基于多材料复合吸音技术的超音速动力喷涂降噪性能研究

《Powder Technology》：Research on noise reduction performance of supersonic power spraying based on multimaterial composite sound absorption

多材料复合吸声装置有效降低超音速雾化降尘技术高频噪声，实验与模拟显示单层腔体最优直径56mm，降噪10.9%~13.4%；多层复合结构降噪21.2%，气凝胶材料性能最佳，同步提升降尘效率超88%并达标85dB以下。

　　

陶双|张天|葛少成|李胜|童林泉|郭宇豪|陈行宇

辽宁工程技术大学安全科学技术学院，阜新123000，中国

摘要

由于气动喷雾降尘技术具有喷雾浓度高、液滴尺寸小和运动速度快等优点，因此被广泛应用于煤炭行业的粉尘污染控制中。然而，超音速动力喷雾降尘会伴随严重的高频噪声，这限制了该技术的推广。为了解决这一问题，本研究开发了一种适用于超音速动力喷雾高频噪声的多材料复合吸音装置。通过多场耦合仿真以及高马赫数和压力声学实验，研究了单层和多层吸音室的噪声特性，验证了该装置的可行性，筛选出了最佳结构，并揭示了其降噪机制。研究表明，在单层和多层吸音室中，拉瓦尔喷嘴的流场速度沿中心轴向外减小，多层吸音室内的流场速度更低；声能转化为热能的核心区域位于喷嘴附近的内层吸音材料中。多孔纤维材料的三维网络微孔能够将声能转化为热能并散发出去，从而大幅降低径向传播的声压级。在单层吸音室中，当腔体直径为56毫米时降噪效果最佳，声源处的声压级降低了10.9%至13.4%，声音辐射方向降低了7.3%至10.8%。在不同材料中，气凝胶的降噪效果最好，相应的降噪幅度为13.4%和10.8%。在多层吸音室中，复合材料5的降噪效果最佳，声源处的降噪幅度为21.2%，声音辐射方向的降噪幅度为12.4%，优于单层气凝胶吸音室。当气流压力增加时，各频段的声压级也会增加；而当水流增加时，中高频段的声压级会降低。在相同工作条件下，50%的液滴粒径约为11微米，3分钟内的降尘效率超过88%。本研究不仅保证了雾化的效率和粉尘的减少，还将声源处的高频噪声降低到了国家标准（GB12348–2008）规定的85分贝以下，为粉尘和喷雾噪声的协同控制奠定了理论和技术基础。

引言

气动喷雾降尘技术因其能够高效收集细尘、吸附有毒气体以及杀灭细菌和病毒而在粉尘浓度高的行业中得到广泛应用。然而，这一过程产生的噪声污染问题往往被忽视，尤其是超音速雾化降尘技术，它会产生高达120分贝的严重高频噪声，远超国家标准[1]。世界卫生组织（WHO）的研究表明，噪声暴露与高血压和冠心病等心血管疾病的发病率存在正相关[2]。气动喷雾降尘技术产生的高频噪声不仅会导致听力损伤、诱发危险行为并引发事故，还会将用于雾化的能量转化为声能损失，影响设备的运行状态[3][4][5][6]。因此，降低气动喷雾降尘技术产生的气动噪声至关重要。

目前，气动噪声控制技术主要包括被动控制、主动控制和声学超材料。刘连生等人[6]通过实验方法研究了单相流喷雾的远场噪声特性，发现当喷嘴直径减小时，喷雾噪声在2.8、4.5和6.3千赫兹处形成稳定的峰值；陈云等人[7]采用微孔降噪装置将雾炮进气端1米处的噪声从112.6分贝降低到72分贝以下；张松[8]指出，当多层吸音材料堆叠使用时降噪效果最佳，其吸收系数为0.66。Pyragius T[9]开发的主动磁场噪声控制系统在1千赫兹频段实现了最大35分贝的噪声抑制。LV等人[10]提出的仿生蜗壳结构能够同时改善风扇性能并降低噪声。DRANTJ等人[11]提出的谐波声学气动源技术将管道中500–800赫兹范围内的噪声降低了20分贝。沈春等人[12]发现，当来流速度为20米/秒时，格子前缘翼型的总声压级比标准翼型低3.6分贝。程丽萍[13]通过MATLAB验证了FX-LMS算法的降噪效果；张雷[14]模拟表明，当孔径为4毫米、孔隙率为11%时，微穿孔蜂窝结构的吸音性能最佳，峰值达到0.95；Hang Rui[15]设计的可调薄膜声学超材料结构通过增加磁体质量提高了低频隔音性能。李金泽[16]提出了一种薄膜型局部共振声学超材料结构，通过增加流速来减少薄膜辐射的声波。DARVISHM[17]通过CFD-CAA仿真研究了叶片出口角度对风扇噪声和性能的影响，发现保证气动性能时噪声会降低。史志晓[18]发现腔体厚度对喷流噪声的降低有显著影响，其中1毫米的腔体厚度效果最佳。XU等人[19]通过Fluent仿真发现开孔金属泡沫可将离心风扇的声压级降低约5分贝。 总结来说，尽管国内外学者已采用被动控制、主动控制和声学超材料技术深入研究气动噪声控制，但在超音速气动喷雾噪声的预防和控制方面仍缺乏研究，尤其是在考虑高频噪声降低和雾化降尘性能方面。为此，研究团队开发了一种多材料复合吸音装置。通过高马赫数、压力声学、多孔弹性波等模块，构建了单层和多层吸音室流场和声场的数值模型，并结合实验研究了在材料、腔体直径、复合模式和超音速雾化条件下的超音速动态喷雾噪声特性。验证了该装置控制高频噪声的可行性，筛选出了最佳的复合模式和材料结构，比较分析了复合材料的液滴特性和降尘效果，揭示了多材料多层腔体复合结构对超音速动态喷雾高频噪声的吸收机制，为超音速动态喷雾降尘技术的安全应用和噪声控制提供了理论和技术支持。

材料与仪器

材料：超音速气动雾化降尘喷嘴产生的噪声主要是高频噪声。综合考虑材料的声学性能、成本效益和环境耐久性，吸音室使用的材料包括玻璃棉、气凝胶和聚酯纤维吸音棉。根据市场调研，这些材料的价格在50元/平方米以内，维护相对简单。

可靠性验证

当填充材料为气凝胶且压力为0.4兆帕时，单层和多层吸音室在声源高频段的超音速动态喷雾噪声的仿真结果和实验结果如图9所示。单层和多层吸音室在各频段的模拟声压级与实验声压级基本一致。

结论

在保证雾化降尘效果的基础上，本研究利用基于多孔吸音原理的多材料复合吸音室，将超音速气动雾化降尘喷嘴产生的高频噪声降低到了国家标准（GB12348–2008）规定的85分贝以下，填补了工业粉尘降尘和噪声控制协同管理方面的空白。主要结论如下：

• (1)
  流场和能量特性

作者贡献声明

陶双：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。 张天：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。 葛少成：方法论研究，形式分析。 李胜：验证，项目管理。 童林泉：可视化处理，资源调配，调查研究。 郭宇豪：监督，软件开发。 陈行宇：监督，数据管理。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何可能影响本文内容或评审结果的产品、服务及/或公司没有任何形式的职业或其他个人利益。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52204216）、中国博士后研究基金（编号2022M711456）以及辽宁省教育厅2025年基础科学研究项目（编号LJ212510147049）的资助。