CN107630837B - 一种双极微穿孔板消声器及其传递损失的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种双极微穿孔板消声器，包括扩张腔(4)、左插入管(1)、右插入管(7)、左微穿孔板(3)及右微穿孔板(5)，扩张腔(4)具有左、右两端侧壁，距扩张腔(4)的左、右两端壁面一定距离分别加装左微穿孔板(3)及右微穿孔板(5)，左插入管(1)从扩张腔(4)的左侧壁插入到扩张腔(4)内，且左插入管(1)的右端穿出左微穿孔板(3)，右插入管(7)从扩张腔(4)的右侧壁插入到扩张腔(4)内，且右插入管(7)的左端穿出右微穿孔板(5)。本发明还公开了双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法。本发明具有以下优点：对风机降噪中高频段的吸收效果明显，并且对空气的洁净度没有影响。

Description

一种双极微穿孔板消声器及其传递损失的计算方法

技术领域

本发明涉及消声技术，更具体涉及一种微穿孔板消声器。

背景技术

1975年马大猷教授发表了关于“微穿孔板吸声结构的理论与设计”的文章，微穿孔板吸声结构基本声学单元为空腔和微穿孔，利用微穿孔的声阻结合空腔的共振吸收声能量，它的特点是不需另外添加吸声性材料，是一种绿色环保的吸声结构，其在工程中已得到应用。

微穿孔板消声器是衬装微穿孔板结构的消声器。能在较宽的频带范围内消除气流噪声，而且具耐高温、耐油污、耐腐蚀的性能，即使在气流中带有大量水分，也不影响工作。由于穿孔直径小、板面光滑，因此消声器阻损比一般阻性消声器要小。微孔板消声器常用于鼓风机排气、空调系统、燃气轮机排气、飞机发动机试车室排气、喷气发动机的进气道、内燃机进排气等。

燃料电池空气辅助系统中的关键部件变频高压旋涡风机产生的噪声，是燃料电池汽车噪声的主要来源。这种噪声属于宽频带噪声，并且高频噪声占主要部分。

传统的抗性消声器如扩张式消声器不仅吸收频带窄且对高频的吸收效果不明显，不能满足旋涡风机降噪的要求；阻性消声器由于其内部填充的多孔性吸声材料会对空气的洁净度产生影响，也不能用于风机降噪。即现有抗性消声器虽不对空气洁净度产生影响，但吸声频带窄，对高频噪声吸收不明显，而阻性或阻抗复合式消声器虽吸声频带有所提高，但会对空气洁净度造成影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种消除变频高压旋涡风机的产生的噪声的问题的一种双极微穿孔板消声器及其传递损失的计算方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种双极微穿孔板消声器，包括扩张腔(4)、左插入管(1)、右插入管(7)、左微穿孔板(3)以及右微穿孔板(5)，所述扩张腔(4)具有左、右两端侧壁，距扩张腔(4)的左、右两端壁面一定距离分别加装左微穿孔板(3)以及右微穿孔板(5)，左微穿孔板(3)与扩张腔(4)的左壁面之间形成的空腔、左微穿孔板(3)与右微穿孔板(5)之间形成的空腔，以及右微穿孔板(5)与扩张腔(4)的右壁面之间形成的空腔共同构成微穿孔板吸声结构；

左插入管(1)从扩张腔(4)的左侧壁插入到扩张腔(4)内，并且左插入管(1)的右端穿出左微穿孔板(3)，右插入管(7)从扩张腔(4)的右侧壁插入到扩张腔(4)内，并且右插入管(7)的左端穿出右微穿孔板(5)，左插入管(1)、右插入管(7)构成双极微穿孔板消声器的进、排气管。

优化的，所述左微穿孔板(3)与右微穿孔板(5)为相同厚度的金属板，金属板上均匀打上一定量的微孔。

优化的，微穿孔板厚度取值为0.5～1mm，穿孔率为1％～5％，微孔孔径一般取0.1～1mm。

优化的，左插入管(1)、右插入管(7)及扩张腔(4)的轴线共线。

优化的，左插入管(1)和右插入管(7)截面积相等。

优化的，扩张腔(4)与插入管的截面积之比m定义为扩张比，取值范围为9～16。

所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法包括下述步骤：

步骤一：

取突变截面Ⅰ位置(即左插入管S₁的右端面的位置)为x轴初始位置：即x＝0；为消声器入射声压，为插入管S₁后端声负载产生的反射声压；分别为靠近突变截面Ⅰ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅰ左侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

