CN101713335B - 声音衰减系统和具有声音衰减装置的涡轮发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了声音衰减系统和方法，并且更具体地，提供了用于增加噪声抑制装置的声音衰减特性的方法和装置。各种实施例包括具有改善的声音捕获开口(76)的声音衰减腔(77)。在某些实施例中，声音捕获开口(76)包括由突起(100)围绕的孔。在其他的实施例中，声音捕获开口(76)包括成角度的板条(106)。实施例还包括包含改善的声音捕获开口(76)的声音捕获装置，诸如消音器、通风罩、障碍壁、空气交换器、进气口以及排放管道。

Description

声音衰减系统和具有声音衰减装置的涡轮发动机系统

技术领域

本发明一般地涉及噪声抑制技术，并且更具体地，涉及提供改善的声音衰减特性的系统和方法。

背景技术

由飞机、汽车以及其他现代机器导致的环境噪声常常是令人烦恼的。为了将噪声维持成低于可接受的水平，经常需要使用噪声抑制技术。因此，噪声抑制已经变成了具有广泛的工业和居住应用的一种重要技术。噪声抑制装置经常被应用于供热通风和空调(HVAC)系统、工业机器和综合建筑、运输车辆以及可倾向于产生不能接受的高水平噪声的任何机器中。

因此，存在用于抑制噪声的各种装置和技术。例如，为了减少由供热和空调系统产生的噪声，噪声抑制装置经常安装在通风管道、通风入口和排放口、空气抽取装置等之内。在工业安装中，经常将声音抑制技术应用到诸如压缩机的机器的排放管道、排放烟囱以及空气入口管道上。为了进一步减少环境噪声，高音量的机器经常被包含在配备有声音阻尼障碍壁的声学罩中。为了给声学罩提供空气循环同时仍减少噪声，通风孔经常装配有隔音罩、百叶窗、消音器或者它们的组合。

由这类装置提供的噪声减少或者衰减水平常按照装置的插入损失进行描述。插入损失是声音幅度方面的减少，其由将声音衰减装置插入声音传输通道中而导致，并且通常以分贝进行测量。在测试配置中(其中声音幅度在声音传输通道的出口处进行测量)，插入损失可以限定为无插入的声音衰减装置的声音幅度(A1)与具有插入的声音衰减装置的声音幅度(A2)的比值。而该比值可以根据下面的方程而表示：

插入损失(db)＝20log(A1/A2)

典型地，这类装置的插入损失随着该装置长度而增加。此外，为了维持可接受的空气流，可以将该装置的总体截面面积放大以补偿由于声音衰减元件导致的气流阻力。因此，声音抑制装置可能趋于庞大而昂贵。结果，提供具有改善的声音衰减的装置可能是有益的。

发明内容

本公开的实施例提供增加一些噪声抑制装置的声音衰减特征的方法和装置。更具体地，提供包括改善的声音捕获开口的声音衰减腔，这些声音捕获开口倾向于将声音保持在该腔中而不允许声音通过这些开口退回。在某些实施例中，声音捕获开口包括由突起围绕的孔。在其他的实施例中，声音捕获开口包括有角度的板条。这些实施例还提供包括改善的声音衰减腔的噪声抑制装置。再有其他的实施例还提供包括改善的声音衰减腔的噪声产生机器。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其他的特征、方面以及益处将变得更好理解，其中贯穿这些附图，相似的标记表示相似的部分，其中：

