【摘要】空壓機(jī)作為一種通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。但它在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重的影響了人們的工作生活，是環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。如何經(jīng)濟(jì)有效地降低空壓機(jī)的噪聲，本文提出了使用優(yōu)化理論及先進(jìn)算法對(duì)現(xiàn)有進(jìn)氣口消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決該空壓機(jī)噪聲超標(biāo)的實(shí)際問(wèn)題。
【關(guān)鍵詞】空壓機(jī)；消聲器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；算法

1.空壓機(jī)噪聲分析

空壓機(jī)作為常用空氣壓縮設(shè)備被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域�？諌簷C(jī)是一種將氣體壓縮，使其壓力提高到兩個(gè)大氣壓以上，然后輸往貯氣容器或其他設(shè)備中的機(jī)械設(shè)備，屬通用設(shè)備。空壓機(jī)是一個(gè)綜合性噪聲源，它在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲主要是來(lái)源于: 進(jìn)氣、排氣口氣動(dòng)噪聲，機(jī)械噪聲和電磁噪聲。進(jìn)氣噪聲，空壓機(jī)在工作過(guò)程中，氣缸進(jìn)氣閥交替地啟開(kāi)、關(guān)閉，空氣被間歇地吸入氣缸，以脈動(dòng)變化的形式形成的聲波從進(jìn)氣口輻射出來(lái)。機(jī)械噪聲，空壓機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中，進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉產(chǎn)生的聲音、曲柄連桿系統(tǒng)中的沖擊聲和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與氣缸壁的摩擦振動(dòng)聲、活塞壓縮空氣時(shí)的撞擊聲和振動(dòng)波，這些形成了機(jī)械噪聲。電動(dòng)機(jī)噪聲、排氣及儲(chǔ)氣包噪聲，電動(dòng)機(jī)噪聲主要有冷卻風(fēng)扇噪聲和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械噪聲;空壓機(jī)氣缸內(nèi)被壓縮的氣體隨著排氣閥的開(kāi)啟、關(guān)閉間斷地排進(jìn)儲(chǔ)氣包，經(jīng)過(guò)排氣閥和管道時(shí)產(chǎn)生響聲形成排氣噪聲。進(jìn)入儲(chǔ)氣包的壓縮空氣與包內(nèi)空氣混合激發(fā)產(chǎn)生共振，并通過(guò)氣包及連接的管道輻射出來(lái)形成噪聲。

2.空壓機(jī)現(xiàn)有消聲措施分析

在空壓機(jī)噪聲治理上，不同的噪聲源有不同的治理方法; 同一類(lèi)噪聲源，根據(jù)所處的地域、場(chǎng)所和標(biāo)準(zhǔn)要求的不同，采取的方案也不同。國(guó)外，日本、美國(guó)等大多將整臺(tái)空壓機(jī)采用隔聲罩加消聲器的措施。

空壓機(jī)的降噪都是從空壓機(jī)本身結(jié)構(gòu)上來(lái)降低噪聲。對(duì)于大多數(shù)往復(fù)式空壓機(jī)，從當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)看，僅采取主動(dòng)降噪幾乎不能達(dá)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(jī)理主要是壓力脈動(dòng)所致，為空氣動(dòng)力性噪聲，一般比機(jī)械噪聲、電磁噪聲高20dB。所以對(duì)往復(fù)式空壓機(jī)，一般采取被動(dòng)消聲，就是通過(guò)吸聲、消聲、隔聲、減振來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中對(duì)空壓機(jī)動(dòng)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(guò)的降噪裝置，是控制氣流噪聲的主要技術(shù)措施。在消聲器發(fā)展過(guò)程中，首先出現(xiàn)的是無(wú)源消聲器，即:阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復(fù)合式消聲器。隨著技術(shù)的不斷成熟，無(wú)源消聲器取得了較好的消聲效果。特別是在排放法規(guī)和噪聲法規(guī)日益嚴(yán)格。

為了改善我國(guó)大部分噪聲排放尚達(dá)不到要求，噪聲也比國(guó)外同類(lèi)機(jī)型高的狀況，國(guó)內(nèi)研制開(kāi)發(fā)了多種消聲器，已取得了良好的降噪效果。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展以及電子控制裝置的性能成本比的提高，國(guó)際上又提出了有源消聲器的概念。

3.空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量、多約束、多目標(biāo)的復(fù)雜優(yōu)化過(guò)程。在優(yōu)化過(guò)程中，而要不斷評(píng)選方案和選擇優(yōu)化參數(shù)�；谝陨蟽牲c(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程將是一個(gè)計(jì)算量龐人和復(fù)雜的過(guò)程。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是解決這一問(wèn)題的最佳途徑。消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合考慮聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)性能，最終要給出消聲器某種結(jié)構(gòu)的最優(yōu)兒何參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)解決這些問(wèn)題，必然要求我們建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，給出定的約束條件，再對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，從而給出最終結(jié)果。

消聲器的結(jié)構(gòu)形式多樣、優(yōu)化參數(shù)繁多，消聲器的基本結(jié)構(gòu)型式必須在優(yōu)化設(shè)計(jì)前給定，確定其結(jié)構(gòu)型式可用原有或相近的消聲器為參考，再根據(jù)所提出的具體要求做適當(dāng)?shù)男薷�。我們可以選定多種結(jié)構(gòu)型式，將每一種結(jié)構(gòu)型式的消聲器作為一個(gè)方案，通過(guò)計(jì)算來(lái)決定這種方案的可行性。每一種消聲器都可以有很多種結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們不可能對(duì)所有的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，我們只能根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，將一些對(duì)消聲器性能影響較為明顯的結(jié)構(gòu)參數(shù)選為優(yōu)化變量，根據(jù)消聲器結(jié)構(gòu)尺寸的要求，限定這些參數(shù)的范圍，通過(guò)計(jì)算，最終選出最優(yōu)的參數(shù)。

3.1 空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)

消聲器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的選取需要對(duì)消聲器性能評(píng)價(jià)的兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，有較大消聲量的消聲器必然要求消聲器腔數(shù)多，擴(kuò)張比大，長(zhǎng)度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這必然會(huì)加大消聲器的阻力損失，同時(shí)也會(huì)使其結(jié)構(gòu)性能變差。所以，消聲器的設(shè)計(jì)必然要同時(shí)兼顧這兩個(gè)方面�？偟膩�(lái)說(shuō)，一個(gè)性能良好的消聲器，在進(jìn)氣噪聲的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，應(yīng)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(jī)相協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、成本低。

（1）消聲量最大：

（2）壓力損失最�。�

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始條件

制定新消聲器消聲頻率特性初始條件根據(jù)現(xiàn)有消聲器就消聲頻率特性的要求，擬將設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)提供:為滿(mǎn)足消聲量的要求，設(shè)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(nèi)消聲量至少在5dB以上，估計(jì)該共振器的容積。

3.2.2 中低頻消聲峰值頻率(SOOHz- 2000Hz ) 由內(nèi)插式雙級(jí)擴(kuò)張消聲器子結(jié)構(gòu)提供:如圖(1)所示選取內(nèi)插式雙級(jí)擴(kuò)張消聲器的基本參數(shù)，由消聲量及消聲頻率特性得出選取的參數(shù)的初始范圍為:

