CN104633372A - 一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置和方法，其包括管路系统、第一消声器和第二消声器；第一消声器和第二消声器分别周期安放于管路系统中，且第一消声器的消声频率范围低于第二消声器。本发明利用两消声器组合元胞声子晶体管路产生的布拉格带隙与局域共振带隙抑制了管内流噪声传播；两种消声器安放时取一定偏移量，进一步拓宽布拉格带隙，实现对管路内低频宽带流噪声的抑制。

Description

一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置和方法

技术领域

本发明涉及振动与噪声控制领域，尤其涉及一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置和方法。

背景技术

管路系统工作过程中会在管内产生流噪声并经管路出口传播到外界。这种流噪声声压级一般高于由管路振动而直接向外界辐射的噪声，危害较大。例如，发电厂和化工厂管道向外辐射噪声，影响周围人们正常的生活和工作。一些作战平台向外辐射的流噪声很容易被敌方声纳侦测到。此外，强噪声会使得结构因疲劳而断裂酿成事故。因此，消除流噪声具有重要意义。

目前，抑制管路系统管内流噪声主要采用两种方法：利用吸声原理和利用消声原理。

利用吸声原理抑制管路系统管内流噪声的方法的原理是通过在管内壁贴附吸声材料(如多孔材料、泡沫材料等)或安装吸声结构(如微穿孔板等)来抑制管内流噪声。但是由于这些材料或结构会增加管壁阻尼，会阻碍管路内流体的传播，对管路内流体产生较大影响，或因对低频噪声抑制效果有限，在应用上有一定局限性。

利用消声原理抑制管路系统管内流噪声的方法的原理是通过在管路上安装消声器来抑制管内流噪声。这种方法对管内流体影响较小，并且可有效地消除低频噪声，因此在工程上有着广泛的应用。但是由于其自身性能限制，在宽频降噪应用上有一定局限。

可见，设计一种能够满足宽频降噪要求的结构以抑制管路中流噪声的传播是本领域技术人员极为关注的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置和方法，其不仅能够抑制管内流噪声的传播，而且能够扩宽声带隙，因此能够满足宽频降噪的要求。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，包括管路系统，其还包括：

第一消声器和第二消声器；

所述第一消声器和第二消声器分别周期安放于管路系统中，且第一消声器的消声频率范围低于第二消声器。

更进一步地，所述第二消声器的安放位置较第一消声器的安放位置有一定偏移量。

更进一步地，所述第一消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之下，所述第二消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之上。

更进一步地，所述第一消声器和第二消声器的消声特性曲线是单共振峰或多共振峰曲线。

本发明还提供一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其包括：

根据带隙设计原则及工程需求确定消声器的安放个数及安放间隔；

基于所确定的安放间隔和消声中间频率确定消声器的目标带隙起始频率；

根据目标带隙起始频率选择两种消声器；

分别周期安放两种消声器到管路系统中。

更进一步地，所述分别周期安放消声器到管路系统中的过程进一步包括：

取合适的偏移量，分别周期安放两种消声器到管路系统中。

更进一步地，所述根据带隙设计原则及工程需求确定消声器的安放间隔的过程，包括：

根据带隙设计原则中的临阶带隙间隔条件确定消声器的最小安放间隔；根据工程需求预留安装段管长限制及带隙设计周期数要求，确定消声器的最大安放间隔；在最小安放间隔与最大安放间隔之间选取任意安放间隔作为消声器的安放间隔。

更进一步地，所述基于所确定的安放间隔和消声中间频率确定消声器的目标带隙起始频率的过程，包括：

利用如下公式计算消声器的各阶声带隙起始频率：

$f\left(n\right)=n\frac{c}{2a},(n=\mathrm{1,2,3}...)$

其中，f(n)为第n阶声带隙起始频率，c为管内流体介质声速，a为一种消声器的安放间隔；

根据各阶带隙起始频率与消声中间频率差值的绝对值为最小的条件，确定消声器的目标带隙的阶次，该阶次带隙的起始频率为目标带隙起始频率；所述消声中间频率为所关注的消声频段的中间频率。

更进一步地，所述根据目标带隙起始频率选择两种消声器的过程，包括：

第一种消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之下；第二种消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之上。

由以上本发明的技术方案可以看出，本发明利用两消声器组合元胞声子晶体管路抑制管内流噪声传播，并通过调整消声器安装偏移量扩宽声带隙，能够满足低频宽带降噪要求。另外，本发明结构简单，使得声子晶体管路易于装配及应用。

附图说明

图1为本发明的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置的结构示意图；

图2为本发明的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置的两种消声器组合元胞声子晶体管路消声量的计算结果。

