空壓機進氣口消聲器動態優化設計
【摘要】空壓機作為一種通用機械，廣泛應用于國民經濟的各個部門。但它在工作時產生的噪聲嚴重的影響了人們的工作生活，是環境污染的主要來源之一。如何經濟有效地降低空壓機的噪聲，本文提出了使用優化理論及先進算法對現有進氣口消聲器進行優化設計，以解決該空壓機噪聲超標的實際問題。
【關鍵詞】空壓機；消聲器；優化設計；算法
1.空壓機噪聲分析
空壓機作為常用空氣壓縮設備被廣泛用于工業生產的各個領域。空壓機是一種將氣體壓縮，使其壓力提高到兩個大氣壓以上，然后輸往貯氣容器或其他設備中的機械設備，屬通用設備。空壓機是一個綜合性噪聲源，它在壓縮過程中產生的噪聲主要是來源于: 進氣、排氣口氣動噪聲，機械噪聲和電磁噪聲。進氣噪聲，空壓機在工作過程中，氣缸進氣閥交替地啟開、關閉，空氣被間歇地吸入氣缸，以脈動變化的形式形成的聲波從進氣口輻射出來。機械噪聲，空壓機在運轉中，進氣閥門開啟關閉產生的聲音、曲柄連桿系統中的沖擊聲和活塞往復運動時與氣缸壁的摩擦振動聲、活塞壓縮空氣時的撞擊聲和振動波，這些形成了機械噪聲。電動機噪聲、排氣及儲氣包噪聲，電動機噪聲主要有冷卻風扇噪聲和軸承轉動時的機械噪聲;空壓機氣缸內被壓縮的氣體隨著排氣閥的開啟、關閉間斷地排進儲氣包，經過排氣閥和管道時產生響聲形成排氣噪聲。進入儲氣包的壓縮空氣與包內空氣混合激發產生共振，并通過氣包及連接的管道輻射出來形成噪聲。
2.空壓機現有消聲措施分析
在空壓機噪聲治理上，不同的噪聲源有不同的治理方法; 同一類噪聲源，根據所處的地域、場所和標準要求的不同，采取的方案也不同。國外，日本、美國等大多將整臺空壓機采用隔聲罩加消聲器的措施。
空壓機的降噪都是從空壓機本身結構上來降低噪聲。對于大多數往復式空壓機，從當前的技術水平來看，僅采取主動降噪幾乎不能達到人們所希望的效果，這是由其工作原理所決定的。由于噪聲的機理主要是壓力脈動所致，為空氣動力性噪聲，一般比機械噪聲、電磁噪聲高20dB。所以對往復式空壓機，一般采取被動消聲，就是通過吸聲、消聲、隔聲、減振來實現。其中對空壓機動力性噪聲采用安裝消聲器是比較有效的。
消聲器是一種阻止聲傳播而允許氣流通過的降噪裝置，是控制氣流噪聲的主要技術措施。在消聲器發展過程中，首先出現的是無源消聲器，即:阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復合式消聲器。隨著技術的不斷成熟，無源消聲器取得了較好的消聲效果。特別是在排放法規和噪聲法規日益嚴格。
為了改善我國大部分噪聲排放尚達不到要求，噪聲也比國外同類機型高的狀況，國內研制開發了多種消聲器，已取得了良好的降噪效果。近年來，隨著現代數字信號處理技術的發展以及電子控制裝置的性能成本比的提高，國際上又提出了有源消聲器的概念。
3.空壓機進氣口消聲器的優化設計
消聲器的優化設計是一個多變量、多約束、多目標的復雜優化過程。在優化過程中，而要不斷評選方案和選擇優化參數。基于以上兩點，優化設計的計算過程將是一個計算量龐人和復雜的過程。計算機輔助設計是解決這一問題的最佳途徑。消聲器的優化設計需要綜合考慮聲學性能、空氣動力性能和結構性能，最終要給出消聲器某種結構的最優兒何參數。利用計算機解決這些問題，必然要求我們建立適當的數學模型，給出定的約束條件，再對問題進行求解，從而給出最終結果。
消聲器的結構形式多樣、優化參數繁多，消聲器的基本結構型式必須在優化設計前給定，確定其結構型式可用原有或相近的消聲器為參考，再根據所提出的具體要求做適當的修改。我們可以選定多種結構型式，將每一種結構型式的消聲器作為一個方案，通過計算來決定這種方案的可行性。每一種消聲器都可以有很多種結構參數，我們不可能對所有的參數進行優化，我們只能根據實際問題，將一些對消聲器性能影響較為明顯的結構參數選為優化變量，根據消聲器結構尺寸的要求，限定這些參數的范圍，通過計算，最終選出最優的參數。
3.1 空壓機進氣口消聲器優化設計的目標函數
消聲器優化目標函數的選取需要對消聲器性能評價的兩個方面進行綜合考慮，有較大消聲量的消聲器必然要求消聲器腔數多，擴張比大，長度大，結構復雜。這必然會加大消聲器的阻力損失，同時也會使其結構性能變差。所以，消聲器的設計必然要同時兼顧這兩個方面。總的來說，一個性能良好的消聲器，在進氣噪聲的整個頻率范圍內，應該具有足夠的消聲量，阻力損失小，耐高溫、耐腐蝕、消聲器外形尺寸與整機相協調、結構簡單、工藝性好、成本低。
（1）消聲量最大：
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（2）壓力損失最小：
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3.2 優化設計的初始條件
制定新消聲器消聲頻率特性初始條件根據現有消聲器就消聲頻率特性的要求，擬將設計消聲器的消聲頻率特性定義為三段:低頻消聲峰值頻率(<5OOHz)，中低頻消聲峰值頻率(5OOHz-2000Hz)，中高頻消聲峰值頻率(>2000Hz)。
