CN108316988B - 一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及消音设备领域，具体涉及一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器。包括中空的筒体，沿筒体两端设有进气管和出气管；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体；左隔板上设有与筒体同轴的转轴，转轴的细轴上套设有吸音叶片；第二腔体内设有阻尼单元，转子设置在阻尼单元空腔内并套设在转轴上，转子与阻尼单元中左极和右极内壁之间的间隙充满磁流变液。优势与特色：利用磁流变液的场至微结构特性和磁锥声阻抗的逐渐变化主动吸音，将声能化为热能，吸声系数高；根据发动机转速变化动态主动吸声，内耗高。
Description
技术领域
本发明涉及消音设备领域，具体涉及一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器。
背景技术
消音器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。消音器是安装在鼓风机、空压机、锅炉排气口、发电机、水泵等排气口噪音较大的空气动力设备的气流通道上或进、排气系统中的降低噪声的装置。
利用吸声材料或吸声结构来降低噪声的方法称为吸声降噪，吸声降噪是噪声控制中很重要的一个手段。吸声材料和吸声结构的种类很多，一般可分为单层吸声材料和多层吸声材料，它们都是被动吸声；而有别于被动吸声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制，它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零，形成“黑洞”现象，使得吸声系数达到最大，从而达到吸声降噪的目的。与传统的吸声技术相比，主动吸声技术可使吸声系数根据外界噪声的变化而变化，实现噪声的主动控制。
主动吸声的智能材料主要有压电材料和磁流变液。压电材料主要利用压电效应，根据入射声波的频率，在压电材料表面形成电荷，将声能转化为电能，达到主动吸声的目的；磁流变液具有优异的可控性能，通过磁场的作用其粘度、场致微结构等易形成梯度变化，使声波能够无反射的进入吸声材料，而且由于材料本身的粘性和微结构，可导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，使得声波在其中能够迅速衰减，因此，磁流变液场致微结构可实现梯度变化，易于形成梯度阻抗，给主动智能吸声提供了一个新的视角。
发明内容
针对现有排气消音器消音方面所存在的问题，本发明提出一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器，本发明采用的实施方案是：包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管，进气管的右端和出气管的左端均为圆锥形；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板上均布地分别开有左流通孔和右流通孔，左流通孔和右流通孔的两端均为喇叭形；左隔板上设有与筒体同轴的转轴，转轴的左端深入到第一腔体中，转轴的细轴上均布地套设有吸音叶片，吸音叶片由压电陶瓷和金属基板粘接而成；第二腔体内设有阻尼单元，阻尼单元包括与筒体同轴的圆筒、并列设置在圆筒内左隔板和右隔板之间的左极和右极、设在左极和右极间的隔磁橡胶圈、磁流变液、轴承和密封圈；圆筒两个端面通过螺钉安装到左隔板和右隔板上，圆筒内设有控制磁流变液力学性能的线圈；左极和右极组成一个圆柱形，内部形成一空腔，转轴的右端深入到此空腔中，转子设置在空腔内并通过键套设在转轴上，转子与左极和右极内壁之间的间隙充满磁流变液；空腔与转子之间设有密封圈，转轴与左极和右极之间均设有轴承。
本发明中，为提高吸音叶片的吸音降噪能力，吸音叶片与转轴的细轴的轴面相连并与转轴的轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，吸音叶片倾斜角为β＝110°或70°，吸音叶片为弯曲的彩虹型结构，压电陶瓷的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电陶瓷厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电陶瓷的厚度之比为1～2.5，此时吸音叶片的吸音降噪能力较强。
