CN103353042A - 压力自适应低频宽带弹性共振消声装置 - Google Patents

Abstract

压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，包括液体管道，液体管道的管壁开孔与外侧密闭腔体通过腔颈连通，腔体开口端由弹性壁板及密封垫密闭，腔体的壳体端头带有法兰部分，弹性壁板、密封垫与腔体的法兰部分紧固连接，弹性壁板另一侧密封连接有压环，或者弹性壁板另一侧密封连接有带有背压腔的中空壳体，背压腔内通入高压气体或液体，背压腔通入液体时，需在背压腔的内壁面上粘接有粘弹性阻尼橡胶或吸声橡胶。本发明能够实现液体管路的低频消声，且结构尺寸小，而且根据消声频率组合使用本发明的消声装置，能够实现宽频消声，同时也能满足承受管路中流道压力的使用要求。

Description

压力自适应低频宽带弹性共振消声装置

技术领域

本发明涉及共振腔消声器，具体涉及应用于水介质等重介质液体的液体管路的噪声控制以及水下结构的吸声障板的低频消声。

背景技术

共振腔消声器通常安装在管道壁面或需要采取声吸收的壁面上，由壁面开孔与外侧密闭谐振腔体相通构成声谐振器，它是利用腔内介质受入射声波激励产生声振荡而对入射声产生吸收和反射，当入射声波频率和腔内介质的振荡频率相同时，腔内声介质产生共振，在该频率处产生较高的吸声效果。该吸声频率的波长为管子的4倍的声学长度，要实现低频的吸声，就需要较长的谐振腔，为解决该问题，Helmholtz提出了Helmholtz共振腔，它属于典型的声谐振器，其由较小尺寸的腔颈和较大尺寸的腔体构成。在腔颈和腔体构成的声谐振器中，腔颈中的介质提供声质量，腔体中介质的可压缩性相当于声弹簧，由质量——弹簧组成声振荡系统，当入射声波频率和该声振荡系统频率一致时，振荡系统产生共振使该频率的声能量一部分被振荡吸收，一部分被反射回主管道中，较少的声能量通过主管道继续向前传播，从而达到管道降噪消声的效果。Helmholtz共振腔的消声频率与腔体的容积密切相关，和腔体容积的平方根成反比。在空气管道消声中，由于空气介质的可压缩性较好，较小的Helmholtz共振腔腔体容积就能实现低频消声，且消声效果较好。而对于水介质等重介质液体的噪声控制而言，在同样消声频率的条件下，由于水的可压缩极差，且水中声波波长是空气中声波波长的四倍以上，采用Helmholtz共振腔消声器，则需要较大尺寸的腔体，这在水介质等液体管路中安装时常会受到空间的限制，空间利用率极低，因此，相比于空气低频消声，在水介质等液体介质管路中，Helmholtz共振腔消声器很难实现低频消声，更难以实现低频宽带消声。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其能够实现液体管路的低频消声，且结构尺寸小，而且根据消声频率组合使用本发明的消声装置，能够实现宽频消声，同时也能满足承受管路中流道压力的使用要求。

本发明的技术方案如下：

压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，包括液体管道，液体管道的管壁开孔与外侧密闭腔体通过腔颈连通，腔体开口端由弹性壁板及密封垫密闭，弹性壁板、密封垫与腔体紧固连接。

其进一步技术方案为：

所述弹性壁板的另一侧通过密封垫密封连接有压环，弹性壁板、密封垫、压环与腔体的法兰部分紧固连接。

所述弹性壁板的另一侧通过密封垫密封连接有中空壳体，中空壳体内设有背压腔，背压腔正对腔体，中空壳体上设有通孔，通孔为通气孔，弹性壁板、密封垫、中空壳体与腔体紧固连接。

所述弹性壁板的另一侧通过密封垫密封连接有中空壳体，中空壳体设有背压腔，背压腔正对腔体，中空壳体上设有通孔，通孔为液体的进出孔，弹性壁板、密封垫、中空壳体与腔体紧固连接，弹性壁板上设有小孔，背压腔与腔体通过小孔连通，在背压腔的内壁面上粘接有粘弹性阻尼橡胶或吸声橡胶。

