CN101572081A - 基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构 - Google Patents
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Abstract
基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是管状消声管的管壁成周期起伏变化，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏构成，每个变化周期的宽度与消声管平均半径的尺寸相当，其入射波频率为可听声，入射波模式和方向任意；消声管包含5个以上周期。通过改变周期管壁的参数，如周期的个数、起伏的大小等，可控制消声管的消声量。通过对其管壁周期的选择，可以按实际工程需要改变消声频段。在实际工程应用中也可同时复合其它阻性消声方法，以提高吸声效果。此外，此结构也可用作声滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及周期波导管的谱带结构理论，尤其是一种基于非Bragg共振现象的管道消声装置。
背景技术
周期波导中的波动问题在很长时间里一直引起人们的广泛关注。声学方面最经典的研究工作要追溯到1887年，Rayleigh研究了声波在密度周期变化的细弦中的传播，导出了传播方程，并利用了Hill方法研究了方程的解。直到上个世纪七十年代，数学理论和计算方法的飞速发展极大地推动了这方面的研究工作，声波和电磁波在周期波导中的传播问题得到了广泛关注和深入研究。
1974年，Nayfeh利用多尺度展开方法得到了二维变截面声波导中两模式共振区附近的有效一致性展开，解决了一般微扰展开在共振区附近失效的问题，从而得到了共振区附近的波动方程的解(Sound waves in two-dimensional ducts with sinusoidalwalls，J.Acoust.Soc.Am.56，768(1974))。
1983年，Bostrom用NF(null-field)方法研究了截面周期变化柱状波导中两个较低模式的禁带(Acoustic waves in a cylindrical duct with periodically varying cross section，Wave Motion 5，59(1983))。
1997年，Bradley研究了周期波导中的线性耗散波的传播问题(Time harmonicacoustic Bloch wave propagation in periodic waveguides.Part I.Theory，J.Acoust.Soc.Am.96，1844(1994))。
直到近几年，大部分的研究工作都将注意力放在了所谓Bragg共振现象上，或者说他们大都忽略了远离Bragg共振区所发生的物理现象。事实上，在这些区域里恰恰有可能出现非Bragg共振现象，即所谓的横向驻波模式的相互作用。
2004年，Pogrebnyak从理论上预言了电磁波在平面波导中的非Bragg反射现象(Non-Bragg reflections in a periodic waveguide，Optics Comm.232，201(2004))。
2005年，申请人从理论上给出了声波导管中非Bragg共振出现的条件，并且简单探讨了共振导致的频域禁带与波导管几何参数之间的关系(Non-Bragg resonance ofstanding acoustic wave in a cylindrical waveguide with sinusoidally perturbed walls，Chin.Phys.Lett.22，394(2005))。
发明内容
本发明目的是：为了解决一般消声管中消声频段和消声效果可控性差的问题，本发明突破了传统扩张管消声器的限制，提出一种基于非Bragg共振机制产生宽消声带宽的消声管结构。
本发明具体技术方案是：基于非Bragg共振机制产生宽消声带宽的消声管结构。该结构是管壁上设有周期起伏变化，每个周期起伏的变化是指管内壁具有凹凸环状的起伏，每个变化周期的宽度与消声管平均半径的尺寸相当。该结构特有的高传输损耗主要是由一种被称为非Bragg共振的波动现象导致的，其入射波为可听声，入射波模式和方向可任意；所述消声管的管壁周期决定了消声频段，其管壁起伏大小决定了消声效果。
这种结构可以通过改变周期管壁的参数，如周期的个数、起伏的大小等，可控制消声管的消声量。通过对其管壁周期的选择，可以按实际工程需要改变消声频段。在实际工程应用中也可同时复合其它阻性消声方法，以提高吸声效果。此外，此结构也可用作声滤波器。
我们的研究工作发现，当周期与平均半径可以比拟时，在波导内的声波会发生强烈的非Bragg共振并产生频域禁带。在通常情况下，非Bragg禁带不仅不能忽略，而且比Bragg禁带有更宽的带宽和更理想的消声效果。因此，基于非Bragg共振机制设计产生宽消声带宽的消声管结构，可以大大提高消声效果，具有很好的应用前景。
