CN106098051A - 一种改进型赫姆霍兹消声器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种改进型赫姆霍兹消声器及其制作方法，所述改进型赫姆霍兹消声器包括赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料；所述赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料耦合；所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块；其中，质量块在薄膜中心。当管道中噪声频率与消声器工作频率一致时，单胞的振动使管道中流体不再振动，从而消除该频率的噪声。所述改进型赫姆霍兹消声器将薄膜声学超材料与传统管道声学问题相结合，具有体积小、工作频率宽的特点，适用于对管道进行消声降噪。

Description

一种改进型赫姆霍兹消声器及其制作方法

技术领域

本公开属于管道声学噪声控制领域，具体涉及一种改进型赫姆霍兹消声器及其制作方法。

背景技术

赫姆霍兹消声器是一种工程中常用的抗性消声器，其原理是通过赫姆霍兹共鸣效应达到在特定频率下噪声控制的效果。它凭借着结构简单、设计加工方便等特点被广泛应用在很多管道消声问题上。然而，不得不承认的是，传统赫姆霍兹消声器存在下述不足：体积比较大，在许多类似散热风扇出口等狭小空间很难安装；工作频率单一，对于宽频噪声效果较差，还需要多个共振腔体，这会使得整个消声器的体积更大，难以满足目前管道噪声的降噪需求。如何设计出一种能够应用在管道消声问题上，体积比传统赫姆霍兹消声器体积小且降噪效果好的新型消声器，这是一个值得探索的问题。

发明内容

本公开设计的目的是克服现有技术中管道噪声降噪困难、消声器体积过大、工作频率单一的技术问题，提供一种解决管道噪声问题的新思路。在本公开中，将薄膜声学超材料与传统赫姆霍兹消声器结合形成一种新的消声器，该消声器具有体积小、工作频率宽的特点，非常适合于对管道进行噪声降噪。

为达到上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种改进型赫姆霍兹消声器，所述改进型赫姆霍兹消声器包括赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料；所述赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料耦合；所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块；所述质量块在薄膜中心。

具体地，所述薄膜声学材料安装在赫姆霍兹消声器的连接短管两侧。

优选地，所述薄膜以张紧状态安装在赫姆霍兹消声器的连接短管两侧。

优选地，所述薄膜为弹性薄膜材料。

优选地，所述薄膜为硅橡胶薄膜或聚醚酰亚胺薄膜。

优选地，所述薄膜为方形或圆形。

优选地，所述质量块为圆柱状。

优选地，所述连接短管一端安装在管道侧面的消声器安装孔上，并使连接短管与消声器安装孔的连接处密封；另一端与赫姆霍兹消声器的共振腔连接，并使连接短管与共振腔的连接处密封。

在本公开中，还提供了一种改进型赫姆霍兹消声器的制作方法，所述方法包括下述步骤：

S100、根据噪声确定目标工作频率数量、以及目标降噪量来确定改进型赫姆霍兹消声器的数量，所述改进型赫姆霍兹消声器为一种将赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料进行耦合的消声器；

所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块，其中质量块在薄膜中心；

S200、根据不同目标工作频率确定每个改进型赫姆霍兹消声器的参数，使每个改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与其目标工作频率相一致；

