CN102444447A - 一种球形-半球形多腔室消声器 - Google Patents

Abstract

一种球形-半球形多腔室消声器，它由气流入口管道、多个球半径不同的半球形腔室、连接管道以及气流出口管道依次联结而成，该气流入口管道进气端与噪声源设备排气口连接，气流入口管道出气端与球半径最大的半球形腔室中心部位连通，多个半球形腔室通过连接管道在中心部位连接，气流出口管道的进气端与球半径最小的半球形腔室中心部位连通，气流出口管道的排气端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道和连接管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同；各腔室之间可以以串联、并联、混合式联结以及包络式联结等形式组合在一起；本发明独特的球面反射聚焦结构使碰撞腔室内壁的反射声波与随后的入射声波能量相互抵消，大大提高了消声器性能，特别适用于高温、水汽、油灰等恶劣条件下的噪声控制。

Description

一种球形-半球形多腔室消声器

技术领域：

本发明涉及一种消声器，特别涉及一种球形-半球形多腔室消声器。它适用于进气、排气等形式的噪声治理，尤其适用于大功率柴油机等内燃机的进气、排气噪声的治理，属于环保设备技术领域。 

背景技术：

消声器主要分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器三大类。 

阻性消声器是利用气流管道内不同结构形式的多孔吸声材料等形式吸收声能来降低噪声的消声器，这类消声器的消声量主要取决于所用吸声层的吸声系数和吸声表面积及消声器的长度等参数，它对中、高频声音能取得较好的消声效果，其主要缺点是怕高温、水气、油雾、油灰等，因为油灰等杂质会堵塞吸声材料的微孔而减少吸声系数，降低消声效果。 

抗性消声器是通过管道内声学特性的突变将部分声波反射回声源方向，以达到消声目的的消声器，主要适用于降低中低频段的噪声，具有耐高温、构造简单等特点。 

阻抗复合式消声器是将阻性及抗性消声原理组合设计构成的复合式消声器。因为阻性消声器在高频具有优良的消声性能，而抗性消声器在中低频有较好的消声性能，将两者组合就可以在较宽的频带内都能得到满意的消声效果，但是对排气介质有一定的要求。 

常见的抗性消声器为圆柱形结构，并且设计过程中没有特定的噪声频率进行设计，消声效率不高。 

发明内容：

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种球形-半球形多腔室消声器，能够有效降低排气进气等形式的噪声。 

本发明为实现上述目的采用半球形-球形多腔室结构，它由气流入口管道、多个半球形或球形腔室、连接管道以及气流出口管道依次联接而成，该气流入口管道进气端与噪声源设备排气口连接，气流入口管道出气端与球半径最大的半球形或球形腔室中心部位连通，多个半球形或球形腔室通过连接管道在中心部位连接，气流出口管道的进气端与球半径最小的半球形或球形腔室中心部位连通，气流出口管道的排气端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道和连接管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同。该半球形或球形腔室是中部开有通孔(孔径与连接管道等径)的封闭性半球或球。多个半球形或球形腔室的球半径为ri，比如为三个半球或球，其半径依次为r1，r2，r3，且ri的尺寸由噪声源噪声主频fi及噪声源气流温 度C等参数而定，即每个半球形或球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段，计算公式为： 

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{4f_i}$

其中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径。腔室的数目根据具体情况，由于现场工况的限制以及消声性能的要求，可选取2～5个。各个腔室一般沿同一轴线连接，也可以成一定角度串联连接；根据具体情况，各个腔室之间可以串联连接、并联连接、混合式连接和包络式连接四种形式，以达到最佳的消声效果。 

如图2和图3所示为串联式连接结构，由气流入口管道、多个半球形或球形腔室、连接管道以及气流出口管道依次串联而成。采用串联的半球形-球形多腔室消声器的结构尺寸参数按以下方法确定，设Φ₁、Φ₂为消声器的气流入口、出口直径，D₁，D₂为消声器的入口端、出口端管道长度，l₁，l₂为连接管道的长度，r₁，r₂，r₃为第1，2，3级腔室的半径。每一个腔室并不一定正好是半球形，在对称中心面上的圆心角分别为α₁，α₂，α₃，它们的理论取值范围为大于0°小于等于360°。当α小于360°时腔室为球形的一部分，当α等于360°时即为球形腔室。各个腔室一般沿同一轴线连接，根据实际情况，也可以成角度串联连接，其中β₁，β₂为相邻球形或半球形腔室之间中轴线的夹角，见图3所示。 

