CN109073270A - 管道系统的声学超材料噪声控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

所公开技术的实施例的声学超材料噪声控制系统将吸收性材料与声学超材料原理相结合，从而显著减少HVAC管道内或从HVAC管道发出的声辐射。击中位于末端(空气管道到房间/建筑物内的环境空间的终端开口)或在管道上的预定位置的噪声控制系统的声波使声波反射回噪声控制系统的开始并且还被吸收芯内的声波吸收。这是通过使用与吸收层和气隙以周期性方式放置的微穿孔板(MPP)来实现的，以实现各向异性条件来反射并吸收声波从而实现最佳声音降低。

Description

管道系统的声学超材料噪声控制方法和设备

技术领域

本公开总体涉及来自管道的降噪，并且更具体地涉及与这种降噪相关的声学超材料使用。

背景技术

HVAC(heat,ventilating,and air conditioning，暖通空调)系统通常使用一系列管道，热空气或冷空气通过该管道以加热或冷却建筑物。传统上，HVAC管道系统由金属板制成，首先安装金属板，然后用绝热材料包裹金属板作为二次操作。镀锌低碳钢是制造管道系统的标准和最常用的材料。钢板通常以连续金属板卷提供，标准宽度为1.20至1.50米。板卷被手动展开并切割成所需长度。然后将长度一起弯曲成矩形形状并锁定在一起。目前可用的柔性管道(称为弯管，flex)具有多种配置，但是对于HVAC应用，它们通常是金属线圈上的柔性塑料，以制造圆形、柔性管道。然而，这种柔性管道具有差的噪音和隔热特性。重量轻、出色的噪音衰减和安装速度快是HVAC管道的主要特征。

在轻质复合材料HVAC管道中，保持轻质和柔韧性(同时增加声阻)是一项艰巨的任务。声音很容易通过薄的复合管壁传播。因此，这种系统往往会产生噪音并破坏建筑物的生活质量，同时分散居住者的注意力。HVAC系统可以使用泵、压缩机、冷却器、空气处理器和发电机中的任何一个或多个，它们具有移动部件或其他机械部件，从而导致噪声从机械系统本身以及通过管道发出。由于气流湍流，管道本身会产生额外的噪音。

用于HVAC管道系统的最常见的声学衰减方法是消音器/消声器。当通过使用放置在消音器单壁或双壁外壳中的一系列穿孔的金属板挡板(矩形消音器)或子弹(圆形消音器)将消音器直接插入导管路径中时，消音器使声音衰减。吸收式消音器是最常见的消音器类型。它使用隔音板内的吸收性纤维材料或带有穿孔金属板饰面的声弹腔体，其使声音能量通过并被纤维填充物吸收。相反，反应消声器使用相消干涉和/或反射现象来降低噪声。反应消声器通常由一系列扩展和共振腔组成，这些腔被设计成在某些频率下降低声音。

在上述任何类型的消声器中，使用穿孔管，并且当在消声器内部存在大的流速时，穿孔管非常有益。当排气流从消声器内的管中排出时，通常形成流动射流。为了减轻这种影响，使用穿孔管来稳定流动并迫使流动扩展到整个腔室中。穿孔管也可以被认为是耗散元件。

穿孔板还用于衰减各种噪声控制应用中的声音，比如管道、排气系统和飞机发动机。这种声学材料的一个优点是它们的频率共振可以根据希望实现的目标进行调整。当穿孔减小到毫米或亚毫米(微穿孔)尺寸时，这些材料可以提供非常有趣的吸声而无需任何额外的经典吸收材料。

所需要的是一种改进HVAC管道系统中使用的现有技术消声器的方法，以便更好地实现噪声流量减少，同时尽可能地减少对通过管道的空气流的破坏。

发明内容

所公开的技术通过提供与HVAC系统的空气管道对齐以减少噪声的超材料块来减轻上述问题。将一堆至少三个声学硬质材料的穿孔板放置在环境介质之间，从而形成来自或前往空气管道的各向异性空气流并穿过至少三个穿孔板中的每一个。环境介质可以是空气。在所公开技术的实施例中，每个穿孔板的厚度小于或等于2mm。在所公开的技术的实施例中，每个所述穿孔板的每个穿孔的直径在0.1和0.4mm之间。在所公开的技术的实施例中，至少三个穿孔板的每个穿孔板与至少一个其他穿孔板间隔开0.5至55mm之间。至少三个穿孔板的间隔距离和每个穿孔的直径可以基于由具体实施方式中所列出公式定义的雅可比变换来确定。