所述改进型赫姆霍兹消声器的参数包括：

赫姆霍兹消声器连接短管的直径、长度、共振腔的体积、薄膜材料、形状、厚度以及质量的材料属性、形状和质量；

S300、根据要降噪的管道大小与形状、改进型赫姆霍兹消声器的数量与大小，确定管道中的消声器安装孔的数量与大小；

S400、将各个改进型赫姆霍兹消声器分别安装在管道的消声器安装孔上。

优选地，所述步骤S400进一步包括：

S401、将赫姆霍兹消声器的连接短管两侧安装张紧的薄膜；

S402、将安装了薄膜的连接短管一端安装在管道侧面的消声器安装孔上，并密封连接短管与消声器安装孔的连接处；

S403、将连接短管的另一端与共振腔连接，并使连接短管与共振腔的连接处密封。

与现有技术相比，本公开具有以下有益的技术效果：

所述改进型赫姆霍兹消声器的薄膜和质量块的材料参数及尺寸均可根据噪声频率进行调节，使得改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与噪声频率进行匹配，从而可以使其广泛应用于不同的噪声频率和噪声类型中。改进型赫姆霍兹消声器可以运用于方管、圆管或其他形状的管道，并可根据管道形状进行弯曲以适应管道上的安装，使得改进型赫姆霍兹消声器在不同形状管道上均可以工作。由于改进型赫姆霍兹消声器单胞个数可根据管道实际大小以及降噪量的需求进行调整，从而可以适应于不同的工况；而在叠加多种不同单胞时，能够拓宽了消声器的工作频率，因而对于多峰值的噪声或宽频噪声也可以应用。

附图说明

图1是本公开实施例的改进型赫姆霍兹消声器结构示意图；

其中，101、管道；102、连接短管；103、共振腔；104、薄膜；105、质量块；

图2是传统赫姆霍兹消声器结构示意图；

图3是本公开实施例的第二、三种情况的STL曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开作进一步详细描述。

在一个实施例中，提供了一种改进型赫姆霍兹消声器。图2为传统的赫姆霍兹消声器结构示意图，从图2可以看出，传统的赫姆霍兹消声器由连接短管和共振腔组成。图1为改进型赫姆霍兹消声器结构示意图，将图1和图2对比可以看出，所述改进型赫姆霍兹消声器将赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料进行了耦合；所述薄膜声学超材料由薄膜和质量块组成，所述质量块在薄膜中心。其中，质量块的质量可以为零，但优选质量块的质量不为零。在质量块为零的情况下，相对于只有薄膜。

在这个实施例中，所述改进型赫姆霍兹消声器的薄膜与其对应的质量块构成消声器的一个单胞，当管道中噪声频率与改进型赫姆霍兹消声器工作频率一致时，单胞的振动使管道中流体不再振动，从而消除该频率的噪声。

其中，所述改进型赫姆霍兹消声器的参数包括：赫姆霍兹消声器连接短管的直径、长度、共振腔的体积、薄膜材料、形状、厚度以及质量的材料属性、形状和质量。所述参数可以根据降噪频率和降噪量改变，使得改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与噪声频率进行匹配，可以应用于不同的噪声频率中。通过使改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与整个系统达到共振状态，来提升现有赫姆霍兹消声器对于管道的降噪效果，并减小了消声器的体积。而改进型赫姆霍兹消声器的个数可根据管路实际大小以及降噪量的需求进行调整，从而可以适应于不同的工况。当采用多个参数不同的消声器同时安装与管道上的方式时，可以拓宽消声器的工作频率，可以对多峰值的噪声或者宽频的噪声进行降噪。

对于薄膜，优选为弹性薄膜材料。在弹性薄膜材料中，优选为硅橡胶薄膜或聚醚酰亚胺薄膜。

下面实施例结合图1和图3详述所述改进型赫姆霍兹消声器在解决管道噪声上的应用。

所述改进型赫姆霍兹消声器在应用时对管道没有要求，所述管道可以为方管、圆管或其他形状，改进型赫姆霍兹消声器在不同形状管道上均可以工作。通常在管道的侧面开孔作为消声器的安装位置，具体开孔的位置和大小根据消声器的需求而定。

如图1，所述改进型赫姆霍兹消声器结构中，包括有管道101；所述管道101侧面设有消声器安装孔，所述消声器安装孔上设有连接短管102，所述连接短管102两侧分别设有薄膜104，所述薄膜104中心设置有质量块105。所述连接短管102上设有共振腔103。所述连接短管102固定于管道101上并密封连接处，所述共振腔103固定于连接短管102上并密封连接处。所述薄膜104粘贴在连接短管102两侧上并处于张紧状态。

