CN108443232A - 一种降噪结构及机柜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降噪结构及机柜，涉及机械技术领域，用以解决现有技术中降噪结构只能针对某一特定的频带范围进行降噪，应用范围比较受限的问题。所述降噪结构包括：两端开口的空心管道，其中，所述空心管道的一端开口处设置有噪声源；所述空心管道的管道壁上设置有喉管，所述喉管从所述空心管道的内侧壁延伸到所述空心管道之外与一腔体相接；所述腔体通过所述喉管与所述空心管道的内部空间联通；所述喉管在所述空心管道的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸可调；所述腔体以及所述喉管的尺寸均比所述噪声源产生的噪声的波长低至少一个数量级。

Description

一种降噪结构及机柜
技术领域
本发明涉及机械技术领域，特别是涉及一种降噪结构及机柜。
背景技术
高端路由器机柜中的风扇在运行时会产生很大的噪声，噪声频段主要居于低频。目前用于降低风扇噪声的方法主要有主动控制噪声和被动控制噪声技术，两者在降噪方面都有不错的效果，然而此类降噪结构性能单一，只能针对某一特定的频带范围进行降噪，一旦制成则不能作用于其他频带范围，因此，应用范围比较受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降噪结构及机柜，用以解决现有技术中降噪结构只能针对某一特定的频带范围进行降噪，应用范围比较受限的问题。
一方面，本发明提供一种降噪结构，包括：两端开口的空心管道，其中，所述空心管道的一端开口处设置有噪声源；所述空心管道的管道壁上设置有喉管，所述喉管从所述空心管道的内侧壁延伸到所述空心管道之外与一腔体相接；所述腔体通过所述喉管与所述空心管道的内部空间联通；所述喉管在所述空心管道的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸可调；所述腔体以及所述喉管的尺寸均比所述噪声源产生的噪声的波长低至少一个数量级。
可选的，所述喉管的管壁包括相对设置的两个挡板，其中，每个所述挡板在所述空心管道的延伸方向上可移动，以调节所述喉管在所述空心管道的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸。
可选的，所述挡板通过滑动机构或者伸缩机构设置在所述空心管道的管道壁上。
可选的，所述空心管道的横截面包括矩形、圆形、多边形中的至少一种；所述腔体的形状与所述空心管道的管道壁相适应，且所述腔体与所述管道壁间隔预设距离。
可选的，所述腔体和所述喉管构成消声部件，所述消声部件对声音的共振频率其中，c0为背景媒质中的声速，V是腔体的体积，l、S分别为喉管的高度、横截面积，l′为喉管分别相对于腔体和管道端的末端修正长度之和。
可选的，所述末端修正长度之和其中，a1为所述喉管的长度的一半，b1为所述喉管的宽度的一半，a为所述腔体的长度的一半，b为所述腔体的宽度的一半；vmn为所述空心管道中声波的不同模式所对应的模式系数，v00＝0，vmn＝1， m,n均为整数，代表管中声波传播时的不同模式；其中，所述空心管道的延伸方向为长度方向，从所述空心管道指向所述腔体的方向为高度方向，与所述长度方向和所述高度方向都垂直的方向为宽度方向。
可选的，所述喉管包括多个，每个所述喉管对应一个所述腔体；各所述腔体贴近所述空心管道的管道外壁并在所述空心管道的延伸方向上依次排列。
可选的，所述空心管道的壁面材料与所述腔体的壁面材料的声阻抗均大于预设阈值。
可选的，所述噪声源包括风扇，所述空心管道包括风道。
另一方面，本发明还提供一种机柜，包括本发明提供的任一种降噪结构。
本发明的实施例提供的降噪结构及机柜，噪声源产生噪声并在空心管道中传播，通过在空心管道上设置的喉管和腔体，可以形成一种消声结构，能够对其中心频率附近范围的噪声进行抑制，由于腔体以及喉管的尺寸均比噪声源产生的噪声的波长低至少一个数量级，处于亚波长范围，因此，当对喉管的位置和/或喉管的尺寸进行调整时，消声结构对应的中心频率会相应改变，从而实现对不同频率范围的噪声进行抑制，大大扩展了降噪结构的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的降噪结构的一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的降噪结构的一种三维透视示意图；
