CN108682411A - 一种宽带低频声学消声器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带低频声学消声器，包括一个通风管道，管道四周沿声波传播方向分布有若干组等间距排列的消声结构，一组消声结构包含关于通风管道对称的四个消声结构单元，单个结构单元由至少两个横截面为开口矩形环的壳体嵌套组成，相邻壳体的环口方向相反且共面，壳体两端通过端板密封。本发明对制作材料没有特殊要求，只要在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，易于制作，在实际推广和应用中极为便利且对环境无污染。本发明的宽带低频声学消声器，能够在较宽低频范围内对噪声进行有效的抑制，且能够缩小整体的体积，结构紧凑，适用于现有的小型集成化的设备的消声降噪，同时又能实现很好的通风性能，有很强的实用性。

Description

一种宽带低频声学消声器
技术领域
本发明涉及一种宽带低频声学消声器，属于声学领域。
背景技术
传统的消声器大多通过在结构里添加多孔纤维材料来抑制噪声，但在低频范围消声效果较差，且多孔材料的孔隙容易积累粉尘和细菌，会对环境以及人的健康带来影响。近年来，随着声学超材料的快速发展，其有别于自然材料的声学特性受到了广泛的关注，许多具有亚波长尺寸的消声器被提出来并被用于低频噪声控制。然而，随着信息科技的快速发展，设备趋于小型集成化，设备内部在噪声控制和通风上存在冲突，现有的消声结构已逐渐不能满足工业需求，实用性较差。因此，需要一种既能够在低频实施噪声控制，同时又可以使通风性能最优的消声器。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带低频声学消声器，能够对设备的低频噪声进行有效抑制，同时又能实现很好的通风性能，且结构紧凑，符合现有设备噪声控制的需求。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的宽带低频声学消声器，包括一个通风管道，管道四周沿声波传播方向附有至少一组消声结构，一组消声结构包含关于上下表面、左右表面分别对称的四个消声结构单元。
作为优选，所述消声结构有两组，两组消声结构沿声传播方向等间距排列在管道四周表面。
作为优选，所述消声结构单元由两个横截面为开口矩形环的壳体嵌套组成，相邻壳体的环口方向相反，壳体两端通过端板密封，外环口和内环口共面，通风管道上也设有开口，通风管道通过开口与消声结构单元连通。
作为优选，所述一组消声结构的上(下)表面与左(右)表面、相邻两组消声结构之间，其消声结构单元内部壳体个数可不同，且外壳体与内部所有壳体的环口高度、横截面大小均可变，相邻壳体的间距可变。
作为优选，所述通风管道位于结构中心，其横截面积与整个结构的横截面积之比为65％-75％，这样设计，通风效率高，且不影响管道本身的通风效果，表现出很好的通风性能，能用于管道通风降噪。
作为优选，所述消声结构单元沿声传播方向的长度为30mm,厚度为12mm，沿垂直于纸面的拉伸长度为62mm，远小于声波在1100Hz左右的工作波长，属于亚波长尺度，且结构紧凑。
作为优选，所述通风管道、消声结构单元的壁面声学阻抗远大于背景媒质，至少为100倍的背景媒质声阻抗。
作为优选，所述通风管道、消声结构单元的材料为声学刚性材料。
作为优选，所述材料通风管道、消声结构单元的材料为金属或有机塑料。
本发明的宽带低频消声器基于声学超材料理论，在通风管道的四周等间距排列着若干个沿声波传播方向对称分布、尺寸固定的消声结构单元，使得该消声结能够在较宽频带对噪声进行有效抑制，同时又不影响设备的通风性能。此外，通过将若干个相邻环口位置相反、横截面为矩形环的壳体嵌套在一起来产生一个附加的声质量，从而增加了整个结构的声质量，使得这种结构能够在低频处产生共振，同时缩小了结构的体积，结构更加紧凑，适用性、实用性强。
有益效果：本发明的宽带低频消声器，对制作材料没有特殊要求，只要在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，易于制作，在实际推广和应用中极为便利且对环境无污染。本发明的消声器能够在较宽低频范围内对噪声进行有效的抑制，且能够缩小整体的体积，结构紧凑，适用于现有的小型集成化的设备噪声控制，同时又能实现很好的通风性能，有很强的实用性。由于其结构紧凑、通风性能好、环保又易于制作、高效的宽带低频消声效果，本发明在管道消声降噪等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1中单个消声结构单元的结构示意图。
图4为图3的B-B剖视图。
图5是本发明选用ABS塑料样品的实验结果与仿真结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图4所示，包括一组消声器，一组消声器包含沿声波传播方向对称分布的四个消声结构单元1，四个消声结构单元1排列在通风管道5的四周。
在本发明中，所述消声器可以有两组或多组，两组或多组消声器沿声传播方向等间距分布在通风管道表面。所述消声结构单元1的特征尺寸远小于声波波长，属于亚波长尺度，且结构紧凑。所述通风管道5、消声结构单元1的材料为声学刚性材料，优选为金属或有机塑料。
在本发明中，所述通风管道5的壁厚(即开口高度)为1mm，消声结构单元1包含外壳体11、第一内壳体12、第二内壳体13……第n内壳体1(n+1)和端板6，所有壳体的横截面均为开口矩形环，外壳体11的一端通过端板6密封，内部所有内壳体一端都安装在端板6上，相邻壳体的环口方向相反，环口112、环口122……环口1n2共面，共面是指在垂直声传播的方向上，外环口和多个内环口在垂直声传播的方向上位于同一平面上。外壳体11开有环口的壁面厚度等于环口高度，其余壁面厚度均为w1，外壳体11的环口高度和通风管道5的开口高度之和记为l1，两者横截面积相等，都为S1。第i(2≤i≤n)内壳体1i开有环口的壁面厚度等于环口1i2的高度li，其余壁面厚度均为wi。
环口112、环口122……环口1n2共面，且位于结构中心，外壳体11环口和通风管道5的开口的声质量和为第i(2≤i≤n)个壳体1i的环口1i2的声质量其中li、Si为环口1i2的高度、横截面积,ρ0为背景媒质的质量密度。由于n个环口均位于结构中心，相邻壳体嵌套形成的通道关于单个结构单元的中心轴线对称，第i个壳体1i与第i+1个壳体1(i+1)嵌套形成的通道的声质量其中leff为通道的有效长度，Li、ti为第i个壳体1i沿声波传播方向的长度、高度(不包含壁厚)，h为沿垂直于纸面结构的拉伸长度(不包含壁厚)，di(i+1)为第i个壳体1i与第i+1个壳体1(i+1)嵌套形成的通道的宽度，其中L1>L2+2w2>L3+2w3＞……＞Ln+2wn，t1＞t2+w2+l2＞t3+w3+l3＞……＞tn+wn+ln，L1+2w1＝30mm，t1+w1+l1＝＝13mm。内壳体1n的声容为其中V＝Ln·tn·h，V为内壳体1n的体积，c0为背景媒质的声速。单个消声结构单元1的共振频率其
通过将若干个相邻环口位置相反、横截面为矩形环的壳体嵌套在一起改变了声波在结构内部传播的方向，增加了声波传播的有效长度，从而增加了整个结构的声质量，使得结构能够在低频处产生共振，同时缩小了结构的体积，结构更加紧凑，其特征尺寸远小于声波波长，属于亚波长尺度。消声结构单元1的整体尺寸固定，沿声传播方向的长度为30mm,厚度为12mm，沿垂直于纸面的拉伸长度为62mm。
在设计上述参数时，可根据设备的内部空间结构分布设置合适的大小，通风管道5的设计应尽量不影响设备原先的通风性能，实例中，通风管道5的横截面大小为60mm×60mm。在设置消声结构单元的参数时，需考虑目标设备的主要噪声频段，针对目标频率有选择的调整结构单元的参数。实例中针对的主要是1000-1200Hz处的消声，在通风管道5四周沿声波传播方向各级联2个位于不同共振频率的消声结构单元1，外壳体壁厚为1mm，内部壳体的壁厚均为1.5mm，通道壁厚为1mm。为提高在目标频段的消声降噪效果，频率选择为每隔30Hz左右安排一个消声结构单元。位于通风管道5上下表面、左右表面的消声结构单元1关于声波传播方向轴对称分布，通风管道5上表面左侧消声结构单元1的参数设置为l1＝1.5mm，l2＝1.5mm，S1＝S2＝60mm2，d12＝1mm，右侧消声结构单元1的参数设置为l1＝1.5mm，l2＝2mm，S1＝S2＝60mm2，d12＝1mm，其对应的共振频率分别为1025Hz、1055Hz；通风管道5右表面左侧消声结构单元1的参数设置为l1＝1.5mm，l2＝1.6mm，S1＝S2＝60mm2，d12＝1.1mm，右侧消声结构单元1的参数设置为l1＝1.6mm，l2＝2mm，S1＝S2＝60mm2，d12＝1.1mm，其对应的共振频率分别为1085Hz、1120Hz。
图5为本发明选用ABS塑料制作的样品的实验结果与仿真结果的对比图。图中横轴为入射声波的频率，纵轴为结构出射面上声强的透射系数，实线为仿真结果，散点显示的是实验结果。除了由于实验测量系统误差造成的影响，实验与仿真有很好的的一致性，在1020-1150Hz频率范围内其声强透射系数均低于0.2，最低可接近0。此外，从图中可以看出级联后的作用频率宽度略大于不同结构共振峰的叠加，显然这对于管道消声降噪是有益的。