所述弹性壁板为金属薄板或橡塑薄板。

所述腔颈的长度为10mm～100mm， 腔颈的内截面直径为Φ10mm～Φ50mm。

所述液体管道的管壁沿轴向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个所述孔所对应的弹性壁板具有相应的模态固有频率。

所述液体管道的管壁沿周向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个所述孔所对应的弹性壁板具有相应的模态固有频率。

本发明的技术效果：

本发明通过在腔体上密闭设有弹性壁板，使得整个共振消声装置的共振频率由腔颈流体声阻抗与腔体及弹性壁板的串联阻抗的耦合频率决定，其中腔体中的流体声阻抗可以基本忽略，主要利用弹性壁板的共振在腔体内产生压缩变形，由此为腔体提供弹性耦合振动声阻抗，所述弹性耦合振动声阻抗的大小由弹性壁板的材料、厚度、尺寸以及阻尼等因素决定，通过对弹性壁板的材料、厚度、其他尺寸的设计，可以使所述弹性耦合振动声阻抗的大小大幅低于腔体中的流体声阻抗，使所述弹性耦合振动声阻抗和腔颈流体声阻抗耦合的频点较低，由此改变并且降低了整个消声装置的共振频率，从而实现低频共振消声，且弹性壁板的耦合振动，增大了消声频率的带宽；同时由于此时腔体中的流体声阻抗可以基本忽略，耦合频率由所述弹性耦合振动声阻抗及腔颈声阻抗决定，因而本发明减小了腔体容积和腔颈尺寸对共振频率的影响，尤其是减小了腔体容积对共振频率的影响，能够实现小尺寸消声装置的低频消声；在实现低频消声且消声装置小尺寸化的基础上，本发明还可以根据不同液体管道内噪声的频率特征，确定需要消除噪声的频段及带宽，通过对弹性壁板的材料、厚度以及尺寸进行选配，从而可以相应设计不同消声频率的多个本发明的消声结构，适用于不同消声要求的液体管道，也可以在相同液体管道上布置消声频率不同的多个本发明的消声装置，从而提高消声效果，拓宽消声频带，实现宽频消声。

附图说明

图1为本发明压力自适应低频宽带弹性共振消声装置的第一实施例的结构示意图。

图2为本发明压力自适应低频宽带弹性共振消声装置的第二实施例的结构示意图。

图3为本发明压力自适应低频宽带弹性共振消声装置的第三实施例的结构示意图。

图4为消声频率不同的多个本发明的消声结构沿液体管道轴向分布安装的布局示意图。

图5为消声频率不同的多个本发明的消声结构沿液体管道周向分布安装的布局示意图。

其中：1、液体管道；2、腔体；21/71、法兰部分；3、腔颈；4、弹性壁板；41、小孔；5、密封垫；6、压环；7、中空壳体；8、背压腔；9、通孔；10、粘弹性阻尼橡胶或吸声橡胶；11、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2、图3，本发明包括液体管道1，液体管道1的管壁开孔与外侧密闭腔体2通过腔颈3连通，腔体2开口端由弹性壁板4及密封垫5密闭，腔体2的开口端的壳体上带有法兰部分21，弹性壁板4、密封垫5与腔体2的法兰部分21通过螺栓11、螺母及垫圈组件紧固连接。

所述弹性壁板4为金属薄板或橡塑薄板，其结构强度较小，为了保护弹性壁板4，本发明涉及根据液体管道1的流体压力情况对弹性壁板4两侧的压力进行平衡的进一步改进。

第一实施例

见图1，所述弹性壁板4的另一侧通过密封垫5密封连接有压环6，弹性壁板4、密封垫5、压环6与腔体2的法兰部分21通过螺栓11、螺母及垫圈组件紧固连接。该实施例的消声装置适用于液体管道1的压力为常压或压力较低的情况，此时，根据弹性壁板4的厚度确定其是否满足液体管道1的压力要求，在满足的情况下，可以仅用压环6将密封垫5、弹性壁板4固定在腔体2上，同时可以防止漏水（其他液体）。