磁锥是根据逐渐过渡原理，使磁流变液被永磁体磁化成圆锥形，利用阻抗的逐渐变化，从磁锥的尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液的阻抗，从而实现了很好的阻抗匹配；同时由于磁流变液本身的场至微结构特性，导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，从而使吸声系数达到最高而被高效的吸收。
高速气流进入第一腔体吹到吸音叶片时产生气体动压力，使吸音叶片中的彩虹型弯曲的压电陶瓷受压应力趋于拉直，吸音叶片中压电陶瓷所受应力小于其许用应力，气流中声波的振动使压电陶瓷所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能，所生成电能经导线传输到能量转换与存储电路后为阻尼单元中线圈供电；由压电陶瓷的正压电效应可知，压电陶瓷在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比，因此，施加到阻尼单元的线圈上的电流大小受压电陶瓷产生的电荷值控制，线圈中电流的改变可引起磁场大小的改变，磁场的改变使得磁流变液的力学性能改变，即转子的阻尼力发生改变，从而影响转轴的转速；通过调整转子的阻尼力调整转轴的转速不仅可以调整耗能大小，还可控制因吸音叶片旋转而带来的气流再生噪声大小。
当发动机转速增大时，消声器内气流气压和声波频率增加，压电陶瓷产生的电荷量增多，将声能转换成电能增大，即施加到阻尼单元线圈上的电流增大，转子运动阻尼力增大使转速减小，内耗增加；相反，当发动机转速降低时，消声器内气流气压和声波频率减小，吸音叶片施加到阻尼单元中线圈上的电流减小，转子运动阻尼力减小使转速增加，内耗也减小；因此可根据发动机转速变化动态主动吸声，实现对噪声的智能控制；同时，气流中声波通过磁锥的多次反射和吸收，使得声波在其中能够迅速衰减，进气管的出气口和排气管的进气口均为圆锥形，左流通孔和右流通孔的两端均为喇叭形，可以减少气流再生噪声的产生。
优势与特色：1)利用磁流变液的场至微结构特性和磁锥声阻抗的逐渐变化主动吸音，将声能化为热能，吸声系数高；2)根据发动机转速变化动态主动吸声，内耗高；3)利用压电陶瓷的压电效应自供电，无需外电源，降低成本。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例中一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器的结构示意图；
图2为本发明一个较佳实施例中吸音叶片与转轴装配结构示意图；
图3为本发明中磁流变液吸声系数与声波入射频率关系曲线图。
具体实施方式
一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器，包括中空的筒体V，沿筒体V一端偏离轴线的位置设有进气管a，沿筒体V另一端轴线的位置设有出气管p，进气管a的右端和出气管p的左端均为圆锥形；筒体V包括壳体b和固定体c，固定体c上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥X；磁锥X由圆柱形永磁体d和被磁化后覆盖在永磁体d上的圆锥形磁流变液h组成；筒体V内由左隔板g和右隔板m沿垂直筒体V轴线方向将筒体V分隔为第一腔体A、第二腔体B和第三腔体C，进气管a与第一腔体A相通，出气管p与第三腔体C相通；左隔板g和右隔板m上均布地分别开有左流通孔g1和右流通孔m1，左流通孔g1和右流通孔m1的两端均为喇叭形；左隔板g上设有与筒体V同轴的转轴t，转轴t的左端深入到第一腔体A中，转轴t的细轴t1上均布地套设有吸音叶片E，吸音叶片E由压电陶瓷e1和金属基板e2粘接而成；第二腔体B内设有阻尼单元Y，阻尼单元Y包括与筒体V同轴的圆筒j、并列设置在圆筒j内左隔板g和右隔板m之间的左极f和右极n、设在左极f和右极n间的隔磁橡胶圈i、磁流变液h、轴承r和密封圈q；圆筒j两个端面通过螺钉安装到左隔板g和右隔板m上，圆筒j内设有控制磁流变液力学性能的线圈k；左极f和右极n组成一个圆柱形，内部形成一空腔，转轴t的右端深入到此空腔中，转子s设置在空腔内并通过键u套设在转轴t上，转子s与左极f和右极n内壁之间的间隙充满磁流变液h；空腔与转子s之间设有密封圈q，转轴t与左极f和右极n之间均设有轴承r。
本发明中，为提高吸音叶片的吸音降噪能力，吸音叶片E与转轴t的细轴t1的轴面相连并与转轴t的轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，吸音叶片E倾斜角为β＝110°或70°，吸音叶片E为弯曲的彩虹型结构，压电陶瓷e1的曲率半径小于金属基板e2的曲率半径，压电陶瓷e1厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板e2为铍青铜，金属基板e2与压电陶瓷e1的厚度之比为1～2.5，此时吸音叶片E的吸音降噪能力较强。