（1）內(nèi)插式雙級(jí)擴(kuò)張消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

3.2.3 中高頻消聲峰值頻率(>2000Hz). 由阻性吸聲消聲器子結(jié)構(gòu)提供: 為滿(mǎn)足中頻頻段的消聲性能，擬采用阻性吸聲消聲子結(jié)構(gòu)消除2000Hz-4000Hz 的中高頻噪聲。根據(jù)實(shí)際情況，該設(shè)計(jì)消聲子結(jié)構(gòu)應(yīng)具有每米40 分貝的消聲量。在設(shè)該種消聲器時(shí)，需首先考慮兩個(gè)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(xié)調(diào)。共振吸聲結(jié)構(gòu)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(nèi)有良好吸聲性能，宜優(yōu)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(kuò)展。當(dāng)吸聲材料層厚度加倍時(shí)，有效吸聲范圍約略向低頻方向移過(guò)一個(gè)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(bǔ)中頻頻段不足的吸聲性能。另一方面的限制來(lái)自幾何尺寸，山于同心圓型消聲器，當(dāng)長(zhǎng)度一定時(shí)，使它有較高的消聲量就應(yīng)選擇較小的通道寬度。但山于吸聲結(jié)構(gòu)占據(jù)了給定的截面積，因此通道寬度越小，通道有效截面在總結(jié)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(mǎn)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(dāng)前已有消聲器壓力損失的5%為宜。

 3.3 空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

將空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟歸納如下:
3.3.1 根據(jù)實(shí)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(biāo)函數(shù)；2、選定消聲器系統(tǒng)主管道的參數(shù)，給定氣體溫度、聲速及其他參數(shù)；3、根據(jù)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(jié)構(gòu)；5、對(duì)一種消聲結(jié)構(gòu)，選擇一系列幾何參數(shù)；6、對(duì)一組給定幾何參數(shù)，進(jìn)行消聲器消聲性能計(jì)算；7、對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行消聲器壓力損失計(jì)算；8、取另一組數(shù)據(jù)，重復(fù)60-70 行程序；9、對(duì)于給定消聲器結(jié)構(gòu)，優(yōu)選最佳的一組幾何參數(shù)；10、對(duì)于另一種消聲器結(jié)構(gòu)，重復(fù)50-90 行程序；11、優(yōu)選出最佳的一種消聲器結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的最佳幾何參數(shù)。

4. 用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器

使用通用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件matlab 與英國(guó)設(shè)菲爾德大學(xué)開(kāi)發(fā)的遺傳工具箱進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器。在程序中設(shè)置了多目標(biāo)遺傳算法的基本參數(shù)。各目標(biāo)函數(shù)有相應(yīng)的四端極子確定。下面以?xún)?nèi)插式雙級(jí)擴(kuò)張消聲器子結(jié)構(gòu)為例，使用該程序?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。選取種群中個(gè)體數(shù)量: NIND=100；選取最大遺傳代數(shù): MAXGEN= 50；選取變異率: INP=0.05；采用實(shí)值編碼進(jìn)行優(yōu)化，其中典型參數(shù)的優(yōu)化曲線如圖（2）所示。

從上圖可以看出消聲器由原來(lái)單內(nèi)插擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后變?yōu)殡p內(nèi)插式擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，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(dòng)噪聲，將原有消聲器單共振腔優(yōu)化為雙共振腔，這樣做不僅增加一個(gè)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(guò)對(duì)主管道參數(shù)的優(yōu)化，可以有效的降低壓力損失:優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)將降低消聲器的制造成本。

5.結(jié)束語(yǔ)

目前，社會(huì)對(duì)低噪聲產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。無(wú)論是機(jī)電產(chǎn)品還是家用電器，噪聲的高低已經(jīng)成為人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。所以，在不久的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多的低噪聲產(chǎn)品問(wèn)世以滿(mǎn)足人們的要求。對(duì)于高噪聲的產(chǎn)品，由于自身的某些原因，在生產(chǎn)過(guò)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(shè)計(jì)各種各樣的消聲器來(lái)進(jìn)行消聲降噪。在設(shè)計(jì)的方法中仍然會(huì)運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這是因?yàn)閮?yōu)化方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中相對(duì)而言是比較簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確的，而且可以滿(mǎn)足多種要求。

6.參考文獻(xiàn)
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[4]周兆駒室外大型空氣壓縮機(jī)的噪聲治理技術(shù)，環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005
（作者單位：湖南普照信息材料有限公司）

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