图1是示范性建筑的环境视图，显示了根据一些实施例可将声音衰减装置装配到其上的各种噪声源；

图2是示范性系统的方框流程图，该系统具有根据一些实施例可将声音衰减装置装配到其上的燃气涡轮发动机；

图3和图4是显示示范性声音衰减导管的透视图，该声音衰减导管根据一些实施例可应用到图1和图2中描绘的各种噪声源上；

图5是示出了根据一些实施例的示范性声音衰减障碍壁和通风罩的截面视图；

图6是根据一些实施例的示范性声音衰减导管的透视图；

图7A、7B以及7C是示范性吸音导管的内壁的近视图，示出了根据一些实施例在图3、4和5中显示的声音捕获开口。

图8是根据一些实施例带有隔板的示范性声音衰减导管的截面视图；

图9A和9B是示范性声音衰减隔板的截面视图，示出了根据一些实施例显示在图3、4和5中的声音捕获开口；

图10是根据一些实施例带有隔板的示范性声音衰减导管的截面俯视图；

图11是示范性声音衰减隔板的近视图，示出了显示在图3、4和5中的声音捕获开口的声音衰减特性；

图12是示范性声音衰减导管的透视图，声音衰减导管包括具有根据一些实施例的声音捕获板条的隔板；以及

图13是示范性声音衰减隔板的截面视图，示出了显示在图10中的声音捕获板条的声音衰减特性。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或者多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，在本说明书中可能不描述一个实际实施方式的所有特征。应当理解的是：在任何这种实际实施方式的开发中，如在任何工程或者设计项目中，为了实现研发人员的特定目标(诸如符合系统相关和商业相关的限制)，必须做出许多实施方式特定的决定，这些决定可以从一个实施方式到另一个实施方式而变化。而且，应当理解的是：尽管这种研发努力可能是复杂而耗时的，但是对于那些享有本发明益处的本领域技术人员而言，这种研发努力仍然是设计、制备以及制造的日常任务。

本发明的各方面涉及改善的噪声抑制技术。具体地，根据一些实施例的噪声抑制装置包括具有改善的开口的声音衰减腔，与现有技术相比，该声音衰减腔提供更好的声音捕获和声音保持特性。这些改善的开口增加了根据本文中所描述的这些技术制备的噪声抑制装置的插入损失。结果，与提供同样声音衰减水平的现有技术的装置相比，这些噪声抑制装置可以被制备得更小、更轻以及更便宜。

现在转向附图，图1描绘了具有各种噪声源、各种进气口以及噪音可在该处逸出到外部环境中的排放点的示范性建筑10。建筑10可以是工业综合建筑或者住宅建筑。建筑10包括诸如机器12的一个或者多个噪声源，其可以包括供热系统、空调系统、马达、涡轮机、压缩机、泵、机床等。由这些噪声源产生的噪声可使得该建筑10内或者周围的人们感到烦恼。

机器12例如可包括进气口14，该进气口14可向机器12的气体压缩机提供空气。建筑10还可包括通风系统。因此，建筑10可包括通风入口16，该通风入口16从外部抽取空气，并通过空气管道18将空气分配给整个建筑10。建筑10例如还可包括抽气机20，用于将外部空气提供给建筑10内诸如空调单元的机器。建筑10还可包括通风排气装置22。此外，机器12可以产生可通过排放烟囱24离开的废烟。

将会理解的是：进气口和排放点可以给在建筑10内产生的噪声提供逸出到外部环境中的机会。为了遵守政府制定的安全和环境标准以及另外减少噪声，可以在整个建筑10中将根据公开的实施例的各种声音衰减装置声学地联接到噪声源上。例如，抽气机20和通风排气装置22可以包括声音阻塞百叶窗26。建筑10的外壁还可以装备噪声阻塞面板28。另外，空气管道30和排放管道32可以装备吸收由机器12产生的声音的消音器。此外，高音量的机器可以用罩34容纳，罩34可以包括障碍壁36并且可以装配在噪声阻塞通风罩38内。

图2是一个示范性系统40的方框图，该示范性系统40包括声学地联接到根据本技术的实施例的声音衰减装置上的燃气涡轮发动机42。例如，该系统40可以包括飞行器、船只、机车、功率发生系统或者它们的组合。因此，负载44可以包括发电机、推进器、传送器、驱动系统或者它们的组合。示出的燃气涡轮发动机42包括进气段46、压缩机48、燃烧器段50、涡轮52以及排气段54。涡轮52通过轴56驱动地联接到压缩机48上。

