CN107622764A - 一种噪音消除装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑、轻质的宽频噪音消除装置。该噪音消除装置由一组尺寸递增的半封闭壳体逐层嵌套构成，每个壳体都由下一个更大的壳体包围，每个壳体和下一个更大的壳体形成一个环状狭缝和一个与之相连通的空腔，这些环状狭缝和空腔形成一系列尺寸递增并逐层嵌套的亥姆霍兹共振器，从而可以耗散较宽的频率范围的噪音。

Description

一种噪音消除装置

技术领域

本发明涉及一种噪音消除装置，更进一步，本发明涉及一种结构紧凑、轻质的、宽频的噪音消除装置。

背景技术

噪音总是伴随着人类的生产生活而出现，并且是作为一种污染源而存在。其对人们生活质量、身心健康常常造成不利影响，这些不利影响包括：听力下降，疲劳，焦虑，失眠，效率下降等等。随着人们生活水平的提高，人们对良好声音环境的期望越来越高，对减轻噪音危害的要求越来越高。

经过长年实践，人们已经开发出了多种多样的噪音消除方法。比如采用多孔材料，穿孔板，纤维吸声材料、尖劈吸声材料等等。噪音声波产生的压强和驱动的气流进入到这些带孔的材料和结构当中时，主要通过与孔壁发生摩擦，将声波能量转化为热能消耗掉。然而这些材料有一个共同的弊端，即要有效地消除噪音，材料的厚度需要达到噪音波长的四分之一。例如对于频率为250赫兹的声波，所需要的厚度约为0.34米。这样一个较大的厚度在工程上往往是不能接受的。为了将消声结构变薄，一种常用的方法是采用亥姆霍兹共振器结构，即包含一个空腔体和一个细导管的共振结构。然而顾名思义，这种结构通常只能对一个较窄的共振频率的声波起到良好耗散作用，要形成宽频带的噪声消除，就需要组合成一系列尺寸大小不一的共振器，而这样的设计最终很容易导致所得到的结构仍然是厚度较大的结构。

本发明提出一种巧妙的结构，实现了在有限的空间内，尽可能多地形成一系列亥姆霍兹共振器，并且增强各个亥姆霍兹共振器的损耗效率。与传统的亥姆霍兹共振器将导管布置于腔体的中间不同，本发明设计了一种将导管布置于腔体边沿的方案。从而在保持亥姆霍兹共振发生的基础上，即在维持共振器导管声波阻抗不变的基础上，使导管尽可能狭窄，从而增加对声波气流的摩擦面积，进一步提高亥姆霍兹共振器对声波的损耗效率。

发明内容

本发明提出了一种全新的、巧妙的结构设计方案，在有限的空间内利用一系列尺寸递增的半封闭壳体，形成尽可能多的一系列亥姆霍兹共振器。通过采用一系列尺寸递增的半封闭壳体，并将每一个壳体设计为被下一个更大的壳体包围，从将使相邻的两个壳体的壁形成环状狭缝，相邻的较大壳体的底部和底部邻近的壁与较小壳体的底部共同形成空腔，从而狭缝与相连的空腔形成亥姆霍兹共振器，从而得到一系列尺寸递增、相互嵌套的亥姆霍兹共振器。由于每个亥姆霍兹共振器能够有效地耗散一个频率段的噪声，这一系列的亥姆霍兹共振器能够在较宽频率段有效地耗散噪声能量。

本发明的特征在于，每个亥姆霍兹共振器的导管由狭缝构成，且横向长度为腔体的周长。比起传统亥姆霍兹共振器的通常为圆形或者类似形状的通孔作为导管，狭缝作为导管的亥姆霍兹共振器在同样的声阻抗时，由于具有较大的长度（等于腔体的周长），从而可以采用极小的间隙。当噪声声波驱动的气流进入极窄的狭缝时（特别是当间隙的大小与空气流体在固体界面的边界层厚度相近时），空气粘性对气流的阻力更显著，摩擦耗散效果更强。因此，狭缝型的亥姆霍兹共振器能够提供很好的声波损耗性能。具体表现在，由于更显著的空气粘性作用，单个狭缝型亥姆霍兹共振器产生的噪声吸波带宽更大，不至于像传统的亥姆霍兹共振器一样，只在极狭窄的频率范围内具有吸波效果。