在x＝0处，根据声压连续条件可知：

同理，

由于在界面处质点不会积聚，根据质量守恒定律，可以得出体积速度连续条件为：其中S₁为左插入管的截面积，S₂为右插入管的截面积，S为扩张腔的截面积；

步骤二：

声压P₂(声压P₂由入射声压P2+、反射声压P2-组成)在扩张腔内从突变截面Ⅰ传播L₂距离到突变截面Ⅱ(即右插入管S₂的左端面的位置)，之后分为两部分，一部分从右插入管传出，另一部分透过突变截面Ⅱ继续在扩张腔内向前传播；由管内声场条件可知，在靠近突变截面Ⅱ左侧，入射声压变为反射声压变为其中j为虚数单位，ω为圆角频率，在靠近突变截面Ⅱ右侧的右插入管内，由于消声器尾部无声负载，因此只有入射声压无反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅱ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

同步骤一，在x＝L₂处，根据声压连续条件可知：

由体积连续条件：

步骤三：

在扩张腔内，声压P₃(声压P₃由入射声压P3+和反射声压P3-组成)向左传播L₁后进入到左微穿孔板，并由左微穿孔板产生反射；在x＝-L₁处，根据管内声场条件，变为变为在x＝-L₁处，根据马大猷先生的微穿孔板吸声结构理论，微穿孔板吸声结构板前声压条件：

Z_D1为左微穿孔板吸声结构的声阻抗，D1为左微穿孔板到扩张腔的左壁面之间形成的空腔深度，其中R指微穿孔板声阻率，M指微穿孔板声质量率，ρ指空气密度，c指声速；

步骤四：

同步骤三，在扩张腔内，声压P₄(声压P₄由入射声压P4+和反射声压P4-组成)向右传播L₃后进入到右微穿孔板，在x＝L₂+L₃处，Z_D2为右微穿孔板吸声结构的声阻抗，D2为右微穿孔板到扩张腔的右壁面之间形成的空腔深度，

步骤五：

根据消声器传递损失计算公式：

式中：W_i为入口声功率

W_r为出口声功率其中，指排气管入口处声压，

综合以上步骤，经过运算得到传递损失L_TL。

优化的，步骤五中，采用MATLAB软件进行复杂运算得到传递损失L_TL。

本发明还提供了一种如上述任一方案所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，包括下述步骤：

步骤一：

取突变截面Ⅰ位置(即左插入管S₁的右端面的位置)为x轴初始位置：即x＝0；为消声器入射声压，为插入管S₁后端声负载产生的反射声压；分别为靠近突变截面Ⅰ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅰ左侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

在x＝0处，根据声压连续条件可知：

同理，

由于在界面处质点不会积聚，根据质量守恒定律，可以得出体积速度连续条件为：其中S₁为左插入管的截面积，S₂为右插入管的截面积，S为扩张腔的截面积；

步骤二：

声压P₂(声压P₂由入射声压P2+、反射声压P2-组成)在扩张腔内从突变截面Ⅰ传播L₂距离到突变截面Ⅱ(即右插入管S₂的左端面的位置)，之后分为两部分，一部分从右插入管传出，另一部分透过突变截面Ⅱ继续在扩张腔内向前传播；由管内声场条件可知，在靠近突变截面Ⅱ左侧，入射声压变为反射声压变为其中j为虚数单位，ω为圆角频率，在靠近突变截面Ⅱ右侧的右插入管内，由于消声器尾部无声负载，因此只有入射声压无反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅱ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

同步骤一，在x＝L₂处，根据声压连续条件可知：

由体积连续条件：

步骤三：

在扩张腔内，声压P₃(声压P₃由入射声压P3+和反射声压P3-组成)向左传播L₁后进入到左微穿孔板，并由左微穿孔板产生反射；在x＝-L₁处，根据管内声场条件，变为变为在x＝-L₁处，根据马大猷先生的微穿孔板吸声结构理论，微穿孔板吸声结构板前声压条件：

Z_D1为左微穿孔板吸声结构的声阻抗，D1为左微穿孔板到扩张腔的左壁面之间形成的空腔深度，其中R指微穿孔板声阻率，M指微穿孔板声质量率，ρ指空气密度，c指声速；

步骤四：

同步骤三，在扩张腔内，声压P₄(声压P₄由入射声压P4+和反射声压P4-组成)向右传播L₃后进入到右微穿孔板，在x＝L₂+L₃处，Z_D2为右微穿孔板吸声结构的声阻抗，D2为右微穿孔板到扩张腔的右壁面之间形成的空腔深度，

步骤五：

根据消声器传递损失计算公式：

式中：W_i为入口声功率

W_r为出口声功率其中，指排气管入口处声压，

综合以上步骤，经过运算得到传递损失L_TL。

优化的，步骤五中，采用MATLAB软件进行复杂运算得到传递损失L_TL。

本发明相比现有技术具有以下优点：微穿孔板吸声结构具有宽频带吸声、不使用阻性材料等特点，对风机降噪中高频段的吸收效果明显，并且对空气的洁净度没有影响。

附图说明

图1是本发明实施例的双极微穿孔板消声器的横截面结构图；

图2是本发明实施例的双极微穿孔板消声器的微穿孔板的结构图；

图3是图2中微穿孔板的局部放大图；

图4是本发明实施例的双极微穿孔板消声器的传递损失计算时的参数标注示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1所示，本发明实施例的双极微穿孔板消声器包括扩张腔4、左插入管1、右插入管7、左微穿孔板3以及右微穿孔板5。