如由箭头所指的，空气流过进气段46并流入压缩机48，压缩机48在空气进入燃烧器段50之前压缩空气。示出的燃烧器段50包括中心地或者环状地围绕轴56布置在压缩机48和涡轮52之间的燃烧器壳58。在燃烧器壳58内，燃烧器段50包括围绕轴56以圆形或者环状构型设置于多个径向位置处的多个燃烧器60。来自压缩机48的压缩空气进入各燃烧室60，并且随后与燃料混合并与其一起在各燃烧器60内燃烧以驱动涡轮52。可以用一些或者全部的所得到的动力来驱动轴56进行旋转，以向压缩机48和/或负载64提供动力。在某些实施例中，排气被用作用于诸如喷气式飞机的交通工具的推力源。

如图2中描绘的，系统40包括用于噪声逸出的两个主要区域。特别地，发生于燃烧器段50、压缩机段48、涡轮段52或者它们的组合中的噪声可能倾向于在进气段46和排气段54处如由声波66所示从该系统40逸出。为了将由系统40释放的噪声减小到可接受的水平，在向着/来自进气段46和排气段54的流路径中或者沿着该流路径，系统40可包括诸如消音器的根据当前实施例的声音衰减装置。将在下面进一步描述的声音衰减装置允许空气通过，同时减小声音幅度。

图3描绘了一个示范性的声音衰减导管68，该导管可以被用在根据这些实施例的上述的各种声音衰减装置中。导管68可包括引导空气流并且衰减穿过该导管68的声波的侧壁70。流动经过导管68的空气的方向由箭头74标出，而从导管68发出的声音的方向由箭头72标出。如由空气和声音的方向所标出的，将会理解的是：如图3中所描绘的导管68为入口导管。但是，在某些实施例中，该导管68或者一个阵列的导管68还可用作排放导管，在该情况下，声音和空气可沿着相同方向行进。导管68可声学地联接到诸如图2中显示的涡轮52或者压缩机48的噪声产生装置上。导管68还可以声学地联接到机器12上或者联接在空气管道18和30内，如图1中所示。尽管为了方便，本公开提及了空气导管，但是将会理解的是：所公开的实施例还可包括声音可穿过其中的输送任何气体或者流体的导管。

为了吸收声音，导管68的侧壁70可以是形成声音衰减腔77的中空罩。应当注意的是：如本申请中使用的用语“中空”意在描述侧壁70的形状，而不是指侧壁70是否填充有声音衰减材料。沿着导管68的内表面可存在使得声音能够进入声音衰减腔77的若干开口76。如将在下面进一步描述的，开口76被特别地成形为使得声音能够进入声音衰减腔77并且大体上将声音保持在声音衰减腔77内。为了提高声音衰减水平，腔77可以填充有声音衰减材料78，诸如矿棉、玻璃纤维、泡沫或者适合衰减声音的任何其他的材料。在某些实施例中，可以让声音衰减腔77是空的。当声音穿过导管68时，声音进入开口76并由声音衰减材料78衰减，从而减小离开导管68的声音的幅度。

可以控制导管68的尺寸以便平衡导管68的声音衰减和空气流特征。例如，可以通过增加壁厚80来增加导管68的声音衰减，增加壁厚会增加声音衰减腔的尺寸以及包括在侧壁70中的声音衰减材料78的量。另外，可以增加长度82以便改善导管68的声音衰减特性。但是增加壁厚80和/或长度82会增加导管68的气流阻力。因此，为了维持适当的气流，可以改变导管68的高度84和/或宽度86。增加导管的尺寸增加了该装置的重量、空间消耗量以及成本。另外，许多应用具有的用于噪声抑制装置的空间的量有限。由于这些原因，期望在更小的空间中改善导管的声音衰减。