附图中：第一消声器1；第二消声器2；管路系统3。

具体实施方式

为使本发明更为清晰，下面结合附图对本发明做进一步地说明。

本发明提供一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，其结构如图1所示，包括第一消声器1、第二消声器2和管路系统3。

其中，第一消声器1的消声频率范围低于第二消声器2。第一消声器1和第二消声器2分别等距周期安放于管路系统3中，且第二消声器2的安放位置较第一消声器1的安放位置有一定偏移量ΔL(如图1所示)。

第一消声器1的消声频带应在其目标带隙起始频率之下，根据布拉格带隙机理，其会形成向高频发展的布拉格声带隙；第二消声器2的消声频带应在其目标带隙起始频率之上，根据布拉格带隙机理，其会形成向低频发展的布拉格声带隙。

因为第一消声器1的消声频率范围低于第二消声器2，所以能够利用第一消声器1和第二消声器2的局域共振带隙及与局域共振带隙临近的布拉格带隙，来扩宽消声频带。第二消声器2的安放位置较第一消声器1的安放位置有一定偏移量，可进一步扩宽布拉格带隙的消声频带，从而消除宽频噪声。

本发明还通过一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，根据带隙设计原则及工程需求，分别确定消声器的安放个数及安放间隔；具体情况如下：

利用声子晶体带隙机理进行带隙设计时，要求周期个数4个以上，晶格常数不超过2米，临阶带隙间隔条件为：

f(n+1)-f(n)≤500Hz  公式(1)

其中，f(n)表示第n阶声带隙起始频率；f(n+1)表示第n+1阶声带隙起始频率。

当管内介质一定时，声速c一定，根据临阶带隙间隔条件，利用如下公式(2)可计算最小安放间隔a_min：

$f\left(n\right)=n\frac{c}{2a},(n=\mathrm{1,2,3}...)$   公式(2)

其中，f(n)为第n阶声带隙起始频率，c为管内流体介质声速，a为一种消声器的安放间隔(声子晶体领域中a定义为晶格常数)。

工程中每种消声器安放个数一般不超过8个，对消声量要求不高时，安放消声器的个数不宜超过6个。用于周期安放消声器的预留安装段管长L一般不超过6米。根据预留安装段管长L的限制及带隙设计周期数要求，可知消声器的最大安放间隔a_max为L/4。

综上可知，第一消声器1的安放个数(记为m1)与第二消声器2的安放个数(记为m2)均为4到8个，第一消声器1的安放间隔a₁与第二消声器2的安放间隔a₂应在a_min至a_max范围内选取。

步骤S102，根据安放间隔和消声中间频率确定消声器的目标带隙起始频率。

当消声器的安放间隔确定后，继续利用公式(2)分别计算出第一消声器1的各阶带隙起始频率f₁(n)与第二消声器2的各阶带隙起始频率f₂(n)。

消声中间频率f_mid恰好是所关注的消声频段的中间频率。计算式为：

f_mid＝f₁+(f₂-f₁)/2。

式中，f₁为所关注消声频段下截止频率，f₂为所关注消声频段上截止频率。

由条件min|f₁(n)-f_mid|所确定的阶次对应的带隙起始频率为第一消声器1的目标带隙起始频率

由条件min|f₂(n)-f_mid|所确定的阶次对应的带隙起始频率为第二消声器2的目标带隙起始频率

步骤S103，根据目标带隙起始频率选择消声器。

根据目标起始频率选择消声器。两种消声器的消声特性曲线可以是单共振峰或多共振峰曲线。第一消声器1的消声频带应在其目标带隙起始频率之下，根据布拉格带隙机理，其会形成向高频发展的布拉格声带隙；第二消声器2的消声频带应在其目标带隙起始频率之上，根据布拉格带隙机理，其会形成向低频发展的布拉格声带隙。

步骤S104，取合适的偏移量，分别周期安放第一消声器和第二消声器。

偏移量ΔL会对布拉格带隙产生影响。这可以用阻抗转移原理来解释：当有一定偏移量时，可利用阻抗转移原理将第二消声器2的阻抗转移到第一消声器1安放位置处，两种消声器共同作用，形成声带隙。仿真验证：在0至max(a₁/2,a₂/2)区间内可找到某一偏移量ΔL₁，使得声带隙最宽。例如，两种消声器采用相同的安放间隔(a₁＝a₂＝a)时，偏移量ΔL＝a/2时，得到最优声带宽。