所述扩张腔4具有左、右两端侧壁，优化的，扩张腔4由一段圆柱空腔构成。

距扩张腔4的左、右两端壁面一定距离分别加装左微穿孔板3以及右微穿孔板5，左微穿孔板3与扩张腔4的左壁面之间形成的空腔、左微穿孔板3与右微穿孔板5之间形成的空腔，以及右微穿孔板5与扩张腔4的右壁面之间形成的空腔共同构成微穿孔板吸声结构，空腔内无任何阻性填充材料，避免阻性材料对空气洁净度的影响，满足燃料电池所需干净空气的要求。所述左微穿孔板3与右微穿孔板5为相同厚度的金属板，金属板上均匀打上一定量的微孔，微穿孔板结构如图2所示，局部放大图如图3，微穿孔板厚度根据要求一般取值为0.5～1mm，穿孔率为1％～5％，微孔孔径一般取0.1～1mm，声波在经过微穿孔板吸声结构时，通过反复的振动摩擦，使声能转化为热能，从而达到消声目的，在微穿孔板吸声结构中，微穿孔板厚度t、微孔孔径d、穿孔率p、板后空腔深度D共同影响消声器的消声性能，合理的参数组合，可以满足不同频段、不同频带宽度的消声要求。

左插入管1从扩张腔4的左侧壁插入到扩张腔4内，并且左插入管1的右端穿出左微穿孔板3，右插入管7从扩张腔4的右侧壁插入到扩张腔4内，并且右插入管7的左端穿出右微穿孔板5，左插入管1、右插入管7构成双极微穿孔板消声器的进、排气管。左插入管1、右插入管7及扩张腔4的轴线共线，且左插入管1和右插入管7截面积相等。

左插入管1、右插入管7插入扩张腔4的长度由消声器的结构参数和噪声特性共同决定，根据设计要求，选用不同的插入长度可以消除不同的噪声通过频率，在一定程度拓宽消声器的吸声频带，提高其消声特性。扩张腔4与插入管的截面积之比m定义为扩张比，是影响消声器消声特性的一个重要参数，取值范围一般为9～16。

请参阅图4所示，针对上述提出的双极微穿孔板消声器，以下给出该结构传递损失的计算方法：

声波由左插入管S₁进入消声器，经过消声器内部消声结构，从右插入管S₂传出，该双极微穿孔板消声器的传递损失的计算方法包括下述步骤：

步骤一：

取突变截面Ⅰ位置(即左插入管S₁的右端面的位置)为x轴初始位置：即x＝0；为消声器入射声压，为插入管S₁后端声负载产生的反射声压；分别为靠近突变截面Ⅰ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅰ左侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

在x＝0处，根据声压连续条件可知：

同理，

由于在界面处质点不会积聚，根据质量守恒定律，可以得出体积速度连续条件为：其中S₁为左插入管的截面积，S₂为右插入管的截面积，S为扩张腔的截面积；

步骤二：

声压P₂(声压P₂由入射声压P2+、反射声压P2-组成)在扩张腔内从突变截面Ⅰ传播L₂距离到突变截面Ⅱ(即右插入管S₂的左端面的位置)，之后分为两部分，一部分从右插入管传出，另一部分透过突变截面Ⅱ继续在扩张腔内向前传播；由管内声场条件可知，在靠近突变截面Ⅱ左侧，入射声压变为反射声压变为其中j为虚数单位，ω为圆角频率。在靠近突变截面Ⅱ右侧的右插入管内，由于消声器尾部无声负载，因此只有入射声压无反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅱ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

同步骤一，在x＝L₂处，根据声压连续条件可知：

由体积连续条件：

步骤三：

在扩张腔内，声压P₃(声压P₃由入射声压P3+和反射声压P3-组成)向左传播L₁后进入到左微穿孔板，并由左微穿孔板产生反射；在x＝-L₁处，根据管内声场条件，变为变为在x＝-L₁处，根据马大猷先生的微穿孔板吸声结构理论，微穿孔板吸声结构板前声压条件：

Z_D1为左微穿孔板吸声结构的声阻抗，D1为左微穿孔板到扩张腔的左壁面之间形成的空腔深度，其中R指微穿孔板声阻率，M指微穿孔板声质量率，ρ指空气密度，c指声速。

步骤四：

同步骤三，在扩张腔内，声压P₄(声压P₄由入射声压P4+和反射声压P4-组成)向右传播L₃后进入到右微穿孔板，在x＝L₂+L₃处，Z_D2为右微穿孔板吸声结构的声阻抗，D2为右微穿孔板到扩张腔的右壁面之间形成的空腔深度，