磁锥X是根据逐渐过渡原理，使磁流变液h被永磁体d磁化成圆锥形，利用声阻抗的逐渐变化，从磁锥X的尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液h的阻抗，从而实现了很好的阻抗匹配；同时由于磁流变液h本身的场至微结构特性，导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，从而使吸声系数达到最高。
高速气流进入第一腔体吹到吸音叶片E时产生气体动压力，使吸音叶片E中的彩虹型弯曲的压电陶瓷e1受压应力趋于拉直，吸音叶片E中压电陶瓷e1所受应力小于其许用应力，气流中声波的振动使压电陶瓷e1所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能，所生成电能经导线传输到能量转换与存储电路后为阻尼单元Y中线圈k供电；由压电陶瓷e1的正压电效应可知，压电陶瓷e1在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比，因此，施加到阻尼单元Y的线圈k上的电流大小受压电陶瓷e1产生的电荷值控制，线圈k中电流的改变可引起磁场大小的改变，磁场的改变使得磁流变液h的力学性能改变，即转子s的阻尼力发生改变，从而影响转轴t的转速；通过调整转子s的阻尼力调整转轴t的转速不仅可以调整耗能大小，还可控制因吸音叶片E旋转而带来的气流再生噪声大小。
当发动机转速增大时，消声器内气流气压和声波频率增加，压电陶瓷e1产生的电荷量增多，将声能转换成电能增大，即施加到阻尼单元Y线圈k上的电流增大，转子s运动阻尼力增大使转速减小，内耗增加；相反，当发动机转速降低时，消声器内气流气压和声波频率减小，吸音叶片E施加到阻尼单元Y中线圈k上的电流减小，转子s运动阻尼力减小使转速增加，内耗也减小；因此可根据发动机转速变化动态主动吸声，实现对噪声的智能控制；同时，气流中声波通过磁锥X的多次反射和吸收，使得声波在其中能够迅速衰减，进气管a的出气口和排气管p的进气口均为圆锥形，左流通孔g1和右流通孔m1的两端均为喇叭形，可以减少气流再生噪声的产生。
Claims (1)
1.一种基于磁流变液压电材料的主动吸音消音器，其特征在于：包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管，进气管的右端和出气管的左端均为圆锥形；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板上均布地分别开有左流通孔和右流通孔，左流通孔和右流通孔的两端均为喇叭形；左隔板上设有与筒体同轴的转轴，转轴的左端深入到第一腔体中，转轴的细轴上均布地套设有吸音叶片，吸音叶片由压电陶瓷和金属基板粘接而成；第二腔体内设有阻尼单元，阻尼单元包括与筒体同轴的圆筒、并列设置在圆筒内左隔板和右隔板之间的左极和右极、设在左极和右极间的隔磁橡胶圈、磁流变液、轴承和密封圈；圆筒两个端面安装到左隔板和右隔板上，圆筒内设有控制磁流变液力学性能的线圈；左极和右极组成一个圆柱形，内部形成一空腔，转轴的右端深入到此空腔中，转子设置在空腔内并套设在转轴上，转子与左极和右极内壁之间的间隙充满磁流变液；空腔与转子之间设有密封圈，转轴与左极和右极之间均设有轴承；吸音叶片与转轴的细轴的轴面相连并与转轴的轴向成一定的倾斜角β，吸音叶片倾斜角为β＝110°或70°，吸音叶片为弯曲的彩虹型结构，压电陶瓷的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电陶瓷厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电陶瓷的厚度之比为1～2.5，此时吸音叶片的吸音降噪能力较强。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jin Caifu Inventor after: Wang Hongyun Inventor after: Bi Cheng Inventor after: Zhao Shuang Inventor after: Liu Weidong Inventor after: Gao Chunfu Inventor before: Wang Hongyun Inventor before: Bi Cheng Inventor before: Zhao Shuang Inventor before: Liu Weidong Inventor before: Jin Caifu Inventor before: Gao Chunfu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |