(\sqrt{i}\mathrm{\μ}\right)}{\sqrt{i}{\mathrm{\μJ}}_0\left(\sqrt{i}\mathrm{\μ}\right)}\]}^{-1}$

其中S＝πa²為小孔的截面積，S/S₀是微穿孔板的穿孔率。

●μ很大，也就是一般的細(xì)管，有聲阻很小，與半徑成反比聲抗趨向質(zhì)量抗X_a＝ωM_a.

●μ很小，也就是毛細(xì)管的情況，有聲阻很大，與截面半徑的四次方成反比，聲抗比質(zhì)量抗大三分之一。

其中聲質(zhì)量

當(dāng)f取1到10000時(shí)，計(jì)算結(jié)果中μ在f＝10000時(shí)取得最大值為0.1772，由圖3可知，μ屬于很小的范圍，所以取

$Z_a=\frac{8\mathrm{\η}l}{{\mathrm{\πa}}^4}-\frac{4}{3}{\mathrm{i\ωM}}_a$

因此微穿孔板前面的聲阻抗為

$Z_3=\frac{P_1}{Q_0}=\frac{P_1-P_2}{Q_0}+\frac{P_2}{Q_0}=Z_a+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{S_0}i\cot \left(kd\right)$

如果聲波正入射到微穿孔板的表面，則聲壓反射系數(shù)為

$R_p=\frac{Z_3{S}_0-{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{Z_3{S}_0+{\mathrm{\ρ}}_{0}c}$

最后得到微穿孔吸聲板的吸聲系數(shù)：

α₂＝1-|R_p|²。