如图5所示为并联联结形式结构参数，它是由气流入口管道8、气流出口管道9、10个置于圆柱形封闭外壳13内部且层层包裹且分布有通气孔的半球形腔室10、11、12同一轴线连接组合而成，该气流入口管道的进气口一端与噪声源设备排气口连接，排气口一端与圆柱形封闭外壳13相通；该气流出口管道的进气口一端伸进圆柱形封闭外壳13内部并与其相通，排气口一端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同；半球形腔室10、12中部设置有一通孔；在半球形腔室11的球面上沿气流入、出口管道中心线的四周均匀分布一定数目的通气孔。3个半球形腔室的球半径依次为r₁，r₂，r₃，r₁＜r₂＜r₃，且保持同心。由于受到外部圆柱形外封闭外壳的限制，部分腔室可以不是完整的半球，只是球面的一部分。 

混合式联结结构参数见图6，它是由一条气流主干通道与两条气流支线通道并联连接而成(图1中显示的示例有2条支线通道)。该气流主干通道是由气流入口管道、3个半球形腔室、主干腔室连接管道和气流出口管道同轴线串连而成；该气流入口管道的一端即进气口与噪声源设备排气口连接，另一排气口端与第一个半球形腔室相通；该主干腔室连接管道将3个半球形腔室连通；该气流出口管道的一端即进气口与最后半球形腔室相通，另一排气口端通往大气；该气流入口管道、主干腔室连接管道及气流出口管道等径，并与噪声源设备排气 口直径相同；该两条气流支线通道以气流主干通道的中心线为对称轴，均匀分布在其两旁四周。每一条气流支线通道(以图中支线通道1为例)从主干通道的第一个半球形腔室15起始，由两个半球形腔室17、21和支线腔室连接管道16、18、22依次连接而成，最后汇入气流主干通道的最后一个半球形腔室23。其中，半球形腔室17、26的中心线与气流主干通道的中心线有夹角，气流支线通道1上两腔室之间有夹角；支线腔室连接管道直径与主干腔室连接管道相同。 

包络式联接结构参数见图7，它是由气流入口管道31、圆球形封闭外壳32、多级层层包裹的球形腔室33、34、气流出口管道35以及球形腔室之间的连接支杆36等连接组合而成，该气流入口管道的一端即进气口与噪声源设备排气口连接，另一排气口端与圆球形封闭外壳32相通；该气流出口管道的一端即进气口与圆球形封闭外壳32相通，另一排气口端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同；各腔室沿气流入、出口中心线方向形成一通孔，孔径同气流入、出口管道直径；该球形腔室之间的连接支杆36是圆杆形状，它连接和支撑相邻两球壁；该球形腔室33、34是球壁上开有多个通孔的圆球形外壳；球形腔室33、34的通气孔位置相互错位，不能正对，以保证气流和声波在强势中充分反射碰撞。通过设计合理的尺寸，可以使气流在通过时，由于周边空间产生负压，导致气流流向在各级球形腔室中，声波在其中反射相消，起到降低噪声的作用。 

3、优点及功效：本发明的有益效果是：本发明提出的半球形-球形结构的消声器可以针对特定的噪声频率进行设计，独特的球面反射聚焦结构使碰撞腔室内壁的反射声波与随后的入射声波能量相互抵消，大大提高了消声器性能，它相比传统的圆柱形内插管消声器具有消声性能好，结构简单等优点，并能够减小消声器的相应尺寸，特别适用于高温、水汽、油灰等恶劣条件下的噪声控制，比如柴油机等设备的进气、排气噪声控制。优点主要体现在以下几点： 

