空压机进气口消声器动态优化设计

摘要：在生产部门，空压机是一种较为常用的机械，在其工作过程中会产生严重的噪声，给周围的居民带来不利影响，对空压机噪声的抑制研究显得尤为重要。文章通过优化理论分析以及先进的算法探究来对型号为VW-0.22/7-B的空压机进气口的消声器进行优化设计，为空压机存在的实际问题找到解决途径。

关键词：空压机；消声器；优化设计

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0031-03

1 消声器的作用和种类

在空压机以及鼓风机等设备上，通常都会安装消声器。这是因为空气动力设备在工作过程中会产生大量的噪声，对周围的环境造成噪声污染。当前，消声器的种类较多，总体上可以分为阻性和抗性两类。其中，前者的工作原理是借助镶在管内的吸声材料以及相应的吸声结构，使噪声在经过管道时得到有效的衰减，实现消声的目的，这种机理与电路中电阻耗能的机理相似，在控制高频噪声中具有较好的效果。后者不能实现直接的声能吸收，扩张室消声器的工作原理是通过管道截面的收缩和扩张来降噪；共振腔消声器的工作原理是通过共振腔的声阻抗失配使得噪声在突变处发生反射和干涉现象，从而实现降噪，这种消声器在中低频噪声的消除中经常被使用。目前，为了扩大噪声消除的频率范围，很多场合开始使用阻抗复合式消声器。

2 阻性消声器部分的设计

在阻性消声器中，首先需要选择吸声材料。阻性消声器的吸声壁面为消声器管道的内壁，声波在其中传播时，管道内壁会不断吸收声能，声压以及声强都会随着距离的延长而得到衰减，消声量由式（1）得到：

在阻性部分的设计中，最主要的任务是进行吸声材料的选择，吸声材料能够将入射其上的声能吸收。目前，多孔性材料是吸声材料的首选。当声波进入到多孔性材料的孔隙后，在其孔隙中，细小的纤维组织会发生振动现象，由此会造成能量的消耗，如此一来，声能会转变成热能被消耗掉。实践表明，在对高频声波噪声的吸收中，多孔性材料具有很好的效果，但其在对低频声波噪声的吸收中效果较差。这主要是因为其孔隙的尺寸与高频声波的波长相近。另外，多孔性材料的吸声性能还与孔隙率与密度、流阻、材料厚度、结构因子、护面层等有关。对于阻性消声器消声量的计算，根据式（1），可以计算出各个频率下的消声量，见表1。

其中，a0可以通过查表得来，φ（a0）通过查表所得参数，再经过计算得到。

3 进气口消声器的优化设计

在确定消声器具体结构以及尺寸的过程中，一种优化的设计方法需要考虑以下三个方面的要求：（1）消声性能。在消声降噪中，消声器所涉猎的声波频率范围应该足够大，在其消声范围内，消声效果应该足够高；（2）气体动力性能。在评价消声器的性能中，气体动力性能是一项重要的指标。对于阻性和抗性消声器来说，其装设到设备上之后，对气流的阻力应该尽可能小；（3）机械性能。要求使用的消声器具有一定的强度和较长的使用寿命。另外，在结构上应该紧凑，具有较轻的重量，便于加工和安装，在成本上也应该尽量低。在这三个方面中，首先应该满足前两个方面，在此基础上再考虑第三个方面。

优化设计方法的设计手段是借助于计算机以及计算机程序。通过最优化的数学方法，条件的满足来满足设计者的设计要求。在本文中，具体来讲，就是在满足降噪量以及阻力损失要求的基础上，通过优化设计的方法实现消声器的小尺寸、轻质量。在寻找最优值的过程中，有两项基本工作：（1）将设计问题的物理模型合理转化为数学模型。在建立数学模型的过程中，需要选择合理的设计变量，确定出目标函数，并给出科学的约束条件；（2）采用有效的优化方案，对数学模型求解，也即是在给定的条件下，求出目标函数的极值。下面研究具体的设计方案。

目标函数的选择：通常情况下，质量是优化设计中的目标函数，它不仅能够节约材料，还可以降低成本。在本文中研究的消声器属于薄壁壳体，因此，将消声器的体积作为目标函数，即：

约束函数的建立：消声器所要消除的噪声量见表2。

从表2可以看出，在500Hz处，会出现噪声的峰值，在消声器的设计中，应该将理想的消声量设计在500Hz处需要的消声量之上：

从式（5）中可以看出，消声器的消声量大小有扩张比的影响很大，扩张比越大，消声量就越大，本文中设计的消声器中敷设有吸声材料，其消声量的大小由式（6）计算得来：

为了保证消声器具有理想的消声效果，在设计中一般都会将消声量增加。根据理论的分析，本文中设计的消声器的消声量在20分贝左右，根据实践经验，本文最终确定将最大消声量设计在22分贝，通过表2可知在500Hz处，φ（a0）为0.64，则有：

由此得到约束函数的第一个约束条件：

上下限频率的确定：在阻性消声器和扩张室消声器中都存在高频失效的现象，当扩张比过大时，扩张段的面积也会很大，声波通过进口管进入到扩张室时，会集中从扩张室的中部穿过，造成扩张室无法发挥正常功能，导致消声效果的降低。对于扩张室消声器来说，有效的消声上下限频率计算公式如下：

其中，c表示声速，D表示通道截面直径。由此得到第二个约束条件：

同理，可以得到第三个下限频率约束条件为：

最后是优化方案的选择。对于优化设计问题来说，通常有有约束优化和无约束优化两种。在本文的消声器尺寸优化中采用的是有约束优化。一般的，有约束优化问题表达式为：

约束条件表示为：

采用约束最优化方法对这类问题进行求解。在具体求解过程中，又存在直接求解法和间接求解法两种。其中，后面一种方法又有等式约束和不等式约束之分。在本文的求解过程中，采用的优化方法是内点惩罚函数法。它属于不等式约束优化设计问题的间接解法。内点惩罚函数法需要定义可行域。对于满足的优化设计问题来说，惩罚函数的形式可以表示为：

其中，r（k）表示惩罚因子，该惩罚因子满足如下的

计算结果分析：根据内点惩罚函数法的BASIC程序，通过QBASIC软件可以计算出本文中需要设计的消声器的最优尺寸。由此可以得到最终的结果为m=18，L=0.1m。为了保证消声器能够消除高出设计标准的噪声，在设计结果的基础上适当加长消声器的长度，最后，将L定为0.11m。

参考文献

[1]钟绍华，等.消声器优化设计及其性能分析方法的研究[J].内燃机工程，2005.

[2]马宝丽，等.消声器的动态优化设计[J].噪声与振动控制，2004.

[3]周兆驹.室外大型空气压缩机的噪声治理技术[J].环境污染治理技术与设备，2005.

（责任编辑：吴 涛）

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