步骤五：

根据消声器传递损失计算公式：

式中：W_i为入口声功率

W_r为出口声功率其中，指排气管入口处声压。

综合以上步骤，经过MATLAB软件的复杂运算可以得到传递损失L_TL。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，所述双极微穿孔板消声器包括扩张腔(4)、左插入管(1)、右插入管(7)、左微穿孔板(3)以及右微穿孔板(5)，所述扩张腔(4)具有左、右两端侧壁，距扩张腔(4)的左、右两端壁面一定距离分别加装左微穿孔板(3)以及右微穿孔板(5)，左微穿孔板(3)与扩张腔(4)的左壁面之间形成的空腔、左微穿孔板(3)与右微穿孔板(5)之间形成的空腔，以及右微穿孔板(5)与扩张腔(4)的右壁面之间形成的空腔共同构成微穿孔板吸声结构；

左插入管(1)从扩张腔(4)的左侧壁插入到扩张腔(4)内，并且左插入管(1)的右端穿出左微穿孔板(3)，右插入管(7)从扩张腔(4)的右侧壁插入到扩张腔(4)内，并且右插入管(7)的左端穿出右微穿孔板(5)，左插入管(1)、右插入管(7)构成双极微穿孔板消声器的进、排气管，

其特征在于：计算方法包括下述步骤：

步骤一：

取突变截面Ⅰ位置即左插入管S₁的右端面的位置为x轴初始位置：即x＝0；为消声器入射声压，为左插入管S₁后端声负载产生的反射声压；分别为靠近突变截面Ⅰ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅰ左侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

在x＝0处，根据声压连续条件可知：

同理，

由于在界面处质点不会积聚，根据质量守恒定律，可以得出体积速度连续条件为：其中S₁为左插入管的截面积，S₂为右插入管的截面积，S为扩张腔的截面积；

步骤二：

声压P₂在扩张腔内从突变截面Ⅰ传播L₂距离到突变截面Ⅱ，之后分为两部分，一部分从右插入管传出，另一部分透过突变截面Ⅱ继续在扩张腔内向前传播，声压P₂由入射声压P2+、反射声压P2-组成，突变截面Ⅱ即右插入管S₂的左端面的位置；由管内声场条件可知，在靠近突变截面Ⅱ左侧，入射声压变为反射声压变为其中j为虚数单位，ω为圆角频率，在靠近突变截面Ⅱ右侧的右插入管内，由于消声器尾部无声负载，因此只有入射声压无反射声压；分别为扩张腔内靠近突变截面Ⅱ右侧的入射声压以及后端声负载产生的反射声压；

同步骤一，在x＝L₂处，根据声压连续条件可知：

由体积连续条件：

步骤三：

在扩张腔内，声压P₃向左传播L₁后进入到左微穿孔板，并由左微穿孔板产生反射，声压P₃由入射声压P3+和反射声压P3-组成；在x＝-L₁处，根据管内声场条件，变为 变为在x＝-L₁处，根据马大猷先生的微穿孔板吸声结构理论，微穿孔板吸声结构板前声压条件：

Z_D1为左微穿孔板吸声结构的声阻抗，D1为左微穿孔板到扩张腔的左壁面之间形成的空腔深度，其中R指微穿孔板声阻率，M指微穿孔板声质量率，ρ指空气密度，c指声速；

步骤四：

同步骤三，在扩张腔内，声压P₄向右传播L₃后进入到右微穿孔板，在x＝L₂+L₃处，Z_D2为右微穿孔板吸声结构的声阻抗，D2为右微穿孔板到扩张腔的右壁面之间形成的空腔深度，声压P₄由入射声压P4+和反射声压P4-组成；

步骤五：

根据消声器传递损失计算公式：

式中：W_i为入口声功率

W_r为出口声功率其中，指排气管入口处声压，

综合以上步骤，经过运算得到传递损失L_TL。

2.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：所述左微穿孔板(3)与右微穿孔板(5)为相同厚度的金属板，金属板上均匀打上一定量的微孔。

3.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：微穿孔板厚度取值为0.5～1mm，穿孔率为1％～5％，微孔孔径取0.1～1mm。

4.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：左插入管(1)、右插入管(7)及扩张腔(4)的轴线共线。

5.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：左插入管(1)和右插入管(7)截面积相等。

6.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：扩张腔(4)与插入管的截面积之比m定义为扩张比，取值范围为9～16。

7.如权利要求1所述的双极微穿孔板消声器传递损失的计算方法，其特征在于：步骤五中，采用MATLAB软件进行复杂运算得到传递损失L_TL。