出于本说明书的目的，“基本上”和“基本上显示”被定义为“至少90％”，或另有说明。根据权利要求所限制的，任何装置可以“包括”或“由……组成”在那里提到的装置。

应该理解，“和/或”的使用是包含定义的，使得术语“a和/或b”应该被理解为包括以下集合：“a和b”、“a或b”、“a”、“b”。

附图说明

图1示出了在所公开技术的实施例中使用的具有各向异性惯性的声学超材料的示意图。

图2A示出了在所公开技术的实施例中的声学超材料噪声控制系统的示意图，其中矩形消声器放置在管道的端部以减少噪声。

图2B示出了图2A的消声器的矩形区域的横截面。

图3A示出了在所公开技术的实施例中的图2B的示意图，其中圆形消声器放置在管道的端部以减少噪声。

图3B示出了图3A的消声器的圆形区域的横截面。

图4示出了由在本公开技术的实施例中使用的由微穿孔板周期性堆叠的微穿孔板形成的声学超材料块。

图5示出了由微穿孔板形成的声学超材料衬里。

具体实施方式

所公开技术的实施例的声学超材料噪声控制系统将吸收性材料与声学超材料原理相结合，从而显著减少HVAC管道内或从HVAC管道发出的声辐射。击中位于管道末端的噪声控制系统的声波使声波反射回噪声控制系统的起点并被吸收核心内的声波吸收。这是通过使用微穿孔板(micro-perforated panel，MPP)吸收声音来实现的。出于本公开的目的，MPP被定义为用于吸收声音并降低声强的装置，该装置由小于或等于2mm厚的薄平板构成或由其组成，孔直径在0.1毫米和0.4毫米之间。

声学超材料中的穿孔提供材料芯的声学超材料各向异性(方向依赖性)特征。通过使用声学超材料原理，噪声控制系统可以在较低频率下操作，并且也可以在比现有技术中已知的更宽的频率范围内操作。声学超材料是包含嵌入的周期性共振或非共振元件的工程材料系统，其通过增加的动力学或通过波散射来改变材料的声学特性。典型的现有技术频率范围是100Hz，最低范围是10,000Hz，类似于本技术的频率范围(具有100Hz的最低范围)。然而，基于常规的各向同性声学理论的现有技术在较低频率区域(<500Hz)中具有严重的限制，这只能通过增加吸收性材料的厚度和/或其他参数来解决，使其成本高、笨重并且因此费用过高。

声学超材料噪声控制系统可以定位或放置在管道的开始或末端，以减少从HVAC管道的末端辐射出的噪声。周期性地放置在内部空间周围的超材料噪声控制系统内的吸收性衬里(被定义为厚度在0.1和5毫米之间的材料片)进一步增强了宽带频率范围内的降噪。

以下原理与所公开技术的实施例结合使用。变换声学是一种数学工具，它完全指定了控制波传播通过材料所需的材料参数。它允许控制具有各向异性特征的二维声学空间。从(x，y，z)坐标描述的真实(r)空间到由(u，v，w)坐标指定的期望的虚拟(v)空间的变换如下所示。

其中，

这里，ρ是流体质量密度，κ是流体体积模量，r和v上标表示真实空间和虚拟空间，J是雅可比变换。

图1示出了在所公开技术的实施例中使用的具有各向异性惯性的声学超材料的图。通过使用变换声学(transformation acoustics，TA)方法，可以将结构上的二维密度和体积模量设计为各向异性的。在图1中，120表示沿两个方向112(x轴)和114(y轴)具有两种不同密度ρ₁，ρ₂的各向异性特征的二维超材料块。在常规的各向同性声学中，这些密度假设在两个方向上相同。102和104表示分层介质，102是一种流体介质(例如，空气)，而层104通常由具有与102大不相同的声阻抗的不同的材料制成，比如铝或塑料。

图2A示出了在所公开技术的实施例中的声学超材料噪声控制系统的示意图，其中矩形消声器放置在管道的端部以减少噪声。图2B示出了图2A的消声器的矩形区域的横截面。噪声源202(比如风扇、马达、叶轮或HVAC系统的其他移动或旋转部分)将声波204通过管道206传播到超材料结构208中。超材料设计包括由声学硬质材料制成的一堆穿孔板210，其所限定表面与环境介质的特征阻抗相比具有几乎无限的声阻抗(大于1*10^7kg/(m2s))，该表面与环境介质由支持声音的流体(例如空气)分开。这堆板的基本组成部分是2D刚孔阵列，在衍射开始附近屏蔽声音。因此，通过使用能够实现各向异性变量的微穿孔板(MPP)制造这种结构，其可变得实用。

图3A示出了在所公开技术的实施例中的图2B的示意图，其中圆形消声器放置在管道的端部以减少噪声。图3B示出了图3A的消声器的圆形区域的横截面。这里，图2A和2B的元件增加100。因此，噪声产生区域302使声波304流过HVAC管道306进入消声器308。消声器308具有环形横截面，在该实施例中，该环形横截面具有一系列穿孔板310。

图4示出了由在本公开技术的实施例中使用的周期性堆叠的微穿孔板形成的声学超材料块。已经表明，这些具有穿孔堆叠的超材料块表现出广角负折射，不同于在窄角度范围内操作的渔网电磁超材料。与声子晶体相比，所提出的超材料也不依赖于衍射来实现负折射。该图中的每个穿孔层表示由硬质材料或表面制成的层，其具有比邻接层高得多的声阻抗(定义为“大于1000倍”)，邻接层通常是环境介质，例如空气。在该层中，302表示具有一定直径并与下一个孔间隔开的孔，而304表示该层的硬质材料或未穿孔部分。