至此，完成第一消声器和第二消声器的周期安放，获得最优声带隙，从而实现宽频流噪声的抑制工作。

下面以空气介质管路为例对本发明做进一步的说明：

空气介质管路为长5m，管径0.1m的直管。假设工程所关注的消声频带为100Hz到650Hz，空气声速343m/s，消声量为1.5dB。

由于对消声量要求不高，可安放4个共振消声器。根据带隙间隔条件公式(1)：f(n+1)-f(n)≤500Hz，计算出消声器的最小安放间隔为0.343米。因为管长5米，所以最大安放间隔不超过1.25米。安放间隔在0.343米到1.25米之间选取。为了方便安装测量并使装置结构紧凑，可取两种消声器安放间隔均为0.5米。

由带隙间隔计算公式(2)可知：第一消声器1和第二消声器2的各阶带隙的起始频率相同。计算管路内声带隙的各阶起始频率如表1所示。根据工程所关注的消声频带，计算出该消声中间频率f_mid为375Hz。利用条件min|f(n)-f_mid|确定的阶次为一阶。因此，两种消声器的目标带隙起始频率相同，均为343Hz。

表1 安放间隔0.5m时各阶声带隙起始频率[单位：Hz]

一阶	二阶	三阶	四阶
				343	686	1029	1372

上述两种消声器可采用阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器等多种形式。本例采用的两种消声器均为由圆柱形颈口与圆柱形腔体构成的单腔共振式消声器。两种消声器结构参数如表2所示：

表2 两种消声器的参数表[单位：m]

该参数下，第一消声器1的消声频带低于目标带隙起始频率343Hz，第二消声器2的消声频带高于目标带隙起始频率343Hz。

根据结论ΔL＝a/2时，可获得最优声带隙，选择偏移量ΔL为0.25m，在管路中进行安放此两种消声器。图2为该设计方案计算结果，可以看出当偏移量为0.25m时，布拉格带隙对应的消声带宽明显宽于偏移量为零时的结果。

上述是以两种消声器为例对本发明进行说明的，但是本发明并不局限于两种消声器，其还可以通过两种以上的消声器实现管路系统流噪声的抑制。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下效果：

1、根据管路系统不同降噪频率需要，通过选择消声器的结构参数，能够抑制特定频率范围内流噪声在管路中的传播；

2、利用周期安放的两种消声器产生的局域共振带隙及布拉格带隙，可实现对流噪声进行抑制；

3、采用适当的安放偏移量进一步扩宽布拉格带隙带宽。

Claims (9)

1.一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，包括管路系统，其特征在于，所述管路系统流噪声抑制装置还包括：

第一消声器和第二消声器；

所述第一消声器和第二消声器分别周期安放于管路系统中，且第一消声器的消声频率范围低于第二消声器。

2.根据权利要求1所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，其特征在于，所述第二消声器的安放位置较第一消声器的安放位置有一定偏移量。

3.根据权利要求1或2所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，其特征在于，所述第一消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之下，所述第二消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之上。

4.根据权利要求3所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制装置，其特征在于，所述第一消声器和第二消声器的消声特性曲线是单共振峰或多共振峰曲线。

5.一种扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其特征在于，包括：

根据带隙设计原则及工程需求确定消声器的安放个数及安放间隔；

基于所确定的安放间隔和消声中间频率确定消声器的目标带隙起始频率；

根据目标带隙起始频率选择两种消声器；

分别周期安放两种消声器到管路系统中。

6.根据权利要求5所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其特征在于，所述分别周期安放消声器到管路系统中的过程进一步包括：

取合适的偏移量，分别周期安放两种消声器到管路系统中。

7.根据权利要求5或6所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其特征在于，所述根据带隙设计原则及工程需求确定消声器的安放间隔的过程，包括：

根据带隙设计原则中的临阶带隙间隔条件确定消声器的最小安放间隔；根据工程需求预留安装段管长限制及带隙设计周期数要求，确定消声器的最大安放间隔；在最小安放间隔与最大安放间隔之间选取任意安放间隔作为消声器的安放间隔。

8.根据权利要求7所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其特征在于，所述基于所确定的安放间隔和消声中间频率确定消声器的目标带隙起始频率的过程，包括：

利用如下公式计算消声器的各阶声带隙起始频率：

$f\left(n\right)=n\frac{c}{2a},(n=\mathrm{1,2,3}...)$

其中，f(n)为第n阶声带隙起始频率，c为管内流体介质声速，a为一种消声器的安放间隔；

根据各阶带隙起始频率与消声中间频率差值的绝对值为最小的条件，确定消声器的目标带隙的阶次，该阶次带隙的起始频率为目标带隙起始频率；所述消声中间频率为所关注的消声频段的中间频率。

9.根据权利要求8所述的扩宽声带隙的管路系统流噪声抑制方法，其特征在于，所述根据目标带隙起始频率选择两种消声器的过程，包括：

第一种消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之下；第二种消声器的消声频带在其目标带隙起始频率之上。