在这个实施例中，所述管道101可以是方管，圆管或其他形状的管道，消声器在不同形状管道上均可以工作。所述消声器安装孔可以有多个，每个消声器安装孔上都安装有改进型赫姆霍兹消声器。具体数量根据管路实际大小、目标降噪频率以及降噪量的需求进行调整，从而可以适应于不同的工况。采用多个参数不同的改进型赫姆霍兹消声器同时安装与管道上的方式，可以拓宽消声器的工作频率，对于多峰值的噪声或者宽频噪声也可以应用本结构。在图1中有1个改进型赫姆霍兹消声器的单元，在实际应用中消声器的单元的数量以及排列方式可根据需要选取。

所述管道101与噪声的管路连接，连接短管102，共振腔103，薄膜104和质量块105构成改进型赫姆霍兹消声器的一个元胞。当噪声频率与消声器工作频率一致时，消声器的元胞振动而使得管道101中流体不再振动，从而使得该频率的噪声无法传到管路出口，起到了降噪消声的作用。

所述连接短管102直径及长度，共振腔体积，薄膜材料及厚度，质量块大小等参数均可根据噪声频率进行调节，使得消声器工作频率与噪声频率进行匹配，从而可以应用于不同的噪声频率中。优选地，所述连接短管102两侧设置的薄膜104为硅橡胶薄膜或聚醚酰亚胺薄膜。

在这个实施例中，所述改进型赫姆霍兹消声器具有消声效果好，达到同样工作频率时比传统赫姆霍兹消声器体积小，结构简单，便于实施的特点，非常适用于管道声学噪声控制领域。

在一个实施例中，采用仿真方法计算了3种安装消声器的声传递损失(STL)，分别是传统赫姆霍兹消声器、质量块105的质量为零以及质量块105的质量不为零。其中，管道101为硬边界方管，其截面边长为70mm，长度为200mm，在其一个侧面安装消声器。连接短管102是半径20mm，长度30mm的硬边界圆管。共振腔103是边长100mm的硬边界正方体空腔。

第一种情况，也就是由上述参数构成的传统赫姆霍兹消声器，整体结构如图2所示。通过计算可以得知，该消声器的中心频率为266Hz。

第二种情况，也就是质量块105的质量为零时的改进型赫姆霍兹消声器，也就是在上述结构的基础上增加硅橡胶薄膜，硅橡胶薄膜为半径20mm，厚度0.1mm的圆形薄膜，密度为1300kg/m³，弹性模量为2×10⁶Pa，泊松比为0.49。整体结构如图3所示，薄膜中心无质量块105。图3中带方形图例的曲线为第二种情况的STL曲线。可以看出，在消声器体积不变的条件下，增加薄膜后，消声器的工作频率向低频移动，中心频率从266Hz移动至212Hz。而对于第一种情况的传统消声器，要达到212Hz的中心工作频率，必然要以增加共振器体积为代价。

第三种情况，也就是质量块105的质量不为零时的改进型赫姆霍兹消声器，也就是在第一种结构的基础上增加硅橡胶薄膜和质量块105，硅橡胶薄膜参数与第二种情况相同；质量块为半径6mm，质量为300mg的圆形铁片。整体结构如图1所示。图3中带圆形图例的曲线为第三种情况的STL曲线。可以看出，增加质量块后使得消声器的工作频率在第二种情况的基础上再一次向低频移动，消声器的中心频率达到了92Hz。相应的，此处的频率移动是以消声频带变窄为代价的，也就是说从第二种情况到第三种情况，相当于是以牺牲频带宽度换取了中心频率的降低。情况三更适用于固定频率噪声控制的应用场合，相对于第一种情况的传统消声器，本公开大幅度的减小了消声器的体积。

另外，仿真只是针对一个单胞计算，在实际应用中，当增加单胞的数量时，降噪量将会得到提高，通过对不同参数的消声器单胞进行组合，可以实现宽频降噪的效果。

在一个实施例中，提供了一种改进型赫姆霍兹消声器的制作方法，所述方法包括下述步骤：

S100、根据噪声确定目标工作频率数量、以及目标降噪量来确定改进型赫姆霍兹消声器的数量，所述改进型赫姆霍兹消声器为一种将赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料进行耦合的消声器；所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块，其中质量块在薄膜中心，并且质量块的质量可以为零，但优选质量块的质量不为零。在质量块为零的情况下，相对于只有薄膜。