Claims (8)

1.一种宽带低频声学消声器，其特征在于：包括一个通风管道，管道四周沿声波传播方向附有若干组等间距排列的消声结构，一组消声结构包含关于通风管道中心轴分别对称的四个消声结构单元。
2.根据权利要求1所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述消声结构有两组，两组消声结构沿声传播方向在通风管道表面等间距分布。
3.根据权利要求1或2所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述消声结构单元由至少两个横截面为开口矩形环的壳体嵌套组成，相邻壳体的环口方向相反，壳体两端通过端板密封，通风管道上也设有开口，通风管道通过开口与消声结构单元连通。
4.根据权利要求1或2所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述通风管道位于结构中心，其横截面积与整个结构的横截面积之比为65％-75％。
5.根据权利要求1或2所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述消声结构单元沿声传播方向的长度为30mm,垂直于声波传播方向的长度分别为12mm、62mm，远小于声波在1100Hz左右的工作波长，属于亚波长尺度，且结构紧凑。
6.根据权利要求1或2所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述通风管道、消声结构单元的壁面声学阻抗远大于背景媒质，至少为100倍的背景媒质声阻抗。
7.根据权利要求1或2所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述通风管道、消声结构单元材料为声学刚性材料。
8.根据权利要求7所述的宽带低频声学消声器，其特征在于：所述通风管道、消声结构单元的材料为金属或有机塑料。
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