3.2.1 低頻消聲峰值頻率(<5OOHz)由帶穿孔管的共振型消聲器子結構提供:為滿足消聲量的要求，設主管道直徑30-60mm，旁接共振頻率5OOHz 的共振器如果要求在200-5OOHz 的頻率分為內消聲量至少在5dB以上，估計該共振器的容積。
3.2.2 中低頻消聲峰值頻率(SOOHz- 2000Hz ) 由內插式雙級擴張消聲器子結構提供:如圖(1)所示選取內插式雙級擴張消聲器的基本參數，由消聲量及消聲頻率特性得出選取的參數的初始范圍為:
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（1）內插式雙級擴張消聲器的結構參數圖
3.2.3 中高頻消聲峰值頻率(>2000Hz). 由阻性吸聲消聲器子結構提供: 為滿足中頻頻段的消聲性能，擬采用阻性吸聲消聲子結構消除2000Hz-4000Hz 的中高頻噪聲。根據實際情況，該設計消聲子結構應具有每米40 分貝的消聲量。在設該種消聲器時，需首先考慮兩個方面的限制。一方面是頻率方面的限制，能有效消聲的頻率范圍大致與有效吸聲范圍相協調。共振吸聲結構很難完成高頻良好吸聲性能，故不宜采用。多孔吸聲材料層在中高頻范圍內有良好吸聲性能，宜優先采用。而且吸聲材料層的吸聲性能由于材料厚度的增加可以向低頻方向擴展。當吸聲材料層厚度加倍時，有效吸聲范圍約略向低頻方向移過一個倍頻程。這樣不僅可以有效地減小中高頻段的噪聲，也可以彌補中頻頻段不足的吸聲性能。另一方面的限制來自幾何尺寸，山于同心圓型消聲器，當長度一定時，使它有較高的消聲量就應選擇較小的通道寬度。但山于吸聲結構占據了給定的截面積，因此通道寬度越小，通道有效截面在總結面所占比例也就越小。如果通道截面面積保持一定，那么消聲器總截面就越大，這不能不受到客觀條件的限制。
（2）制定新消聲器壓力損失初始條件
在滿足消聲量的前提下，壓力損失越小越好。取壓力損失的初始條件為不大于當前已有消聲器壓力損失的5%為宜。
3.3 空壓機進氣口消聲器優化設計的步驟
將空壓機進氣口消聲器優化設計步驟歸納如下:
3.3.1 根據實際條件限定消聲器形式及消聲量、壓力損失、頻率消聲特性為目標函數；2、選定消聲器系統主管道的參數，給定氣體溫度、聲速及其他參數；3、根據消聲器容積比與氣流量，確定消聲器容積；4、選擇一系列消聲結構；5、對一種消聲結構，選擇一系列幾何參數；6、對一組給定幾何參數，進行消聲器消聲性能計算；7、對該組數據進行消聲器壓力損失計算；8、取另一組數據，重復60-70 行程序；9、對于給定消聲器結構，優選最佳的一組幾何參數；10、對于另一種消聲器結構，重復50-90 行程序；11、優選出最佳的一種消聲器結構及相應的最佳幾何參數。
4. 用多目標遺傳算法優化空壓機進氣口消聲器
使用通用數學計算軟件matlab 與英國設菲爾德大學開發的遺傳工具箱進行編程，實現多目標遺傳算法優化空壓機進氣口消聲器。在程序中設置了多目標遺傳算法的基本參數。各目標函數有相應的四端極子確定。下面以內插式雙級擴張消聲器子結構為例，使用該程序對其進行結構優化。選取種群中個體數量: NIND=100；選取最大遺傳代數: MAXGEN= 50；選取變異率: INP=0.05；采用實值編碼進行優化，其中典型參數的優化曲線如圖（2）所示。
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從上圖可以看出消聲器由原來單內插擴張式結構經優化后變為雙內插式擴張結構，這樣做不但可以將有效降噪頻段拉大，而其可以有效地降低脈動噪聲，將原有消聲器單共振腔優化為雙共振腔，這樣做不僅增加一個頻帶的吸聲峰值，而且可以在各相鄰頻帶上加大消聲量，通過對主管道參數的優化，可以有效的降低壓力損失:優化結構參數將降低消聲器的制造成本。
5.結束語
目前，社會對低噪聲產品的要求越來越高。無論是機電產品還是家用電器，噪聲的高低已經成為人們對產品質量好壞的評價標準之一。所以，在不久的將來，會有越來越多的低噪聲產品問世以滿足人們的要求。對于高噪聲的產品，由于自身的某些原因，在生產過程中不能使噪聲降到人們所能承受的范圍，那么仍然需要設計各種各樣的消聲器來進行消聲降噪。在設計的方法中仍然會運用優化設計方法。這是因為優化方法在機械設計中相對而言是比較簡便和準確的，而且可以滿足多種要求。
6.參考文獻
[1]孫國正過玉卿優化設計及應用，人民教育出版社，2000
[2]鐘紹華等，消聲器優化設計及其性能分析方法的研究，內燃機工程,2005
[3]馬寶麗等，消聲器的動態優化設計，噪聲與振動控制，2004
[4]周兆駒室外大型空氣壓縮機的噪聲治理技術，環境污染治理技術與設備，2005
（作者單位：湖南普照信息材料有限公司）
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