一、独特的球面反射聚焦结构使碰撞腔室内壁的反射声波与随后的入射声波能量相互抵消，其消声效率比传统的圆柱形等结构形式的消声器的消声性能都要高。 

二、结构简单，可以有效地减小消声器的尺寸。 

三、可针对特定的噪声频率来设计消声器的结构尺寸。本发明中各个腔室的大小即半径是不同的，目的是对应不同的降噪频率。 

四、噪声声波在层层包络的气流通道中经历多次反射对冲，多次干涉相消，具有更好的消声效果。 

附图说明：

图1为半球形三腔室消声器基本结构示意图 

1——气流入口管道 

2——气流出口管道 

3——串联型结构第一半球形腔室 

4——串联型结构第一连接管道 

5——串联型结构第二半球形腔室 

6——串联型结构第二连接管道 

7——串联型结构第三半球形腔室 

r _i——第i级腔室的半径，i＝1，2，3... 

图2为三个腔室同轴连接的半球形多腔室消声器详细结构示意图，其中： 

Φ₁，Φ₂——气流入口、出口管道直径， 

D₁，D₂——气流入口端、出口端管道长度 

l₁，l₂——连接管道的长度 

r₁，r₂，r₃——第i级腔室的半径，i＝1，2，3 

α₁，α₂，α₃——对称面上第i级半球行腔室的圆心角，i＝1，2，3 

图3为三个腔室不同轴，成一定角度连接的半球形多腔室消声器详细结构示意图，其中： 

β₁，β₂，相邻半球形腔室之间中轴线的夹角 

图4为串联式联结球形多腔室消声器结构示意图。 

图5为并联式联结半球形多腔室消声器基本结构示意图 

图中符号说明如下： 

8——气流入口管道； 

9——气流出口管道； 

10——并联式联结结构中央有通气孔的第1级腔室； 

11——并联式联结结构分布有多个通气孔的第2级腔室； 

12——并联式联结结构中央有通气孔的第3级腔室； 

13——并联式联结结构圆柱形封闭外壳； 

Φ₁，Φ₂——气流入口、出口管道直径； 

Φ₃——圆柱形封闭外壳的直径； 

D₁——气流入口端管道长度； 

D₂——气流出口端管道位于腔室外部分的长度； 

D₃——气流出口端管道插入腔室内部分的长度； 

D₄——圆柱形封闭外壳的长度； 

r₁，r₂，r₃——第i级腔室的半径，i＝1，2，3； 

图6为混合联接式半球形多腔室消声器基本结构。 

图中符号说明如下： 

14——混合联接式结构气流入口管道； 

15——混合联接式结构主干通道第1半球形腔室； 

16——混合联接式结构支路通道1第1连接管道； 

17——混合联接式结构支路通道1第1半球形腔室； 

18——混合联接式结构支路通道1第2连接管道； 

19——混合联接式结构主干通道第2半球形腔室； 

20——主干腔室第2连接管道； 

31——混合联接式结构支路通道1第2半球形腔室； 

22——混合联接式结构支路通道1第2连接管道； 

23——混合联接式结构主干通道第3半球形腔室； 

24——混合联接式结构气流出口管道； 

25——混合联接式结构支路通道2第1连接管道； 

26——混合联接式结构支路通道2第1半球形腔室； 

27——混合联接式结构主干腔室第1连接管道； 

28——混合联接式结构支路通道2第2连接管道； 

29——混合联接式结构支路通道2第2半球形腔室； 

30——混合联接式结构支路通道2第3连接管道； 

Φ₁，Φ₂——气流入口、出口直径； 

D₁——气流入口端管道长度； 

D₂——气流出口端管道长度； 

r⁰ _i——气流主干通道上的第i级腔室的半径，i＝1，2，3... 