本发明的一个优势在于，所述的狭缝型亥姆霍兹共振器能产生更强的噪声耗散，狭缝作为亥姆霍兹共振器的进气导管，较之传统的导管在相同的声波阻抗的情况下能产生更大的与声波气流发生摩擦的面积。

本发明的另一个优势在于，所述的构成亥姆霍兹共振器的方式使得多个亥姆霍兹共振器具有尽可能小的空间尺寸。由于每个半封闭壳体的内、外壁面均分别参与形成亥姆霍兹共振器并与噪声声波发生摩擦作用，那么形成的总亥姆霍兹共振器数目为总的半封闭壳体的个数减1，每个壳体的内、外壁面都同时得到利用。而传统亥姆霍兹共振器中，通常只有导管的内壁面是实际有效与噪声声波发生摩擦作用的，外部壁面不参与对声波的摩擦作用。

本发明的又一个优势在于，所述的噪声消除装置的工作频率范围可以较容易地通过采用半封闭壳体的数目来调节，无需通过改变半封闭壳体的尺寸来调节。例如当采用4个半封闭壳体时，其消除噪声的频率范围为500赫兹到1500赫兹，那么移除最大的、最外面的壳体时，其频率范围可以转变为700赫兹到1500赫兹；或者再增加一个更大的、在最外层的壳体，将其工作频率范围转变为400赫兹到1500赫兹。

本发明的其他优势还包括，半封闭的壳体可以为各种其他形状的半封闭构件，例如圆环形，正方形、长方形、六边形等。同时本噪声消除装置既可以独立使用，也可以组成阵列形成一个噪声消除平板。将若干个本发明所述的噪声消除装置进行组合，形成一个较大的消除噪声的平面，从而所形成的噪声消除平面不仅具备所述的噪声消除功能，同时还能够满足一定的审美或外观要求。

本发明所述的噪声消除装置还可以根据使用环境的要求，将半封闭的壳体设计为与使用环境相匹配的半封闭构件。例如，在需要将本发明所述的噪声消除装置安装在不规则的空间里或平面上，那么只需要将半封闭壳体调整为与不规则空间或平面共形的或匹配的结构。在多数情况下，只需要将最外层、也就是最大的半封闭壳体调整为与之共形的或匹配的结构，内层的半封闭壳体仍然可以采用规则的构件以利于加工。例如当不规则空间为发动机进气管道时，可以将所有的半封闭壳体调整为与进气管的内壁共形匹配。

附图说明

图1 是本发明一种实施形式的正视图，其中所述的噪声消除装置由嵌套的4个尺寸递增的半封闭壳体构成，壳体为半封闭圆环。

图2是本发明的如图1所示的一种实施形式的分解视图。

图3 是本发明的如图1所示的一种实施形式的截面图。

图4 是本发明另一种实施形式的正视图，其中所述的噪声消除装置由嵌套的4个尺寸递增的半封闭壳体构成，壳体为半封闭正方形。

图1至图3显示了本发明的一种基本实现方式，其中所述的噪声消除装置100由四个半封闭圆环状壳体（10，20，30，40）构成。自上而下，圆环10的直径和高度小于圆环20，圆环20的直径和高度小于圆环30，圆环30的直径和高度小于圆环40。圆环10被圆环20包围，圆20被圆环30包围，圆环30被圆环40包围。最小的半封闭圆环10，也就是最内层的圆环10，由侧壁11和底部14连接并组合形成，其中侧壁11由自底部14的边沿向下延展得到。下一个更大的半封闭圆环20，由侧壁21和底部24连接并组合形成，其中侧壁21由自底部24的边沿向上延展得到。下一个更大的半封闭圆环30，由侧壁31和底部34连接并组合形成，其中侧壁31由底部34的边沿向上延展得到。半封闭圆环40，由侧壁41和底部44连接并组合形成，其中侧壁41由底部44的边沿向上延展得到。各个圆环顶部均未密封，因此均为半封闭的圆环。其中圆环10的顶部19为向下，其他圆环的顶部（29，39，49）均为向上。

由图3可以看到，半封闭圆环10的底部14、侧壁11、半封闭圆环20的底部24及侧壁21的偏下部分，共同形成了空腔体结构17，那么空腔17实际是由圆环10的底部14的内壁面16、圆环10的侧壁11的内壁面12、圆环20的侧壁21的内壁面22偏下部分、圆环20的底部24的内壁面26围成。半封闭圆环10的侧壁11与半封闭圆环20的侧壁21的偏上部分，共同形成了环状狭缝18，并与空腔体结构17相连通。那么狭缝18实际由圆环10的侧壁11的外壁面13、圆环20的侧壁21的内壁面22的偏上部分围成。空腔17与狭缝18的组合构成了一个亥姆霍兹共振器结构，其中他的导管部分由狭缝18来实现。与传统亥姆霍兹共振器典型不同的是，起导管作用的狭缝18不是位于空腔17的中间部位，而是在空腔17的周边，并将空腔17包围。从而与传统导管位于中间部位的亥姆霍兹共振器相比，狭缝18在提供相同空气阻抗的情形下，其截面具有最大的周长，因为狭缝的宽度可以远远小于传统导管的直径。

同样地，半封闭圆环20的底部24、半封闭圆环30的底部34及侧壁31的偏下部分，共同形成了空腔体结构27，那么空腔27实际是由圆环20的底部24的外壁面25、圆环30的侧壁31的内壁面32的偏下部分、圆环30的底部34的内壁面36围成。半封闭圆环20的侧壁21与半封闭圆环30的侧壁31的偏上部分，共同形成了环状狭缝28，并与空腔体结构27相连通。那么狭缝28实际由圆环20的侧壁21的外壁面23、圆环30的侧壁31的内壁面32的偏上部分围成。空腔27与狭缝28的组合构成了另一个尺寸更大的亥姆霍兹共振器结构，其中他的导管部分由狭缝28来实现，并且环状狭缝28与空腔27构成的亥姆霍兹共振器包围了由空腔17和狭缝18构成的亥姆霍兹共振器。

半封闭圆环30的底部34、半封闭圆环40的底部44及侧壁41的偏下部分，共同形成了空腔体结构37，那么空腔37实际是由圆环30的底部34的外壁面35、圆环40的侧壁41的内壁面42的偏下部分、圆环40的底部44的内壁面46围成。半封闭圆环30的侧壁31与半封闭圆环40的侧壁41的偏上部分，共同形成了环状狭缝38，并与空腔体结构37相连通。那么狭缝38实际由圆环30的侧壁31的外壁面33、圆环40的侧壁41的内壁面42的偏上部分围成。空腔37与狭缝38的组合构成了另一个尺寸更大的亥姆霍兹共振器结构，其中他的导管部分由狭缝38来实现。并且环状狭缝38与空腔37构成的亥姆霍兹共振器包围了由空腔27和狭缝28构成的亥姆霍兹共振器。

从图1和图3可以看出，这一系列尺寸递增的半封闭壳体（10，20，30，40）形成了一系列尺寸递增的亥姆霍兹共振器（17和18，27和28，37和38）。每一个亥姆霍兹共振器由一个比其大的亥姆霍兹共振器的狭缝所包围。如由空腔17和狭缝18构成的亥姆霍兹共振器由下一个比其大的由空腔27和狭缝28构成的亥姆霍兹共振器的环状狭缝28所包围，由空腔27和狭缝28构成的亥姆霍兹共振器由下一个比其大的由空腔37和狭缝38构成的亥姆霍兹共振器的环状狭缝38所包围。并且，各个亥姆霍兹共振器的狭缝位于所对应的空腔的边沿，将比其更小的亥姆霍兹共振器完全包围。例如环状狭缝28将狭缝18与空腔17形成的亥姆霍兹共振器包围，狭缝环状38将狭缝28与空腔27形成的亥姆霍兹共振器包围。

图1至图3给出的本发明的实施方式中，半封闭的壳体形状为圆形，每个基本构件(10,20,30,40)为上部开口、底部封闭的圆环。图4给出了本发的另一种实施方式，其中半封闭壳体的形状为正方形。其他的形状也能实现本发明所述噪声消除装置的功能，如椭圆形，三角形，四边形，五边形，六边形，七边形，八边形，星形，心形，扇形等等。另外一些仿动物的形状，和仿植物的形状，如树叶、水果等也可以用来作为本发明的实施方式，只要所述的形状具有半封闭壳体的形貌，且尺寸递增，从而可以按嵌套排列。