图3是本发明实施例提供的降噪结构的一种剖视图，展示空心管道的左侧壁；
图4是本发明实施例提供的降噪结构的一种剖视图，展示空心管道的顶壁；
图5是实例中的降噪结构的共振频率分布示意图；
图6是实例中的降噪结构以平面波入射模拟噪声源在不同频率处的声强透射率及其对应的隔声量分布示意图；
图7是以风扇为噪声源，仿真模拟风扇在波导管和实例中设计的降噪结构中的频谱图对比；
图8是实例中设计的降噪结构对应于图7在作用频带处的隔声量示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种降噪结构，包括：
两端开口的空心管道1，其中，空心管道1的一端开口处设置有噪声源4；
空心管道1的管道壁上设置有喉管3，喉管3从空心管道1的内侧壁延伸到空心管道1之外与一腔体2相接；腔体2通过喉管3与空心管道1的内部空间联通；喉管3在空心管道1的管道壁上的位置和/或喉管3的尺寸可调；
腔体2以及喉管3的尺寸均比噪声源4产生的噪声的波长低至少一个数量级。
本发明的实施例提供的降噪结构，噪声源4产生噪声并在空心管道1中传播，通过在空心管道1上设置的喉管3和腔体2，可以形成一种消声结构，能够对其中心频率附近范围的噪声进行抑制，由于腔体2以及喉管3的尺寸均比噪声源4产生的噪声的波长低至少一个数量级，处于亚波长范围，因此，当对喉管3的位置和/或喉管3的尺寸进行调整时，消声结构对应的中心频率会相应改变，从而实现对不同频率范围的噪声进行抑制，大大扩展了降噪结构的应用范围。
具体的，喉管3在空心管道1的管道壁上的位置和/或喉管3的尺寸可调可以通过不同的方式实现。例如，在本发明的一个实施例中，喉管3的管壁可以包括相对设置的两个挡板，其中，每个挡板在空心管道1的延伸方向上可移动，以调节喉管3在空心管道1的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸。可选的，为了保证挡板在移动过程中仍与空心管道1、腔体2形成闭合空间，挡板与空心管道1、腔体2相接之处可以分别向空心管道1的壁面以及腔体2的壁面进行适量延伸。
为了对噪声进行有效的抑制，可选的，空心管道1的壁面材料与腔体2的壁面材料的声阻抗均大于预设阈值，例如壁面材料可以为声学硬材料，如金属、塑料等。
可选的，挡板可以通过滑动机构或者伸缩机构设置在空心管道1的管道壁上。为了对挡板位置进行移动后的固定，还可以在滑动机构或伸缩机构上设置卡位机构或限位机构等，这样即可通过挡板的移动和限位实现喉管位置的移动或者尺寸的改变。
需要说明的是，虽然图1所示的空心管道1的横截面为矩形，但本发明的实施例不限于此。空心管道1的横截面可以为任意形状，例如可以包括矩形、圆形、多边形中的一种或多种。腔体2的形状与空心管道1的管道壁相适应，且腔体2与空心管道1的管道壁间隔预设距离。可选的，对于横截面为矩形的空心管道1，腔体2可以呈扁平状分布在空心管道1的上、下、左、右侧面中的任意一个面或者任意几个面上。对于横截面为多边形的空心管道1，腔体2的分布也与横截面为矩形时类似。对于横截面为圆形的空心管道1，腔体2可以呈窄圆环状或者扇环状环绕在空心管道1周围。
具体的，本发明实施例提供的降噪结构的主要降噪部分是腔体2和喉管3组成的消声部件。根据分析，该消声部件对声音的共振频率满足如下公式：
其中，c0为背景媒质中的声速，V是腔体的体积，l、S分别为喉管的高度、横截面积，l′为喉管分别相对于腔体和管道端的末端修正长度之和。
具体的，所述末端修正长度之和满足如下公式：
其中，a1为所述喉管的长度的一半，b1为所述喉管的宽度的一半，a为所述腔体的长度的一半，b为所述腔体的宽度的一半；
vmn为所述空心管道中声波的不同模式所对应的模式系数，v00＝0,vmn＝1；
m,n均为整数，代表管中声波传播时的不同模式；
其中，所述空心管道的延伸方向为长度方向，从所述空心管道指向所述腔体的方向为高度方向，与所述长度方向和所述高度方向都垂直的方向为宽度方向。