r¹ _i气流支线通道1上的第i级腔室的半径，i＝1，2， 

r² _i气流支线通道2上的第i级腔室的半径，i＝1，2， 

l⁰ _i——气流主干通道上相邻腔室之间连接管道的长度，i＝1，2， 

β¹ ₁——气流支线通道1与主干通道的中心线的夹角； 

β¹ ₂——气流支线通道1上两腔室之间的夹角； 

l¹ _i——气流支线通道1上相邻腔室之间连接管道的长度； 

β² ₁——气流支线通道2与主干通道的中心线的夹角； 

β² ₂——气流支线通道2上第一级腔室与第二级腔室之间的夹角； 

l² _i——气流支线通道2上相邻腔室之间连接管道的长度。 

图7a为气流直通型包络式球形消声器结构示意图。 

图7b为气流非直通型包络式球形消声器结构示意图。 

图中符号说明如下： 

31——包络式结构气流入口管道 

32——包络式结构圆球形封闭外壳 

33——包络式结构分布有通气孔的球形腔室1 

34——包络式结构分布有通气孔的球形腔室2 

35——包络式结构气流出口管道 

36——包络式结构球形腔室之间的连接支杆 

Φ₁，Φ₂——气流入口、出口管道直径 

D₁——气流入口端管道长度 

D₂——气流出口端管道长度 

r_i——第i级球形腔室的半径，i＝1，2，3... 

图8为圆柱形消声器形状结构简图。 

图9为圆锥形消声器形状结构简图。 

图10为半球形消声器形状结构简图。 

图11为三种形状消声器传递损失对比曲线。 

图12为不同α取值消声器传递损失对比曲线。 

图13为不同β取值消声器传递损失对比曲线。 

图14为单腔室结构半球形消声器示意图。 

图15为双腔室结构半球形消声器示意图。 

图16为不同腔室数目消声器传递损失对比曲线。 

具体实施方式：

已知某型号柴油机的排气管直径为260mm，正常工作时排气平均温度为600℃。利用声学仪器测得噪声频谱中以频率为432Hz，494Hz，665Hz处的噪声分贝值最大。 

所以设计该消声器气流入口出口管道直径应为260mm。选用各种尺寸腔室的半径分别为： 

$r_1=\frac{331.3+0.606*600}{4*432}=0.4000\left(m\right)=400\mathrm{mm}$

$r_2=\frac{331.3+0.606*600}{4*494}=0.3498\left(m\right)\≈350\mathrm{mm}$

$r_3=\frac{331.3+0.606*600}{4*665}=0.2598\left(m\right)\≈260\mathrm{mm}$

实施例1：串联式联结半球形三腔室消声器 

见图1，本发明球形-半球形多腔室消声器各腔室采用串联式联结，它由气流入口管道、多个半球形腔室、连接管道以及气流出口管道依次串联而成，该气流入口管道进气端与噪声源设备排气口连接，气流入口管道出气端与球半径最大的半球形腔室中心部位连通，多个半球形腔室通过连接管道在中心部位连接，气流出口管道的进气端与球半径最小的半球形腔室中心部位连通，气流出口管道的排气端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道和连接管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同。该半球形腔室是中部开有通孔(孔径与连接管道等径)的封闭性半球。多个半球形腔室的球半径为r_i，比如为三个半球，其半径依次为r₁，r₂，r₃，且r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源气流温度C等参数而定，即每个球形或半球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段，计算公式为： 

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{{4f}_i}$

其中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径。腔室的数目根据具体情况，由于现场工况的限制以及消声性能的要求，可选取多个。各个腔室一般沿同一轴线连接，也可以成一定角度连接，根据具体情况，以达到最佳的消声效果。 

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。 

如图2和图3所示，使对称中心面上的圆心角α₁，α₂，α₃取值均为180°，相邻半球形腔室之间中轴线的夹角β₁，β₂取值均为180°时，即形成半球形腔室共轴线串联的三腔室消声器，如图1所示。本实施例的其它参数如表1所示： 

表1串联半球形三腔室消声器参数表 

气流入口、出口管道直径Φ1，Φ2	Φ1＝Φ2＝260mm
		气流入口端、出口端管道长度D1，D2	D1＝D2＝100mm
连接管道的长度l1，l2	l1＝l2＝80mm
		第i级腔室的半径ri	r1＝400mm，r2＝350mm，r3＝260mm

[0120] 