本发明所采用的这一列系尺寸递增的半封闭壳体结构，通常每个壳体互不接触或部分接触，因此需要借助一些支撑结构来实现他们在空间上的排列和位置关系。这些没有在图中标出来。支撑结构可以非常随意选择，只要其结构强度足以支撑这些半封闭壳体的重量就可以。通常支撑结构具有非常小的尺寸，从而不会对声波激发的空气气流进入狭缝和空腔时造成干扰。支撑结构可以是与这些半封闭壳体相区别的结构，也可以与这些壳体形成一体。支撑结构甚至可以参与到对声波激发的空气气流进行影响。例如支撑结构可以将狭缝在周长方向上进行分割，从而狭缝转变为一组具有多个更小尺寸的狭缝。支撑结构也可以相应地对空腔进行分割，从而将空腔转变为一组具有多个更小尺寸的空腔。当各个壳体存在部分接触时，例如部份壁面粘合，或共用壁面，那么所形成的狭缝将不再是环状的狭缝，而是长条形的狭缝，但所形成的亥姆霍兹共振器仍将形成嵌套结构。

本发明所述的由空腔和狭缝构成的亥姆霍兹共振器，每一个狭缝典型为，在所有的周向和轴向（A）位置，具有在径向相同的宽度。当然，变宽度的狭缝也是可以采用的。宽度具有一个典型的范围，即0.01毫米至5毫米。当然，其他的宽度也是可能采用的。需知0.01毫米对声波而言是较小的尺寸，对于传统的亥姆霍兹共振器，其导管的直径通常远远大于这个值，否则将因为太大的阻抗而导致声波气流无法进入亥姆霍兹共振器的腔体。而由于本发明的导管部位由分布在腔体边沿的狭缝来代替，即使采用0.01毫米这样小的宽度，也可以得到很小的阻抗，因为狭缝的周长较大，因此狭缝的总截面积并不小。同时，所有的周向位置，具有在径向相同的高度。高度具有一个典型的范围，即0.2毫米至100毫米。当然本发明也可以采用更大的高度，特别是对于频率更低的噪声，因此 0.2毫米到100毫米只是一个常用的尺寸。

为了兼顾审美等其他的因素，在使用中，本发明所述的一列系半封闭壳体，其中所有的亥姆霍兹共振器的狭缝的开口，典型的情形为处于同一个垂直于轴线（A）的平面。当然，这些开口不处于同一个平面时并不会影响本发明的工作效果。

本发明所述的噪声消除装置也适用于声波的传播媒质为其他气体的情形，如纯氮气环境。本发明所述的噪声消除装置还适用于声波的传播媒质为液体的情形，如用于水下声波的消除。

Claims (10)

1.一种噪音消除装置包括：一系列尺寸递增的半封闭壳体，其中每一个壳体由下一个更大的壳体所包围，每一个壳体和它的下一个更大的壳体形成一个空腔和一个与所述空腔相连通的狭缝，从而每对所述的空腔和狭缝形成一个亥姆霍兹共振器，因此所述的一系列尺寸递增的半封闭壳体形成了一系列尺寸递增的亥姆霍兹共振器，从而能够对频率较宽范围内的噪声进行吸收，其中每个亥姆霍兹共振器都被下一个尺寸更大的亥姆霍兹共振器的狭缝包围。

2.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：所述的半封闭壳体形状类型从一个集合中选取，集合包括：圆形，椭圆形，三角形，四边形，五边形，六边形，七边形，八边形，星形，心形，扇形，仿动物形，仿植物形。

3.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：所述的一系列的壳体的排列和空间位置关系由支撑结构来辅助实现。

4.如权利要求1和3所述的噪音消除装置，其特征在于：所述的支撑结构与所述的一系列壳体是一个整体。

5.如权利要求1、3和4所述的噪音消除装置，其特征在于：每个所述的亥姆霍兹共振器的空腔和狭缝被所述的支撑结构分割为一组更小的空腔和一组更小的狭缝。

6.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：所述的狭缝的宽度范围为：0.01毫米到5毫米。

7.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：所述的空腔的高度范围为：0.2毫米到100毫米。

8.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：每个所述的狭缝沿着周长在半径方向上具有均匀的宽度。

9.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：每个所述的空腔在轴向上具有均匀的高度。

10.如权利要求1所述的噪音消除装置，其特征在于：所有所述的由半封闭壳体形成的狭缝的开口在同一个平面上。