图5示出了由微穿孔板形成的声学超材料消声器配置。面板406具有多个穿孔，如同多个穿孔板402在面板406和背板408之间平行且以格子形式彼此垂直地延伸。

由于超材料面板的材料参数由变换函数的一阶偏导数给出，为了获得均匀的穿孔MPP面板，变换函数是线性的。适用于这里所考虑的矩形物体的一种选择是：

u＝x,

v＝y

w＝w_zz

应注意，v的表达在整个变换域内可以不是线性的；但是，它在x<0和x>0域中的每一个内都是线性的。虽然这在超材料面板的每一半中变换为相同的材料参数，但是主轴的方向不同，其中主轴的方向被定义为沿材料参数张量是对角的的方向。常数w_zz表示一种允许在制造简单性方面进行性能折衷的自由度。

超材料MPP面板内的材料参数，即质量密度伪张量和体积模量，由…>>>给出(以下等式……)

其中ρ₀＝1.29kg/m³和B₀＝0.15MPa是空气的参数，J是雅可比变换：

根据坐标变换理论，上面给出的映射函数变换为以下材料参数：

这里K₁、K₂、K₃是常数。为了获得各向异性超材料，使用穿孔塑料板。穿孔的尺寸和形状决定了由在板上垂直传播的波产生的在刚性板中的动量，因此，可用于控制该波遇到的相应质量密度组分。该属性用于获得更高密度的组分。另一方面，如果波平行于板传播，它将对其产生非常小的影响，因此，波将遇到接近背景流体的密度。由第二有效参数(体积模量)量化的单元的可压缩性由塑料板占据的分数体积来控制。

换句话讲，在各向异性超材料系统中使用具有吸声层和气隙的穿孔板通过穿孔板的穿孔的尺寸和形状来操纵。片材之间的间距为0.5至55mm，并且片材厚度在0.1至0.5mm之间。穿孔板的开口面积百分比在0.1％至2％之间。也可以使用厚度在0.5和55m之间的吸收层。这决定了片材中空气颗粒的动量，这是在由根据所设计和优化的片材上垂直传播的波产生的。通过使用以下超材料原理，声学吸收层的厚度和数量也得到优化：特定厚度的穿孔各向异性超材料层和吸收层以周期性方式排列，如图1所示，以实现在紧挨着面板的区域中流体的各向异性特性(参见图4和5)。以这种方式，使用可实现的变换声学装置可以充分且有效地操纵空气中的声音。使用基于上述等式的数值模拟确定穿孔层和吸收层的所有几何参数。尽管所需的材料参数是高度各向异性的，但是该方法可以用于设计管道噪声控制系统以控制并操纵声波来增强噪声衰减。

管道噪声控制系统的另一个创新特征是它可以被设计成使用噪声阻挡和/或反射(即穿孔层)的周期性布置和由气隙分开的噪声吸收MPP层。系统的每个构成要素的参数是：孔直径、板厚、孔间距、POA(percent open area，开口面积百分比)、吸收层板厚度、吸收性层参数(包括孔隙率、弯曲度、流动阻力、密度、粘性和热特性长度)等。每个MPP层与吸收性层厚度之间的间距由本文所述的超材料理论确定。噪声阻挡和/或反射或噪声吸收MPP层的声学特性由使用超材料理论的适当设计的孔模式确定。

虽然已经具体参考上述实施例教导了所公开的技术，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离所公开技术的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。在权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包含在其范围内。上文描述的任何方法和装置的组合也是设想到的并且在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种形成声学超材料噪声控制系统的超材料消声器，包括：

在环境介质之间的、由至少三个声学硬质材料的穿孔板构成的一堆微穿孔板，从而形成来自或前往空气管道的各向异性空气流并穿过至少三个穿孔板中的每一个。

2.根据权利要求1所述的超材料消声器，其中，所述环境介质是空气并且能够是支持声波传播的任何流体。

3.根据权利要求1所述的超材料，其中，所述至少三个穿孔板的每个穿孔板小于或等于2mm厚。

4.根据权利要求3所述的超材料消声器，其中，每个所述穿孔板的每个穿孔的直径在0.1和0.4mm之间。

5.根据权利要求4所述的超材料消声器，其中，所述至少三个穿孔板的每个穿孔板与至少一个0.5至55mm之间的其他穿孔板间隔开。

6.根据权利要求4所述的超材料消声器，其中，所述至少三个穿孔板的所述间隔距离和每个所述穿孔的所述直径是基于变换声学，使用由公式定义的雅可比变换确定的。

7.根据权利要求4所述的超材料消声器，其中，所述消声器放置在与噪声源相邻的空气管道的开始处。

8.根据权利要求4所述的超材料消声器，其中，所述消声器放置在与所述空气管道中的终端开口相邻的空气管道的一端。

9.根据权利要求4所述的超材料消声器，其中，所述消声器符合管道的形状。