第二实施例

见图2，所述弹性壁板4的另一侧通过密封垫5密封连接有中空壳体7，中空壳体7内设有背压腔8，背压腔8正对腔体2，背压腔8背离弹性壁板4的一侧的中空壳体7上设有通孔9，通孔9为通气孔，中空壳体7面对弹性壁板4的一端带有法兰部分71，弹性壁板4、密封垫5、中空壳体7的法兰部分71与腔体2的法兰部分21通过螺栓11、螺母及垫圈组件紧固连接。该实施例的消声装置适用于液体管道1的压力较高的情况，为了保护弹性壁板4，防止其被压坏，此时在弹性壁板4的另一侧设置背压腔8，是为了对弹性壁板4两侧的压力进行平衡，对液体管道1的压力进行平衡，该实施例的平衡方式是采用气压平衡，即在中空壳体7上设置通气孔9，使背压腔8通入一定量的高压气体，使弹性壁板4两侧的压力平衡。

第三实施例

见图3，所述弹性壁板4的另一侧通过密封垫5密封连接有中空壳体7，中空壳体7设有背压腔8，背压腔8正对腔体2，背压腔8背离弹性壁板4的一侧的中空壳体7上设有通孔9，通孔9为液体的进出孔，弹性壁板4上布置有少量小孔41，背压腔8与腔体2通过小孔41连通，中空壳体7面对弹性壁板4的一端带有法兰部分71，弹性壁板4、密封垫5、中空壳体7的法兰部分71与腔体2的法兰部分21通过螺栓11、螺母及垫圈组件紧固连接。该实施例的消声装置同样适用于液体管道1的压力较高的情况，此时对液体管道压力平衡的方式是采用液压自平衡，即在中空壳体7上设置用于进出液体的通孔9，使背压腔8通入水或其他液体，使液体管道1内的液体与背压腔8内的液体通过弹性壁板4上的小孔41相通，这样弹性壁板4两侧的压力能够实现自平衡，然而腔体2与背压腔8相通，会使得腔体2中的声阻抗受到背压腔8刚度的影响，进而影响腔体2的消声效果，为了抑制这一影响，需要在背压腔8的内壁面上粘接粘弹性阻尼橡胶或吸声橡胶10。

上述三个实施例的消声原理相同，均是对Helmholtz共振消声器的改进，当在液体管路中使用传统的Helmholtz共振消声器时，腔颈内的流体提供声质量，腔颈的长度短，则共振频率高，腔颈内流体的截面积小，则共振频率低，以水介质为例，由于水介质的压缩性极小，腔体容积中的流体所形成的阻抗较大，腔体流体声阻抗和腔颈流体声阻抗的耦合频点较高，因而在液体管路中难以实现低频共振消声，而本发明通过在腔体2上密闭设有弹性壁板4，由此改变并且降低了整个消声装置的共振频率。具体的消声原理如下：腔颈3内的流体提供声质量，其声阻抗与腔体2及弹性壁板4的串联阻抗耦合，其耦合频点即为整个消声装置的消声频率，同样以水介质为例，由于腔体2结构主要是支撑弹性壁板4，利用弹性壁板4的共振在腔体2内产生压缩变形，由此为腔体2提供弹性耦合振动声阻抗，此时腔体2中的流体声阻抗可以基本忽略，所述弹性耦合振动声阻抗的大小由弹性壁板4的材料、厚度、尺寸以及阻尼等因素决定，通过对弹性壁板4的材料、厚度、其他尺寸的设计，可以使所述弹性耦合振动声阻抗的大小大幅低于腔体2中的流体声阻抗，为此弹性壁板4通常可选用薄钢板或者橡塑薄板，使所述弹性耦合振动声阻抗和腔颈流体声阻抗耦合的频点较低，从而实现低频共振消声，同时由于此时腔体2中的流体声阻抗可以基本忽略，耦合频率由所述弹性耦合振动声阻抗及腔颈声阻抗决定，因而本发明减小了腔体容积和腔颈尺寸对共振频率的影响，尤其是减小了腔体容积对共振频率的影响，能够实现小尺寸消声装置的低频消声。

