摘要：柴油发电机排出的废气在排气管中流动时，由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，气流呈脉动形式，并具有较大的能量。如果让废气直接排入大气中，会产生强烈的排气噪声。消声器的功用是减小排气噪声和消除废气中的火星。消声器一般是用薄钢板冲压焊接而成。本文系统阐述消声器的工作原理、设计原则、结构分类及各类消声器的特点与应用。
一、消声器工作原理
它的工作原理是降低排气的压力波动和消耗废气流的能量。当该柴油发电机工作时，噪声传入消音筒内，进入第一消音室、第二消音室和第三消音室内，第一消音管、第二消音管和第三消音管会进行消音处理，隔音层也会进一步实现消声处理，耐磨材料层提高了设备的耐磨性，耐高温材料层可承受发电机组运行中排气管产生的极高的温度，同时提高了该柴油发电机的耐腐蚀性。
1. 排气噪声的产生机理
（1）柴油发电机排气噪声是发动机最主要的噪声源之一，其声级通常比发动机整机噪声高出10～15dB(A)。排气噪声的产生主要源于以下三个因素：排气门周期性开启时，高温高压废气（压力可达0.3～0.5MPa，温度可达500～700℃）以脉冲形式高速喷出，形成强烈的压力波；废气在排气管内流动时，与管壁摩擦产生涡流和湍流，形成气流噪声；排气门开启瞬间，气缸内的高温高压气体突然释放，产生爆炸性的排气脉冲噪声。
（2）排气噪声的频谱特性呈现宽频带特征，主要由低频（50～200Hz）的基频成分和中高频（200～2000Hz）的谐波成分组成。基频等于发动机的发火频率，其谐波延伸至数千赫兹。因此，消声器必须在全频带范围内都具备良好的衰减能力，特别是低频成分穿透力强、难以衰减，是消声器设计的重点和难点。
（3）排气噪声的声压级与排气速度、废气密度和排气门开启特性密切相关。当柴油发电机在额定工况下运行时，排气速度可达200～300m/s，产生的声功率级可高达110～120dB(A)，若不加以控制，将对周围环境和人员造成严重危害。
2. 消声器的基本消声方法
消声器通常采用以下几种方法来降低排气噪声：
（1）多次改变气流方向。通过使气流在消声器内部多次改变流动方向，增加声波传播路径的复杂性，使声能在方向变化过程中不断反射和衰减，降低排气噪声的传播效率。气流每改变一次方向，声波就在管道连接处产生反射和干涉，部分声能转化为热能消散。
（2）使气流多次通过收缩和扩大相结合的流通断面。气流在流经收缩段时流速增加、压力降低，在流经扩大段时流速降低、压力回升，这种周期性变化使声波的能量不断转化为热能消耗掉。这种收缩-扩大交替的流道结构是抗性消声器的核心消声机理，类似于声学滤波器的工作原理。
（3）将气流分割为很多小的支流并沿不平滑的表面流动。通过多孔板或穿孔管将气流分散为众多微小支流，增加气流与壁面的摩擦面积，声能在摩擦过程中转化为热能消散。这种方式在阻性消声器中应用广泛，吸声材料中的微小孔隙使声波在传播过程中不断与材料纤维发生摩擦，声能转化为热能。
（4）降低气流温度。高温废气通过冷却手段降温后，其声速降低（声速与绝对温度的平方根成正比），声波能量也随之减小，有利于进一步削弱排气噪声。同时，温度降低也使废气的体积流量减小，有利于降低气流速度，减少气流再生噪声。
3. 消声器的结构组成与消声过程
（1）当柴油发电机工作时，噪声传入消音筒内，依次进入第一消音室、第二消音室和第三消音室内。每个消音室都是一个独立的声学单元，具有特定的容积、形状和进出口管道配置，形成多级串联的消声结构。废气经过多级消音室的逐级衰减，声能逐级降低。
（2）第一消音管、第二消音管和第三消音管会进行消音处理。消音管通常采用穿孔管结构，管壁上分布有大量微小孔洞，声波穿过孔洞时发生反射和干涉，同时气流在孔洞处产生局部压力损失，消耗声能。多根消音管的组合可实现多个频率点的针对性消声。
（3）隔音层也会进一步实现消声处理。隔音层通常由高密度材料（如钢板或铅板）制成，位于消音器壳体内部，其作用是阻隔声波向外辐射，防止消音器壳体本身振动产生二次辐射噪声。隔音层的厚度和密度决定了其隔声量，通常每增加一倍厚度可提高隔声量约5～6dB。
（4）耐磨材料层提高了设备的耐磨性。消声器内部长期受到高速气流的冲刷，内壁和内部构件易磨损，特别是弯头和截面突变处。耐磨材料层（如喷涂陶瓷涂层或堆焊硬质合金）可有效延长消声器的使用寿命。
（5）耐高温材料层可承受发电机组运行中排气管产生的极高的温度，同时提高了该柴油发电机的耐腐蚀性。排气温度可达500～700℃，普通材料在高温下会氧化变形或强度下降。耐高温材料层（如不锈钢、耐热合金或陶瓷涂层）确保消声器在高温环境下仍能保持结构完整性和消声性能。
4. 消声器的噪音级别与选型
（1）排汽管的响声强度以分贝（dB）为单位。分贝是一个测量单位，用于表明一个物理属性与另一个对数限度的占比。分贝值是一种噪音测量法。人耳对声音的感知为对数特性，因此使用对数标度的分贝值更符合人耳的听觉特性。
（2）生产厂家实际有不同的降音效果。消声器的消声量通常用插入损失来衡量，即在消声器安装前后，在相同测点测量的声压级之差。不同型号的消声器因结构、尺寸和内部配置的不同，其消声量和频谱特性存在显著差异。
（3）应当强调的是，并非每一个消声器和型号都能在任何等级工作中。生产商生产制造各种各样型号规格，其产品成本和消声器的机械性能决定了级别的易用性。选型时应综合考虑柴油机的功率、排气流量、排气温度、安装空间以及环保标准要求，选择与工况相匹配的消声器型号。
二、消声器设计原则
消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除柴油发电机排放动力性噪声的重要措施。衡量排气消声器的好坏，主要考虑以下三个方面：
1. 消声量要求
（1）消声器的消声量能满足《工业企业噪声卫生标准》的要求。消声量通常用插入损失或传递损失来衡量，一般要求消声量达到25～35dB(A)以上，确保机房外噪声满足环保标准。对于位于居民区附近的发电机组，消声量要求更高，通常需要40dB(A)以上的消声能力。
（2）消声量并非越大越好。过大的消声量往往意味着更大的体积、更复杂的内部结构和更高的排气背压，这会导致柴油机功率损失增加、燃油消耗率上升。因此，消声量的设计应在满足环保标准的前提下，尽量减少对发动机性能的影响。通常，每增加10dB的消声量，排气背压会增加约20%～30%。
（3）消声量的频率特性同样重要。由于排气噪声的频谱宽，消声器应在整个主要频率范围内（50～2000Hz）都有良好的消声效果，而不是仅在某个频率点上有高消声量。全频带消声量的均匀性是评价消声器设计水平的重要指标。
2. 适应性能要求
（1）消声器的适应性能（即适应低中频谱宽带和高温高压等）。排气噪声的频谱范围很宽（从几十赫兹到数千赫兹），消声器应能在全频段范围内都有较好的消声效果，同时需承受排气管内高达400～600℃的高温废气冲击。在高温环境下，金属材料的强度会下降，消声器的热膨胀应得到妥善处理，防止壳体变形或焊缝开裂。
（2）消声器应能承受排气脉冲的压力冲击。柴油机排气压力呈周期性脉动，峰值压力可达到大气压的2～3倍，消声器壳体应具有足够的机械强度，防止在长期脉冲冲击下产生疲劳裂纹。
（3）消声器应具备良好的抗腐蚀性能。排气中含有硫化物、水分和酸性物质，在温度变化时会产生冷凝水（含有硫酸、亚硫酸等腐蚀性成分），消声器材料应能够抵抗这种化学腐蚀，防止早期锈穿。不锈钢材质较普通碳钢具有更好的抗腐蚀性能，但成本较高。
3. 结构性能要求
（1）消声器的结构性能（尺寸合理、造价低、寿命长等）。消声器的外形尺寸应适合机房的安装空间要求，制造成本应在合理范围内，且使用寿命应与发电机组的大修周期相匹配（通常不少于8000小时）。
（2）排气背压是消声器结构设计的关键约束。消声器内部复杂的流道结构会增加排气阻力，产生背压。过高的背压会导致发动机功率下降（每增加1kPa背压，功率约下降0.3%～0.5%）和燃油消耗增加。因此，消声器的流道设计应在消声量和背压之间取得平衡。通常，消声器的背压不应超过发动机允许排气背压的50%。
（3）消声器的结构应便于安装和维护。应考虑消声器与排气管的连接方式（法兰连接或卡箍连接）、吊装方式以及凝水排放口的设置。在消声器的最低点应设置排水阀，定期排放冷凝水，防止内部腐蚀。
（4）消声器的外观和防护设计。消声器表面温度较高，应在外部设置隔热护罩或警示标识，防止人员烫伤。护罩同时还能减少消声器壳体向外辐射的噪声。在户外安装时，消声器顶部应设置防雨帽，防止雨水进入排气管。
三、柴油机消声器结构
现有的消声器，大多采用阻抗复合型消声原理。由于结构复杂、重量大、高温氧化吸声填料，高速气流冲击吸声填料，水气渗透吸声填料等原因，消声器很容易出现维修频繁、消声效果差，使用周期短等情况。而这历来是消音器的设计难点，微穿孔消声器则综合了最合理的消声原理所设计解决了上述问题，取得了良好效果。微穿孔消声器消声器不使用任何阻性吸声填料，采用微穿小孔多空腔结构，高压气流在消声器内经多次控流进入空腔体，逐级改变原气流的声频。阻力损失小，消声频带宽，工作时不起尘。不怕油雾、水气。耐高温、耐高速气流冲击。使环境噪声符合国家《工业企业噪声标准》。
1. 阻性式消声器
阻性式消声器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。阻性消声器就好象电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。因此，人们就把这种消声器称为阻性消声器。阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差，因此适用于中高频噪声占主导的场合。
2. 抗性式消声器
普通排气系统用的消声器结构多数为抗性消声器，抗性消声器是通过管道截面的突变处或旁接共振腔等在声传播过程中引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能，以达到消声目的的消声器。抗性消声器较适用控制发动机的窄带噪声和中低频噪声，但对发动机的中高频噪声控制效果较差。
抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，好像是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。与电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。当包含有各种频率成分的声波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔，只能在小室中来回反射。选取适当的管和室进行组合，就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。抗性消声器适用于消除中、低频噪声。
康明斯基本型柴油机的消声器，它是多腔膨胀共振型（在膨胀筒圆周充填有吸声的超细玻璃纤维），在标定工况下可使噪声下降约为30dB(A)。康明斯新一代消声器是一种阻抗复合型消声器，包括排气管、消音筒、进气管、第一消音室、第二消音室和耐磨材料层。该消声器的内部设置有三个消音室，每个消音室都安装精巧，大大提高了消音效果，且内部还设置有一层隔音层，进一步提高了该消声器的消音效果，消音器采用的是铝合金材料制成，一定程度提高消声器寿命，且在消音器的外表面设置有耐磨材料层，提高了该设备的耐磨性，保证了设备的外观。
把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器，实物如图1所示，结构如图2所示。阻抗复合式消声器综合了阻性消声器对中高频消声效果好和抗性消声器对中低频消声效果好的优点，可在全频段范围内获得较好的消声效果，是目前柴油发电机组排气消声器的主流设计形式。
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图1 柴油机阻抗复合型消声器实物图 |
图2 柴油机消声器结构图 |
四、消声器的形状和分类
1. 吸音消声器
内部构造由玻纤或绝缘层夹层玻璃构成。排气管通过隔热板后，噪声会减少。这类方式用以减少高频率声波频率。吸音消声器主要依靠多孔吸声材料吸收声能，对高频噪声的衰减效果显著，适用于以高频噪声为主的排气系统。
柴油发电机组组合型消音器将反应式消音器与吸收式消音器紧密结合，在反应式消音器的设计中组装吸声材料，进而实现全工作频率范围的消声设计。这种组合型消音器兼顾了中低频和中高频的消声需求，是当前高性能消声器的主流方向。
反应式消音器内部构造由三个由管道衔接的箱体构成。为了降低中低频率噪音，排气管室之间的排气管噪音通过膨胀和反射原理进行衰减。反应式消音器利用管道截面的突变和共振腔的声学滤波特性，对中低频噪声有较好的抑制效果。
2. 圆柱型消声器
柴油发电机组圆柱型消声器是较早开发设计的样子。他们可以搭建为全部三个基本上设计方案，而且可以用以内部结构和外界。消声器可按照各类使用要求水平或竖直组装，这也是最经济实惠的消声器之一。圆柱型消声器结构简单、制造容易、成本低，适用于对消声量要求不高的中小型发电机组。
3. 薄形消声器
这类柴油发电机组消音器可以有很多样子，例如长方型、椭圆型、环形等等。选定样子在于可用空间，发电机组常见于声损耗机壳。薄形消声器可安装于空间受限的机房环境中，外形设计灵活，可根据机组的排气管走向和机房布局进行定制。
结语
柴油发电机组消声器通过多次改变气流方向、使气流通过收缩和扩大断面、将气流分割为小支流以及降低气流温度等方法降低排气噪声。其设计应满足消声量（≥25～35dB(A)）、适应性能（宽频带、耐高温400～600℃）和结构性能（尺寸合理、寿命≥8000小时）三方面要求。阻性消声器利用多孔吸声材料将声能转化为热能，对中高频效果好；抗性消声器通过声学滤波原理（膨胀、共振、反射）降低中低频噪声，一般由3个箱体通过管道衔接组成；阻抗复合型消声器综合两者优势，在全频段获得良好消声效果。康明斯消声器为多腔膨胀共振型（填充超细玻璃纤维，降噪约30dB(A)）及新一代三消音室阻抗复合型（铝合金材料+耐磨层）。形状分为吸音消声器（用于高频）、组合型消音器（反应式+吸收式）、圆柱型消声器（最经济实惠）和薄形消声器（节省空间）。正确选型和安装消声器，可有效降低排气噪声，保障发电机组环保达标运行。
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