由上述实施例可知，每个腔体2和喉管3对应一个共振频率，可以以该共振频率为中心对一定带宽的声音进行降噪处理。当需要进行降噪处理的声音频率的范围较大，单个腔体和喉管的共振频率不足以覆盖时，可以在空心管道1周围设置多个腔体2和对应的喉管3，总的降噪频率范围等于所有腔体2和喉管3对应的共振频率的叠加。例如，在本发明的一个实施例中，喉管3包括多个，每个喉管3对应一个腔体2；各腔体2贴近空心管道1的管道外壁并在空心管道1的延伸方向上依次排列。
具体而言，在设计喉管参数时，尽量使可调频降噪结构的共振频率点和风扇产生的主要噪声峰值频率点相吻合，基于该结构下在共振频率附近有一定的吸声频带宽度，频率选择为每隔约50Hz左右级联一个由腔体和喉管构成的消声部件。
可选的，本发明的实施例中，降噪结构特征尺寸远小于声波波长，属于亚波长尺度范围。
可选的，噪声源可以包括任何能够产生气动噪声的设备或器件等，本发明的实施例对此不作限定。在电子设备中，常常需要风扇对设备进行散热，扇叶高速转动也会形成气动噪声，因此，该噪声源也可以包括风扇，相应的，空心管道1可以包括风道、气道等。
下面通过具体实施例对本发明提供的降噪结构进行详细说明。
如图2所示，本实施例中，降噪结构包括空心管道1、腔体2、喉管3。空心管道1的一端设置有噪声源4。一个腔体2和对应的喉管3组成了一个消声部件，整个降噪结构由多个这样的消声部件级联而成，在空心管道1上、下、左、右四个侧壁上均匀分布。可选的，腔体2放置在距空心管道1表面一定距离处，尺寸固定，腔体2与空心管道1之间通过一对固体挡板连接，固体挡板之间构成喉管3，喉管3沿空心管道1方向的长度以及其距离腔体2中心的位置可通过移动挡板来调节。
噪声源4的直径约为80mm，针对高端路由器机柜的整体构造及风扇布局分布设计的降噪结构的参数设置如下：空心管道1的长度为380mm，宽度、高度均为82mm，上下左右包含16个对称腔体2，腔体2的长宽高分别为83.3mm、82mm和12mm，相邻腔体2间隔距离为1.7mm。
图3、图4分别是此实例中设计的降噪结构中，从噪声源4所在的一端开口看过去，空心管道风道左侧壁和顶壁的剖视图。经仿真模拟分析出该噪声源4在不同工况下所产生噪声的主要频率点在800-1300Hz频带范围内。考虑到噪声源的位置及其周围的结构分布，可选的，本实施例中，将由喉管3和腔体2组成的消声部件的共振频率的间隔选为50Hz，这样只需8-10个消声部件即可将该频带范围内的噪声进行降噪。
具体而言，为了实现上述频带范围的降噪，本实施例中喉管具体参数如下：喉管高度为2mm，喉管宽度为82mm，喉管3中心相对腔体2中心位置偏右为正，偏左为负，则空心管道1左侧壁上的喉管3横截面长度及偏离腔体2中心位置的距离在图3中按从左往右顺序分别为：2mm、2mm、4mm、4mm和20mm、-8mm、-20mm、12mm，各消声部件对应的共振频率分别为860Hz、910Hz、970Hz、1020Hz；空心管道1顶壁(即上表面)处喉管横截面长度与偏离腔体中心位置的距离在图4中按从左往右顺序分别为：6mm、6mm、8mm、16mm和-14mm、2mm、8mm、18mm，其对应的共振频率为1080Hz、1150Hz、1190Hz、1230Hz。本实施例中，空心管道1的左侧壁和右侧壁的喉管结构参数一致，顶壁(上表面)和底壁(下表面)的喉管结构参数一致。
本实施例中降噪结构存在8各共振频率点，图5是该8个共振频率点附近的噪声透过率分布示意图。f1至f8对应的频率分别为860Hz、910Hz、970Hz、1020Hz、1080Hz、1150Hz、1190Hz、1230Hz。从图5中可以看出，在以共振频率为中心频率的一定频带上其透射率都很小，在考虑到噪声源的位置及其周围的结构分布，将由喉管3和腔体2组成的消声部件的共振频率的间隔选为50Hz。
图6是本实例中的降噪结构以平面波入射模拟噪声源在不同频率处的声强透射率及其对应的隔声量分布示意图。在靠近噪声源的入口处设置一个压力幅值为1Pa的入射平面波模拟风扇噪声，观察空心管道1中远离风扇的端口上的声能透射情况。图6中横坐标为频率，纵坐标为透射率即远离风扇一面的端口面上透射出的声能与入射到靠近风扇一面的端口面上的总声能之比。图6中显示在850-1400Hz频率左右处声波的透射率大幅度衰减，最大隔声量约为85dB。
图7是以风扇为噪声源，仿真模拟风扇在波导管和可调频降噪结构中的频谱图对比。在仿真软件中利用风扇旋转产生压力脉动，形成噪声，通过设置监测点来探测风扇的噪声频谱图。图中曲线c1是在100％工况下风扇在波导管中的频谱图，曲线c2是在100％工况下风扇在可调频亚波长声人工降噪结构中的频谱图，仿真结果对应的作用频率范围为850-1400Hz。