然而，由于开口76提供了增加的声音衰减，因而与现有技术的装置相比，用更小的导管68(即具有减小的高度84、宽度86、长度82或者壁厚80的导管68)可获得期望的声音衰减水平。减小导管68的尺寸可提供通过导管68的增加的气流，同时还提供更小装置的成本节约、空间节约以及重量减少。

图4描绘了声音衰减导管68的另一个实施例。如图4中显示的，导管68包括隔板88，该隔板88增加了由导管68提供的声音衰减水平。和侧壁70一样，隔板88可以是填充有声音衰减材料78的形成声音衰减腔的罩。但是，与侧壁70不一样的是，隔板88的两侧均可包括开口76。通过包括隔板88，可以增加导管68内声音衰减表面面积和体积的量，因而缩短导管68的长度80，这将提供期望的声音衰减水平。因而，对于设定的空间量，示出的实施例提供了更好的声音衰减。但是，将隔板88放置在导管68内可能还倾向于增加经过导管68的气流阻力，这可以通过增加导管68的截面面积进行补偿。

图5是具有通风罩38的障碍壁36的一个示范性实施例的图解。障碍壁36和通风罩38二者均包括罩和开口76，罩形成填充有声音衰减材料78的声音衰减腔77，开口76可允许声波经过其如由箭头90所示进入声音衰减腔77。在显示的实施例中，声波66如由箭头72所示经过通风罩38，而空气如由箭头74所示穿过通风罩38。所描绘的通风罩38可以放置在声音倾向于从其逸出到外部环境中的任何通风孔或者开口上，并提供可倾向于衰减经过通风罩38的部分声音的音障(sound barrier)。

图6示出了根据上述的一些实施例在导管68的内表面上具有开口76的导管68。线7-7显示了示出在图7A、7B和7C中的近视图的位置。图7A、7B和7C示出了显示在图6中的导管68的内壁的三个备选的近视图，并提供关于通入声音衰减腔77中的开口76的形状的更多细节。如图7A中显示的，开口76可包括孔98和突起100，声音可通过孔98进入声音衰减腔77，而突起100围绕孔98并且突入或者突出声音衰减腔77。为了向着接近声波(oncoming soundwave)的方向声学地偏置开口76，突起100可在孔上成一定角度，使得开口76面向噪声源。另外，如从垂直于面板的方向所观察的，突起可部分或者全部地覆盖孔。如将在下面更进一步解释的，突起100的形状用于捕获声音并将声音保持在声音衰减腔内，防止声音通过孔98被反射回。

如图7A、7B和7C中显示的，开口76形成了形成在板92中的不平穿孔的图案。此外，开口76可包括孔98和穿孔100，其可以具有可捕获和保持声音的多种形状中的任何一种形状。例如，如图7A中所示，如沿着平行于板92的方向所观察的，孔98可形成三角形形状而突起100可形成半圆形。突起100还可以是锥形的，形成覆盖在孔上的在锥形的基部开口的半圆锥形。锥形突起100的基部可面对接近声波的方向，以便更好地衰减穿过导管68的声音。如图7B中所见，如沿着平行于面板的方向所观察的，孔98可形成矩形且突起100可形成矩形。在该示例中，矩形突起100的锥度可形成三角棱柱，该棱柱在面对接近声波的方向一侧和面向孔的一侧开口。如图7C中所见，如沿着平行于面板的方向所观察的，孔98可形成三角形形状且突起100可形成三角形。在该示例中，三角形突起100的锥度可形成金字塔形的覆盖物，该覆盖物在面对接近声波的方向的金字塔侧和面对孔的一侧开口。将会理解的是：图7A、7B和7C中所提供的示例不是限制性的，并且本发明不限于孔98或者突起100的特定形状。

上述的开口76可用压印器通过对板92同时地进行变形和打孔而形成，这同时形成了孔98和突起100。此外，可以加工板92以同时增加若干开口76。备选地，孔98和突起100可单独地形成。例如，可以首先在板92中形成孔98，而在形成孔后，可将突起100附接到板92上。板92例如可以由诸如金属、塑料、木材、纸板或者纤维板的任何刚性或者半刚性的材料制成。

转到图8、9A和9B，显示了开口76的另外的实施例。图8显示了具有隔板88的导管68的截面。如图8中可见，导管68的侧壁70限定可填充声音衰减材料78的声音衰减腔77。此外，如图所示，开口76可设置在导管68的内表面上。线9-9显示了在图9A和9B中提供的近视图的位置。

具体地转向图9A的近视图，显示了开口76，其中突起100远离声音衰减腔77向外延伸，并延伸进入到空气流路径。虽然使得突起100延伸进入到空气流路径可增加导管68的空气阻力，但是也可增加开口76的声音捕获质量。具体地转向图9B的局部放大视图，显示了开口76，其中突起100向着声音衰减腔77的内部向内延伸。使得突起100延伸进入腔77并伸出空气流路径可倾向于减少导管68内的空气湍流以及空气流产生的噪声，并且可降低导管68的气流阻力。在任一个实施例中，可以以改善声音捕获并减少从腔77逸出的声音的方式来使得开口76成角度。

图10是图4的声音衰减导管68的截面俯视图。如上所述，导管68包括侧壁70和隔板88。在所描绘的实施例中，声音沿着由箭头72所指的方向行进经过导管68，而空气沿着由箭头74所指的方向行进经过导管68。随着声音行进经过导管68，一部分声音如箭头90所示通过开口76进入。线11-11显示了显示在图11中的近视图的位置，该近视图示出了根据这些实施例的隔板88的声音捕获特性。

参考图11的近视图，可以见到开口76如何允许挡板88来保持进入挡板88的声波。首先，声音如箭头102所示通过开口76进入。然后由位于声音衰减腔77内的声音衰减材料78衰减声波。随着声波通过声音衰减材料78，降低了声波的幅度。声波穿过的声音衰减材料78越长，声波被衰减得越多。如图11中显示的，突起100防止存在无障碍的直线路径，该路径从一个开口76通向位于隔板88的相对侧上的另一个开口76。因此，随着声波接近隔板88的相对侧，声波被从突起100反射，而不是离开声音衰减腔77。此外，声波贯穿整个衰减腔77可被重复地反射，导致声波的衰减增加。将会理解的是：在没有突起100的情况下，声波将具有较少被阻碍的路径，声波通过该路径离开声音衰减腔77。在公开的实施例中，向内突起、向外突起或者两者均可被用于改善壁和隔板的声音捕获性能，从而迫使声音经过用于改善衰减的衰减材料78。

现在参考图12和图13，描绘了包括声音衰减隔板88的导管68的另一个实施例。和前面的实施例一样，图10和图11中显示的实施例可包括具有隔板88的导管68，隔板88增加了通过由导管68提供的声音衰减水平。此外，隔板88可填充声音衰减材料78，并且隔板88的两侧均包括开口76。但是，在本实施例中，隔板88可以包括由框架108保持就位的成角度的板条106。

如图13中所示，板条106可以位于隔板88的两侧上并且可以形成声音衰减腔77。此外，板条106可以向着噪声源倾斜，即向内成角度以便提供开口，从而使得声波72能够如箭头102所示轻易地进入声音衰减腔77。此外，板条106的角度和定位也防止声波轻易地离开声音衰减腔77。因此，板条106可如由箭头104所示重复地在内部反射声波经过声音衰减材料78，增加了隔板88的声音衰减。

根据上述技术，与现有技术的装置相比，可以增加噪声抑制装置的声音衰减特性。本技术的实施例可包括广泛的噪声抑制装置，诸如消音器、噪声抑制罩、噪声抑制阻碍壁等。可将这些声音衰减装置包括在管道工件、空气交换器、排放管道、进气管道或者噪声可从该处逸出到外部环境中的任何其他应用中。本技术的实施例还可包括诸如燃气涡轮发动机或者喷气式发动机的某些机器，这些机器具有被包括在该机器的进气段或者排气段中的声音抑制装置。本技术的实施例还包括上述的或者本领域的技术人员想到的声音衰减装置的其他应用。

尽管在本文中已经示出并描述了本发明的仅某些特征，但是本领域的技术人员将想到许多修改和改变。

Claims (8)

1.一种具有声音衰减装置的涡轮发动机系统，包括：

涡轮发动机(42)；以及

声音衰减装置(68)，其定位成接收在所述涡轮发动机(42)上游或下游的声波，其中所述声音衰减装置(68)包括：

中空的壁(70)，具有声音衰减腔(77)；

设置在所述中空的壁(70)的声音衰减腔(77)中的声音衰减材料(78)；以及

进入所述中空的壁(70)的多个开口(76)，其中该开口(76)设置成与突起(100)相邻，所述突起(100)使得声波能够进入所述中空的壁(70)并实质地阻塞所述声波离开所述中空的壁(70)；

所述突起包括锥形突起，该锥形突起从中空的壁向着声音衰减腔的内部向内延伸，并且全部地覆盖孔以阻止直线路径通过孔；

所述中空的壁包括相对于设置在中空的壁内的声音衰减材料彼此相对的第一和第二孔壁，所述第一孔壁包括具有多个第一锥形突起的多个第一开口，所述第一锥形突起从所述第一孔壁向着声音衰减腔内部向内延伸；所述第二孔壁包括具有多个第二锥形突起的多个第二开口，所述第二锥形突起从所述第二孔壁向着声音衰减腔内部向内延伸；所述多个第一和第二锥形突起用于引导声波进入声音衰减材料，同时使声波在第一和第二孔壁之间被反射行进，其中，所述多个第一锥形突起各自包括第一段，该第一段相对于第一顶点周围的第二段向内成角度，所述多个第二锥形突起各自包括第三段，该第三段相对于第二顶点周围的第四段向内成角度，所述第二顶点设置在所述第一顶点对面。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述中空的壁(70)的导管，其中沿着所述导管的内部设置所述多个开口(76)。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述突起(100)与所述开口(76)重叠以阻塞通过所述开口(76)的直路径。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开口(76)和突起(100)共同地限定在所述中空的壁(70)的至少一侧中的不平穿孔的图案。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述突起(100)包括沿着所述中空的壁(70)的至少一侧连续的多个成角度的板条(106)，而所述开口(76)设置在所述成角度的板条(106)之间。

6.一种声音衰减系统，包括：

声音衰减装置(68)，包括：

具有开口(76)的不平图案的穿孔的壁(70)；

邻近所述穿孔的壁(70)的声音捕获区域；以及

声音衰减材料；

所述穿孔的壁包括第一孔壁及第二孔壁；

所述第一孔壁沿声音衰减材料的第一侧延伸，其包括具有多个第一锥形突起的多个第一开口，所述多个第一锥形突起相对于第一孔壁向声音衰减材料内部倾斜；

所述第二孔壁沿声音衰减材料的第二侧延伸，该第二侧与所述第一侧相对，所述第二孔壁包括具有多个第二锥形突起的多个第二开口，所述多个第二锥形突起相对于第二孔壁向声音衰减材料内部倾斜；所述多个第一和第二锥形突起用于引导声波进入声音衰减材料，同时使声波在第一和第二孔壁之间被反射行进；

其中，在通过所述第一孔壁和第二孔壁的垂直方向上，所述多个第一锥形突起和多个第二锥形突起完全阻挡了声波的直线路径，且其中，所述多个第一锥形突起各自包括第一段，该第一段相对于第一顶点周围的第二段向内成角度，所述多个第二锥形突起各自包括第三段，该第三段相对于第二顶点周围的第四段向内成角度，所述第二顶点设置在所述第一顶点对面。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述穿孔的壁(70)包括板，所述板具有限定所述不平图案的突起(100)和开口(76)二者的多个变形部分。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述不平图案包括向着噪声源倾斜的成角度的部分(100)。