相邻半球形腔室之间中轴线的夹角β1，β2，

β1＝β2＝180°

实施例2：串联式联结球形三腔室消声器 

使对称中心面上的圆心角α₁，α₂，α₃取值均为360°，相邻半球形腔室之间中轴线的夹角β₁，β₂取值均为180°时，需要将每个腔室的入口管道内插至球心处，即形成球形腔室共轴线串联的三腔室消声器，如附图6所示。本实施例的其它参数如表2所示： 

表2球形三腔室消声器详细参数 

气流入口、出口管道直径Φ1，Φ2	Φ1＝Φ2＝260mm
		气流入口端、出口端管道长度D1，D2	D1＝D2＝100mm
连接管道的长度l1，l2	l1＝l2＝80mm
		第i级腔室的半径ri	r1＝400mm，r2＝350mm，r3＝260mm
相邻半球形腔室之间中轴线的夹角β1，β2，	β1＝β2＝180°

实施例3：并联式联结半球形多腔室消声器 

见图5所示，本发明一种半球形多腔室消声器，各腔室采用并联式联接，它是由气流入口管道1、气流出口管道个置于圆柱形封闭外壳内部且层层包裹的且分布有通气孔的半球形腔室同一轴线连接组合而成，该气流入口管道1的一端即进气口与噪声源设备排气口连接，另一端即排气口与圆柱形封闭外壳相通；该气流出口管道的进气口一端伸进圆柱形封闭外壳内部并与其相通，排气口一端通往大气；该气流入口管道气流出口管道等径，为260mm，并等于噪声源设备排气口直径；半球形腔室中部设置有一通孔，其孔径尺寸与气流入口管径相同，为260mm，；在半球形腔室的球面上沿气流入、出口管道中心线的四周均匀分布2个通气孔，其通孔尺寸与气流入口管径相同，也为260mm。3个半球形腔室的球半径依次为r₁＝260mm，r₂＝350mm，r₃＝400mmr₁＜r₂＜r₃，且保持同心。由于受到外部圆柱形外封闭外壳的限制，部分腔室可以不是完整的半球，只是球面的一部分。且r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源排气气流温度即腔室内工作状态下温度C确定，即每个半球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段。 

计算公式为： 

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{{4f}_i}$

其中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径； 

其中，该气流入口管道的长度是100mm； 

其中，该气流出口管道的总长度是300mm；位于腔室外部分的长度是100mm； 

其中，该圆柱形封闭外壳的直径是700mm； 

其中，该圆柱形封闭外壳的长度是800mm。 

其具体结构参数如表3所示。 

表3一款半球形并联多腔室消声器详细参数 

气流入口、出口管道直径Φ1，Φ2	Φ1＝Φ2＝260mm
		圆柱形封闭外壳的直径Φ3	Φ3＝700mm
气流入口端管道长度D1	D1＝D2＝100mm
		气流出口端管道位于腔室外部分的长度D2	D2＝100mm
气流出口端管道插入腔室内部分的长度D3	D3＝200mm
		圆柱形封闭外壳的长度D4	D4＝800mm
第i级腔室的半径ri	r1＝260mm，r2＝350mm，r3＝400mm

实施例4：混合联接式半球形多腔室消声器 

见图6，本发明一种半球形多腔室消声器，各腔室采用混合联接式联结，它是由一条气流主干通道与两条气流支线通道并联连接而成(图1中显示的示例有2条支线通道)。该气流主干通道是由气流入口管道、3个半球形腔室、主干腔室连接管道和气流出口管道同轴线串连而成；该气流入口管道的一端即进气口与噪声源设备排气口连接，另一排气口端与第一个半球形腔室相通；该主干腔室连接管道将3个半球形腔室连通；该气流出口管道的一端即进气口与最后半球形腔室相通，另一排气口端通往大气；该气流入口管道、主干腔室连接管道及气流出口管道等径，并与噪声源设备排气口直径相同；该两条气流支线通道以气流主干通道的中心线为对称轴，均匀分布在其两旁四周。每一条气流支线通道(以图中支线通道1为例)从主干通道的第一个半球形腔室起始，由两个半球形腔室和支线腔室连接管道依次连接而成，最后汇入气流主干通道的最后一个半球形腔室。其中，半球形腔室的中心线与气流主干通道的中心线有夹角，气流支线通道1上两腔室之间有夹角；；支线腔室连接管道直径与主干腔室连接管道相同。该各半球形腔室的半径r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源排气气流温度即腔室内工作状态下温度C确定，即每个半球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段。计算公式为： 

