CN109379670A - 一种薄膜型亥姆霍兹消声器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种新型的薄膜型亥姆霍兹消声器，通过在消声器中改变薄膜的数量来改变消声频带的位置，在不改变空腔体积的同时，有效的将消声频率向低频靠近。通过在消声器中设置多个亥姆霍兹腔，可以进一步增加消声频带范围，有效的解决消声频率范围过窄的问题。
Description
技术领域
本发明涉及低频消声装置技术领域，具体为一种薄膜型亥姆霍兹消声器，作用在潜艇表面上，在一定频率范围内起到低频消声的作用。
背景技术
传统的亥姆霍兹型消声器通常由一个密闭的空腔、一根长颈口组成，由于颈部的体积远小于空腔体积，因而可以近似认为颈部流体不可压缩。不过，空腔的体积可以压缩，可以视为弹簧，当激励频率接近共振腔频率时，体积模量类型的响应就会激发出来，从而达到消声的目的，由于传统的亥姆霍兹型消声器结构简单、消声量高，被广泛应用于抑制船舶通风空调管路、柴油机进排气管路中的声传播，效果十分显著，如图1所示的是传统亥姆霍兹共振消声器结构示意图，图2是其声学有限元模型。但是由于结构限制，传统的亥姆霍兹型消声器存在消声频率范围窄，消声频率位置不可调控的问题，在实际工程中如果想降低消声频率，达到低频消声，就必须增大空腔体积或者增加连接管长度，这些由于实际工程应用场合的设备布置紧凑，都很难实现。
如图3、4所示，苏胜利，张苗，曹为午等研究人员将亥姆霍兹消声器的颈口改为收缩或扩张的形状，以及采用串并联的方式连接亥姆霍兹消声器，能够有效的拓宽消声频带的范围，但是由于结构的显著，不能控制消声频带的位置，在实际应用中适用性很窄，受环境因素影响显著。
发明内容
针对背景中存在的亥姆霍兹消声器消声范围过窄，消声位置无法调节的问题，本发明提出了一种新型的薄膜型亥姆霍兹消声器，通过在消声器中改变薄膜的数量来改变消声频带的位置，在不改变空腔体积的同时，有效的将消声频率向低频靠近。通过在消声器中设置多个亥姆霍兹腔，可以进一步增加消声频带范围，有效的解决消声频率范围过窄的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜型亥姆霍兹消声器，所述消声器包括直径为r的圆柱管体，所述圆柱管体中间部分为矩形的中间管道；所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有若干层薄膜，所述圆柱管体内部延管体轴向方向切割，分为若干个亥姆霍兹腔。
进一步的，所述中间管道贯穿圆柱管体，其长度大于所述圆柱管体的厚度。
进一步的，所述圆柱管体内包括四个均分的亥姆霍兹腔。
作为一种优选，所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有薄膜层数小于等于三层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出了一种新型的薄膜型亥姆霍兹消声器，通过在消声器中改变薄膜的数量来改变消声频带的位置，在不改变空腔体积的同时，有效的将消声频率向低频靠近。通过在消声器中设置多个亥姆霍兹腔，可以进一步增加消声频带范围，有效的解决消声频率范围过窄的问题。
进一步的，通过增加薄膜的数量，使得消声频率位置向低频移动，主要原理是让亥姆霍兹腔内部的共振频率降低，从而使得所需激发体积模量时得频率降低，固消声频率响应降低下来，图7为经过COMSOL仿真模拟的结果。
为四个亥姆霍兹腔都打开时的示意图，当打开4个亥姆霍兹腔，只要保证四个腔的体积相同，颈口长度、面积都相同，原来产生的四个不同的消声峰会重合成一个，从而有效的拓宽了其消声范围，在实际应用中更加有效，图8为其仿真结果。
附图说明
图1为传统亥姆霍兹共振消声器结构示意图；
图2为传统亥姆霍兹共振消声器声学有限元模型；
图3为延长管收缩或扩张时的亥姆霍兹共振器结构示意图；
图4为亥姆霍兹共振器串联结构示意图；
图5为本发明消声器内部结构示意图；
图6为本发明消声器外部结构示意图；
图7为亥姆霍兹腔消声器在不同膜数量时的传递损失图，
其中，图7(a)腔体内一个膜，图7(b)腔体内两个膜，图7(c)腔体内三个膜；
图8为打开四个亥姆霍兹腔时传声损失图；
图9为系统理论简化模型示意图；
图10为用matlab计算的吸声频率示意图，
其中，图10(a)腔体内一个膜，图10(b)腔体内两个膜，图10(c)腔体内三个膜；
图中，1为亥姆霍兹结构空腔，2为亥姆霍兹结构颈部，3为薄膜，4为内部隔板，5为消声器中间管道，6为外部封闭结构。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于此。