所述目标工作频率数量根据噪声的特点来确定：

(1)如果是单频离散噪声，只需要对特定频率进行噪声控制即可，通过对噪声信号峰值频率的识别，得到消声器的目标工作频率为1个；

(2)如果是宽频噪声，先将宽频噪声分成若干个频率段，对每个频率段进行峰值频率识别，可以得到多个目标工作频率。

每个消声器对一个目标工作频率的噪声进行降噪处理，对于宽频噪声，可以通过消声器的组合达到控制宽频噪声的目的。

所述目标降噪量，即当前噪声的声压值与预期噪声控制后声压值的差值，再进一步确定对于每一个峰值频率或每一个频率段的降噪量。根据这些目标降噪量，就可以确定出对某一个峰值频率或者频率段达到目标降噪量所需要的该工作频率的消声器的单元的数量，类似的，最终就可以确定整个频率范围中所有类型消声器单元的数量。

S200、根据不同目标工作频率确定每个改进型赫姆霍兹消声器的参数，使每个改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与其目标工作频率相一致；所述改进型赫姆霍兹消声器的参数包括：赫姆霍兹消声器连接短管的直径、长度、共振腔的体积、薄膜材料、形状、厚度以及质量的材料属性、形状和质量。

S300、根据要降噪的管道大小与形状、改进型赫姆霍兹消声器的数量与大小，确定管道中的消声器安装孔的数量与大小。

S400、将各个改进型赫姆霍兹消声器分别安装在管道的消声器安装孔上。

进一步地，所述步骤S400还包括：

S401、将赫姆霍兹消声器的连接短管两侧安装张紧的薄膜；

S402、将安装了薄膜的连接短管一端安装在管道侧面的消声器安装孔上，并密封连接短管与消声器安装孔的连接处；

S403、将连接短管的另一端与共振腔连接，并使连接短管与共振腔的连接处密封。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (10)

1.一种改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述改进型赫姆霍兹消声器包括赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料；

所述赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料耦合；

所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块；其中，质量块在薄膜中心。

2.根据权利要求1所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

优选的，所述薄膜声学材料安装在赫姆霍兹消声器的连接短管两侧。

3.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述薄膜以张紧状态安装在赫姆霍兹消声器的连接短管两侧。

4.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述薄膜为弹性薄膜材料。

5.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述薄膜为硅橡胶薄膜或聚醚酰亚胺薄膜。

6.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述薄膜为方形或圆形。

7.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述质量块为圆柱状。

8.根据权利要求2所述的改进型赫姆霍兹消声器，其特征在于：

所述连接短管一端安装在管道侧面的安装孔上，并使连接短管与消声器安装孔的连接处密封；

另一端与赫姆霍兹消声器的共振腔连接，并使连接短管与共振腔的连接处密封。

9.一种改进型赫姆霍兹消声器的制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

S100、根据噪声确定目标工作频率数量、以及目标降噪量来确定改进型赫姆霍兹消声器的数量，所述改进型赫姆霍兹消声器为一种将赫姆霍兹消声器与薄膜声学材料进行耦合的消声器；

所述薄膜声学材料包括薄膜和质量块，其中质量块在薄膜中心；

S200、根据不同目标工作频率确定每个改进型赫姆霍兹消声器的参数，使每个改进型赫姆霍兹消声器的工作频率与其目标工作频率相一致；

所述改进型赫姆霍兹消声器的参数包括：

赫姆霍兹消声器连接短管的直径、长度、共振腔的体积、薄膜材料、形状、厚度以及质量的材料属性、形状和质量；

S300、根据要降噪的管道大小与形状、改进型赫姆霍兹消声器的数量与大小，确定管道中的消声器安装孔的数量与大小；

S400、将各个改进型赫姆霍兹消声器分别安装在管道的消声器安装孔上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S400进一步包括：

S401、将赫姆霍兹消声器的连接短管两侧安装张紧的薄膜；

S402、将安装了薄膜的连接短管一端安装在管道侧面的消声器安装孔上，并密封连接短管与消声器安装孔的连接处；

S403、将连接短管的另一端与共振腔连接，并使连接短管与共振腔的连接处密封。