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{{4f}_i}$

式中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径。 

根据某噪声源的噪声特性，通过详细计算，设计出一款混合联接式半球形多腔室消声器，其具体结构参数如表4所示。 

表4一款混合联接式半球形多腔室消声器详细参数 

气流入口、出口管道直径Φ1，Φ2	Φ1＝Φ2＝260mm
		气流入口端管道长度D1	D1＝100mm
气流出口端管道长度D2	D2＝100mm
		气流主干通道上的第i级腔室的半径r0 i	r0 1＝400mm，r0 2＝260mm，r0 3＝350mm
气流支线通道1上的第i级腔室的半径r1 i	r1 1＝260mm，r1 2＝200mm
		气流支线通道2上的第i级腔室的半径r2	r2 1＝260mm，r2 2＝200mm
气流主干通道上相邻腔室之间连接管道的长度l0 i	l0 1＝150mm，l0 2＝300mm，
		气流支线通道1上相邻腔室之间连接管道的长度l1 i	l1 1＝150mm，l1 2＝300mm，l1 3＝150mm
气流支线通道2上相邻腔室之间连接管道的长度l2 i	l2 1＝150mm，l2 2＝300mm，l2 3＝150mm
		气流支线通道1与主干通道的中心线的夹角β1 1	30°
气流支线通道1上两腔室之间的夹角β1 2	120°
		气流支线通道2与主干通道的中心线的夹角β2 1	30°
气流支线通道2上两腔室之间的夹角β2 2	120°

实施例5：包络式联结球形消声器 

具体实施见图7，本发明一种球形多腔室消声器，各腔室采用包络式联结，它是由气流入口管道、圆球形封闭外壳、多级层层包裹的球形腔室、气流出口管道以及球形腔室之间的连接支杆连接组合而成，该气流入口管道的一端即进气口与噪声源设备排气口连接，另一端即排气口与圆球形封闭外壳相通，该气流出口管道的一端即进气口与圆球形封闭外壳相通，另一端即排气口端通往大气；该气流入口管道、气流出口管道等径，并等于噪声源设备排气口直径，为260mm；各球形腔室沿气流入、出口中心线方向形成一通孔，孔径同气流入、出口管径，为260mm；该球形腔室之间的连接支杆是圆杆形状，直径是12mm，它连接和支撑相邻两球壁；该球形腔室是球壁上开有多个通孔的圆球形外壳；通孔孔径同气流入、出口管径，为260mm；但内部两个球形腔室的通气孔位置要求不能正对，以保证气流和声波在强势中充 分反射碰撞。通过设计合理的尺寸，可以使气流在通过时，由于周边空间产生负压，导致气流流向在各级球形腔室中，声波在其中反射相消，起到降低噪声的作用。各球形腔室的半径r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源排气气流温度即腔室内工作状态下温度C确定，即每个球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段。 

计算公式为： 

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{{4f}_i}$

式中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径； 

其中，该气流入口、出口管道的长度是200mm； 

其中，该圆球形封闭外壳的直径是400mm。 

其中，该球形腔室之间的连接支杆的直径是12mm。 

其中，内部腔室上的通孔数目为6个，通孔直径为100mm。 

根据某噪声源的噪声特性，通过详细计算，设计出一款包络式球形消声器，其具体结构参数如表5所示。 

表5一款包络式球形消声器详细参数 

气流入口、出口管道直径Φ1，Φ2	Φ1＝Φ2＝260mm
		气流入口端管道长度D1	D1＝200mm
气流出口端管道长度D2	D2＝200mm
		第i级球形腔室的半径ri	r1＝260mm，r2＝350mm，r3＝400mm
球形腔室之间的连接支杆直径d	d＝12mm
		第1级与第2级腔室之间连接杆长度l1	l1＝90mm
第2级与第3级腔室之间连接杆长度l2	l2＝50mm