实施例1
图5、图6所示，本发明是本发明提供了一种薄膜型亥姆霍兹消声器，所述消声器包括直径为r的圆柱管体，所述圆柱管体中间部分为矩形的中间管道；所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有若干层薄膜，所述圆柱管体内部延管体轴向方向切割，分为若干个亥姆霍兹腔。
进一步的，所述中间管道贯穿圆柱管体，其长度大于所述圆柱管体的厚度。
进一步的，所述圆柱管体内包括四个均分的亥姆霍兹腔。
作为一种优选，所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有薄膜层数小于等于三层。
本发明提供的新型的薄膜型亥姆霍兹消声器，通过在消声器中改变薄膜的数量来改变消声频带的位置，在不改变空腔体积的同时，有效的将消声频率向低频靠近。通过在消声器中设置多个亥姆霍兹腔，可以进一步增加消声频带范围，有效的解决消声频率范围过窄的问题。
本发明提出的薄膜型亥姆霍兹消声器，如图5、图6所示，该消声器的尺寸为l1＝5mm,l2＝20mm,l3＝10mm,a＝20mm,r＝30mm,t＝1mm，其可以应用到潜艇表面作为吸收敌方声纳的装置。敌方声纳的声波从消声器左方以声波的形式传递过来时，经过亥姆霍兹腔，该频率下的声波被完全吸收，从而使声纳探测器无法收到探测信号，表现出声隐身的功能。
通过增加薄膜的数量，使得消声频率位置向低频移动，主要原理是让亥姆霍兹腔内部的共振频率降低，从而使得所需激发体积模量时得频率降低，固消声频率响应降低下来，图7为经过COMSOL仿真模拟的结果，图7亥姆霍兹腔消声器在不同膜数量时的传递损失图(a)腔体内一个膜，(b)腔体内两个膜，(c)腔体内三个膜。
当打开4个亥姆霍兹腔，只要保证四个腔的体积相同，颈口长度、面积都相同，原来产生的四个不同的消声峰会重合成一个，从而有效的拓宽了其消声范围，在实际应用中更加有效，其中图8为其仿真结果。
图9为亥姆霍兹腔内部简化示意图，由于内部空腔液体为水，密度较小，可以简化为弹簧，薄膜简化为质量，外部结构为钢，也可以简化为质量块。
当膜数量分别为0、1、2的时候，其系统的等效质量分别如上公式所示，当外界激励的频率使得系统的等效质量为负时，霍姆霍兹消声器在次频率下表现为吸声效果，图10为用matlab计算的吸声频率(打开一个共振腔的时候),从理论中也可以看出，随着膜的增加，消声频率向低频移动。
图10用matlab计算的吸声频率(a)腔体内一个膜，(b)腔体内两个膜，(c)腔体内三个膜。
根据消声器尺寸进行加工，其中除薄膜的外部结构通过3D打印的方式打印出来，内部的薄膜结构根据不同的环境需求添加或减少，通过粘贴或插入的方式安装在亥姆霍兹腔的内部。将整体结构安装在潜艇的表明，以阵列的方式包覆整个潜艇，从而使潜艇达到对地方声纳的隐身特性。
以上对本发明所提供的一种薄膜型亥姆霍兹消声器进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。
Claims (4)
1.一种薄膜型亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述消声器包括直径为r的圆柱管体，所述圆柱管体中间部分为矩形的中间管道；所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有若干层薄膜，所述圆柱管体内部延管体轴向方向切割，分为若干个亥姆霍兹腔。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜型亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述中间管道贯穿圆柱管体，其长度大于所述圆柱管体的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜型亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述圆柱管体内包括四个均分的亥姆霍兹腔。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜型亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述圆柱管体内部延管体轴向方向同轴心设有薄膜层数小于等于三层。
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