在实现低频消声且消声装置小尺寸化的基础上，本发明还可以根据不同液体管道内噪声的频率特征，确定需要消除噪声的频段及带宽，通过对弹性壁板4的材料、厚度以及尺寸进行选配，从而可以相应设计不同消声频率的多个本发明的消声结构，适用于不同消声要求的液体管道，也可以在相同液体管道上布置消声频率不同的多个本发明的消声装置，从而提高消声效果，拓宽消声频带，实现宽频消声，图4为使用具有不同消声频率的多个本发明的共振消声装置沿液体管道轴向分布安装的布局示意图，图4中液体管道1的管壁沿轴向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个孔所对应的弹性壁板4具有不同的模态固有频率，图5为使用具有不同消声频率的多个本发明的共振消声装置沿液体管道周向分布安装的布局示意图，图5中液体管道1的管壁沿周向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个孔所对应的弹性壁板4具有不同的模态固有频率。

具体地，在弹性壁板4的具体设计上，通常弹性壁板的模态固有频率低，弹性共振消声的频率也低，但是弹性壁板的模态固有频率也不能太低，否者弹性共振消声的频率低于0Hz，在频带上就等同于无消声效果；腔体2的直径需根据弹性壁板的固有频率来设计；腔颈3的长度通常为10mm～100mm， 腔颈3的内截面直径通常为Φ10mm～Φ50mm。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。 

Claims (8)

1.压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，包括液体管道（1），液体管道（1）的管壁开孔与外侧密闭腔体（2）通过腔颈（3）连通，其特征在于：腔体（2）开口端由弹性壁板（4）及密封垫（5）密闭，弹性壁板（4）、密封垫（5）与腔体（2）紧固连接。

2.按权利要求1所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述弹性壁板（4）的另一侧通过密封垫（5）密封连接有压环（6），弹性壁板（4）、密封垫（5）、压环（6）与腔体（2）紧固连接。

3.按权利要求1所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述弹性壁板（4）的另一侧通过密封垫（5）密封连接有中空壳体（7），中空壳体（7）内设有背压腔（8），背压腔（8）正对腔体（2），中空壳体（7）上设有通孔（9），通孔（9）为通气孔，弹性壁板（4）、密封垫（5）、中空壳体（7）与腔体（2）紧固连接。

4.按权利要求1所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述弹性壁板（4）的另一侧通过密封垫（5）密封连接有中空壳体（7），中空壳体（7）设有背压腔（8），背压腔（8）正对腔体（2），中空壳体（7）上设有通孔（9），通孔（9）为液体的进出孔，弹性壁板（4）、密封垫（5）、中空壳体（7）与腔体（2）紧固连接，弹性壁板（4）上设有小孔（41），背压腔（8）与腔体（2）通过小孔（41）连通，在背压腔（8）的内壁面上粘接有粘弹性阻尼橡胶或吸声橡胶（10）。

5.按权利要求1至4任一权利要求所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述弹性壁板（4）为金属薄板或橡塑薄板。

6.按权利要求1至4任一权利要求所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述腔颈（3）的长度为10mm～100mm, 腔颈（3）的内截面直径为Φ10mm～Φ50mm。

7.按权利要求1至4任一权利要求所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述液体管道（1）的管壁沿轴向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个所述孔所对应的弹性壁板（4）具有相应的模态固有频率。

8.按权利要求1至4任一权利要求所述的压力自适应低频宽带弹性共振消声装置，其特征在于：所述液体管道（1）的管壁沿周向开有多个孔，根据宽频带消声要求，每一个所述孔所对应的弹性壁板（4）具有相应的模态固有频率。

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