发明机理：对于管壁周期变化的声波导来说，周期性的引入使波导产生复杂的谱带结构，即某些频率的声波可以通过波导，但有些频率不能通过，出现频域禁带。这种频域禁带即可用作消声，借以消除该频段的声波。当管壁周期远大于平均半径时，波导的谱带结构非常简单。入射波的波长接近波导周期的两倍时，将被强反射并产生强烈共振导致Bragg禁带。而当消声管管壁周期与管的平均半径相当时，波导中会存在一种所谓的非Bragg共振现象，并导致频域禁带。这种非Bragg共振现象是由不同横向模式且传播方向相反的两列波的相干相消现象导致的，它能更有效地将声波限制在波导中，使之不能辐射出去，以达到消声的效果。
对于基于非Bragg共振机制产生宽消声带宽的消声管结构而言，周期数的多少决定了消声效果。数值模拟和实验研究都表明，当消声管包含5个以上周期时即可得到较为理想的消声效果。而在实际条件允许的情况下，周期数越多其消声效果越好。
对于基于非Bragg共振机制产生宽消声带宽的消声管结构而言，其消声管管径的起伏的大小决定了消声带宽。研究表明，起伏越大消声带宽越宽。
对于基于非Bragg共振机制产生宽消声带宽的消声管结构而言，其管壁周期的选择由所要消声的频段决定，管壁周期的宽度越大(相应管径越大)消声的频率越低。
此外，该结构还可作为管道声滤波器。当消声管管壁周期数或起伏达到一定数值时，可以给出非常陡峭的上升下降沿。利用此特点也可设计高性能的声开关。
本发明有益效果是：本发明结构简单，易于实现。利用非Bragg禁带使消声的带宽增加，消声效果更好。周期和起伏大小可根据需要选择，消声针对性强。可以方便的兼容大部分阻性的消声方法，以提高消声效果。可以作为性能良好的声滤波器。可用作性能良好的声开关。
附图说明
图1是本发明实施的结构设计示意图。
L-每段管道的长度，2L为周期；R-凸管内径；r-凹管内径；d-管壁厚度。
图2是在1000Hz附近消声效果的比较图。
D1(3)-第一个消声管3个周期的传输系数
D1(5)-第一个消声管5个周期的传输系数
D2(3)-第二个消声管3个周期的传输系数
D2(5)-第二个消声管5个周期的传输系数
具体实施方式
首先，选择管道的材质。此消声管对管道材质要求不高，只要声阻抗远大于管内气体的声阻抗即可。一般的金属材料都可满足，PVC管也基本满足。管壁厚度d要求不高，1mm的金属管道即可满足要求。
其次，确定消声频段，选择管壁周期。
再次，确定管壁起伏大小。根据实际情况，一般取平均半径的十分之一左右。
最后，周期个数的选择由需要达到的消声量(用分贝dB表示)确定。理论上，只要消声管尺寸不受限制，可以获得任意大的消声量。
此外，如果条件允许，可以兼容阻性的消声方法以得到更为理想的消声效果。
实施实例：
以1000Hz附近的消声为例，下表格给出了两种消声管设计参数：
| 消声管 | 每段长度L(m) | 凸管内径R(m) | 凹管内径r(m) |
| D1 | 0.125 | 0.21 | 0.18 |
| D2 | 0.125 | 0.23 | 0.17 |
两个消声管的管壁起伏周期由所要消声的频段决定，这里简单取为0.25m。消声管D1的起伏比D2的起伏小，图2中给出了消声管的消声效果比较(传输系输)。对于同一个消声管而言，周期数增加其消声量明显增大。消声管D2的管壁起伏要大于D1，其消声效果要明显变好，表现为消声频段变宽，消声量变大。同时我们还注意到起伏的增大，也使得消声频段明显的相低频移动。
Claims (7)
1、基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是管状消声管的管壁成周期起伏变化，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏构成，每个变化周期的宽度与消声管平均半径的尺寸相当，其入射波频率为可听声，入射波模式和方向任意；消声管包含5个以上周期。
2、根据权利要求1所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是所述的消声管材料为声阻抗较大的固体材料，不锈钢、混凝土结构。
3、根据权利要求2所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，通过改变周期管壁结构，即周期的个数、起伏的大小，控制消声量的大小。
4、根据权利要求2所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是通过对其管壁周期的选择来改变消声频段，管壁周期越大消声的频率越低。
5、根据权利要求2所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是消声管管径的起伏即凸环凹环的值的大小决定了消声带宽；且起伏越大消声带宽越宽，周期数越多其消声效果越好。
6、根据权利要求3和4所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是管道内部充空气或复合其它阻性消声材料。
7、根据权利要求2所述的基于非Bragg共振的宽带高效消声管结构，其特征是当消声管管壁周期数或起伏达到一定数值时，得出非常陡峭的上升下降沿，得到高性能的声开关。
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