图8是可调频降噪结构对应于图7在作用频带范围内的隔声量。在此频带范围内，噪声降低均大于等于10dB，最大甚至达到45dB。
需要说明的是，本实施例中，在数值仿真时时是采取的平面波形式的入射声波，但本发明的实施例不限于此。由于基于共鸣器的共振原理，对于其他方向入射的声波也有效果，入射声波可以为任何形式的声波。
本发明实施例提供的降噪结构，其结构单元特征尺寸远小于声波波长，且喉部设计灵活，可根据风扇的频谱图相应调整内部喉管的横截面和其相对腔体中心位置的距离，具有可调频效果，能够实现在不同频率处的降噪，有效降低高端路由器机柜中由风扇等噪声源产生的气动噪声，有效改善声环境质量。
相应的，本发明的实施例还提供一种机柜，包括前述实施例提供的任一种降噪结构，因此也能实现相应的技术效果，前文已经进行了详细说明，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种降噪结构，其特征在于，包括：
两端开口的空心管道，其中，所述空心管道的一端开口处设置有噪声源；
所述空心管道的管道壁上设置有喉管，所述喉管从所述空心管道的内侧壁延伸到所述空心管道之外与一腔体相接；所述腔体通过所述喉管与所述空心管道的内部空间联通；所述喉管在所述空心管道的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸可调；
所述腔体以及所述喉管的尺寸均比所述噪声源产生的噪声的波长低至少一个数量级。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述喉管的管壁包括相对设置的两个挡板，其中，每个所述挡板在所述空心管道的延伸方向上可移动，以调节所述喉管在所述空心管道的管道壁上的位置和/或所述喉管的尺寸。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述挡板通过滑动机构或者伸缩机构设置在所述空心管道的管道壁上。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述空心管道的横截面包括矩形、圆形、多边形中的至少一种；所述腔体的形状与所述空心管道的管道壁相适应，且所述腔体与所述管道壁间隔预设距离。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述腔体和所述喉管构成消声部件，所述消声部件对声音的共振频率其中，c0为背景媒质中的声速，V是腔体的体积，l、S分别为喉管的高度、横截面积，l′为喉管分别相对于腔体和管道端的末端修正长度之和。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于：所述末端修正长度之和 其中，a1为所述喉管的长度的一半，b1为所述喉管的宽度的一半，a为所述腔体的长度的一半，b为所述腔体的宽度的一半；vmn为所述空心管道中声波的不同模式所对应的模式系数，v00＝0,vmn＝1，m,n均为整数，代表管中声波传播时的不同模式；
其中，所述空心管道的延伸方向为长度方向，从所述空心管道指向所述腔体的方向为高度方向，与所述长度方向和所述高度方向都垂直的方向为宽度方向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的结构，其特征在于，所述喉管包括多个，每个所述喉管对应一个所述腔体；各所述腔体贴近所述空心管道的管道外壁并在所述空心管道的延伸方向上依次排列。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的结构，其特征在于，所述空心管道的壁面材料与所述腔体的壁面材料的声阻抗均大于预设阈值。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的结构，其特征在于，所述噪声源包括风扇，所述空心管道包括风道。
10.一种机柜，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的降噪结构。
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