性能比较： 

1.半球形腔室与其他形状腔室消声器消声性能的比较 

为了验证不同消声器不同的形状对于传递损失的影响，分别对普通圆柱形消声器(编号为A01)、圆锥形消声器(编号为A02)、半球形消声器(编号为A03)进行了对比模拟实验。实验思路为：设定各主要尺寸条件相同，把形状作为实验变量，进行对比分析不同的形状对于消声性能的影响，结果证明整体消声效果为半球形消声器最优。 

实验设定共同条件如表6所示。 

表6消声性能对比实验控制条件参数表 

参数名称	数值
		气流入口管道直径	260mm
消声器腔室长度	400mm
		腔室入口端直径	800mm
气流入口处扩张比	9.47
		气流密度	1.225kg/m3
计算声速	340m/s

实验变量为单腔室消声器腔室的形状。三种消声器的形状分别为圆柱形、圆锥形、半球形，如表7所示。 

表7三种消声器形状对比表 

在50-1000Hz频谱范围内，三种消声器的传递损失仿真计算结果如图11所示，三种消声器传递损失具体数据对比如表8所示： 

表8三种消声器具体消声参数对比 

消声器编号	A01圆柱形	A02圆锥形	A03半球形
				传递损失极大值1(dB)	19.231	48.037	36.596
对应频率1(Hz)	310	490	490
				传递损失极大值2(dB)	34.891	35.106	39.52
对应频率2(Hz)	890	980	780
				传递损失平均值(dB)	6.92	8.48	11.99

从表中的数据看出：在现在的尺寸条件下，在50-1000Hz的范围内，A03号消声器即半球形消声器传递损失平均值最高，消声性能最好。A02圆锥形消声器与A03半球形的传递损失曲线接近，且在低频段的峰值A02高于A03；但A03的第二峰值出现更接近低频段，且第一峰值也是比较大的，且整体平均传递损失A03最大，所以，综合评价A03优于A02优于A01；但在低频段，A02优于A03。不过，由于目前的实验尺寸并未针对特定的基频，所以，A03更容易把传递损失峰值向低频段直至基频靠拢，达到最高的传递损失。 

2.改变对称中心面上的圆心角α对消声性能的影响 

在对称中心面上的圆心角α的取值范围内分别设计A05(α＝240°)，A06(α＝120°)，与A03(α＝180°)，进行对比分析，模拟实验结果如图12所示。A03、A05、A06的平均传递损失分别为12.60dB，14.69dB，15.09dB，变化并不明显，消声性能没有明显的变化，可以作为结构组合的基础。这里需要注意的是，若α取360°，即为球形腔室，则需要将入口管 道插入至球心处，这样才能发挥球形腔室内壁面的反射效果，达到最佳的消声性能。 

3.改变相邻半球形腔室之间中轴线的夹角β对消声性能的影响 

设计β＝150°，与A03，β＝180°进行对比分析，模拟实验结果如图13所示。从图中可以看出，β＝180°时的传递损失略高于β＝150°时的传递损失，两者的平均传递损失分别为15.15dB和25.72dB。虽然改变β的大小会对传递损失产生一定的影响，但可以作为一种组合结构的基础，另有专利文件专门说明。 

4.不同腔室数目传递损失的比较 

为验证增加腔室数目对于消声性能的影响，在实例1中A03号单腔室消声器(图14)的基础上，增加腔室，形成两腔室半球形消声器(图15)、三腔室半球形消声器、五腔室半球形消声器。仿真分析实验结果如图16所示。 

从图8中可以看出，两腔室叠加的效果明显好于单腔室的消声器，具体对比如表6： 

表9不同腔室数目消声器消声性能对比 

消声器腔室数目	单腔室	双腔室	三腔室	五腔室
					传递损失极大值1(dB)	36.596	50.611	57.702	82.34
对应频率1(Hz)	490	490	490	490
					传递损失极大值2(dB)	-1.778	39.989	53.308	42.791
对应频率2(Hz)	670	670	680	670
					传递损失极大值3(dB)	39.52	50.335	76.974	129.379
对应频率3(Hz)	780	780	790	790
					平均传递损失(dB)	11.99	21.726	29.516	44.037

可以看出双腔室叠加型消声器与单腔室相比较出现传递损失峰值的频率是同步的，而且双腔室还多出一个峰值，这也是第二级腔室的作用的结果。整体来看。在50-1000Hz范围内，增加消声器的腔室数目，可以显著增加消声器的传递损失。 

与传统的消声器相比，本发明具有以下优点： 

1、独特的球面反射聚焦结构使碰撞腔室内壁的反射声波与随后的入射声波能量相互抵消，其消声效率比传统的圆柱形等结构形式的消声器的消声性能都要高。 

2、结构简单，可以有效地减小消声器的尺寸。 

3、可针对特定的噪声频率来设计消声器的结构尺寸。本发明中各个腔室的大小即半径是不同的，目的是对应不同的降噪频率。 

4、噪声声波在层层包络的气流通道中经历多次反射对冲，多次干涉相消，具有更好的消 声效果。 

Claims (9)

1.一种球形-半球形多腔室消声器，由气流入口管道、多个球形或半球形腔室、连接管道以及气流出口管道依次联接而成，其特征在于：气流入口管道(既进气端)与噪声源设备排气口连接，气流入口管道的另一端插入第一个球形或半球形腔室内并连通，第一个球形或半球形腔室与多个球形或半球形腔室通过连接管道连接，最后一级球形或半球形腔室内插入一个气流出口管道并与大气连通。

2.根据权利要求1所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：所述的多个腔室并联连接，由气流入口管道、气流出口管道、多个置于圆柱形封闭外壳内部且层层包裹且分布有通气孔的半球形腔室同一轴线连接组合而成，该气流入口管道的进气口一端与噪声源设备排气口连接，排气口一端与圆柱形封闭外壳相通；该气流出口管道的进气口一端伸进圆柱形封闭外壳内部并与其相通，排气口一端通往大气。

3.根据权利要求1及权利要求2所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：半球形腔室中部设置有一通孔，在半球形腔室的球面上沿气流入、出口管道中心线的四周均匀分布一定数目的通气孔。

4.根据权利要求1所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：所述的球形或半球形多腔室呈混合式联接，由一条气流主干通道与多条气流支线通道并联连接而成；每条气流通道是由气流入口管道、或多个半球形腔室、主干腔室连接管道和气流出口管道同轴线串连而成。

5.根据权利要求1、权利要求4所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：每一条气流支线通道从主干通道的第一个半球形腔室起始，由两个半球形腔室和支线腔室连接管道依次连接而成，最后汇入气流主干通道的最后一个半球形腔室；其中，半球形腔室的中心线与气流主干通道的中心线有夹角，气流支线通道1上两腔室之间有夹角；支线腔室连接管道直径与主干腔室连接管道相同。

6.根据权利要求1所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：所述的球形或半球形多腔室呈包络式联接，它是由气流入口管道、圆球形封闭外壳、多级层层包裹的球形腔室、气流出口管道以及球形腔室之间的连接支杆连接组合而成。

7.根据权利要求1、权利要求6所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：该球形腔室之间有连接支杆连接和支撑相邻两球壁；该球形腔室是球壁上开有数个通孔的圆球形外壳；内部相邻两球形腔室的通孔不能正对。

8.根据权利要求1-7所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：多个球形或半球形腔室的球半径为r_i，r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源气流温度C等参数而定，即每个球形或半球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段；

9.根据权利要求1-8所述的一种球形-半球形多腔室消声器，其特征在于：多个球形或半球形腔室的球半径为r_i，r_i的尺寸由噪声源噪声主频f_i及噪声源气流温度C等参数而定，即每个球形或半球形腔室的不同结构大小对应不同的消声频率段，可按以下公式计算：

$r_i=\frac{331.3+0.606C}{4f_i}$

其中，f_i表示噪声源噪声主频率，C表示腔室内工作状态下温度，r_i表示第i个腔室的球半径；腔室的数目根据具体情况，由于现场工况的限制以及消声性能的要求选取。

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