CN109493841A - 可调频式声学超材料管道消声装置 - Google Patents

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刘杨
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Abstract

本发明的目的在于提供可调频式声学超材料管道消声装置，包括进出口法兰接头、连接管、膨胀声腔、声学超材料和调频模块。声学超材料由铜质薄膜和质量片组成，调频模块由扭簧卷膜器、手摇卷膜器、刻度盘和导轮组成。利用卷膜器张紧薄膜结构，并在其上粘贴质量片来降低系统的共振频率，进而实现管道的低频消声，并通过手摇卷膜器来调节质量片位置进而控制消声器的消声频带。相比于传统的被动消声器技术，本发明具有调频能力和良好的通流特性，结构简单，容易实现，且由于附加质量片可以得到更好的低频宽带消声特性。

Description

可调频式声学超材料管道消声装置
技术领域
本发明涉及的是一种管道消声装置，具体地说是可以实现调节消声频率的管道消声装置。
背景技术
管道消声器被广泛用于汽车、航空航天及船舶等领域，传统的被动阻性/抗性管道消声存在诸多不足，如消声频带较窄、低频消声效果较差、尺寸较大、结构复杂以及存在通流损失等。现有的《双谐振自调频消声器》(专利号：CN103382874A)，通过改变内插管穿孔面积以改变消声频段，这种消声器可实现在一定范围内的消声频率调节，但对低频噪声(<200Hz)效果并不明显，且存在较大的通流阻力。最近，Huang等人发明了一种消声器《Methods for designing a chamber to reduce noise in a duct》(专利号US006988057B2)，利用管道壁面阻抗的不连续性来达到反射声波的目的，可以在低频有很好的降噪效果。有学者在此基础上，利用有源控制手段发明了《充液管道低频鼓式主被动复合消声系统》(专利号：CNIO6090521A)采用主动控制方法改变薄膜结构的振动形态，进而提高结构波反射能力。这种控制方法毕竟需要在原有系统中增加次级力源、控制器和误差传感器等电子器件，进而使系统变得昂贵，并且存在稳定性和需要定期专业人员进行维护等潜在问题。还有学者利用能量采集发明了《一种能够回收噪声能量的管道消声装置》(专利号:CN 107246527A),利用PVDF薄膜的压电效应进行管道噪声能量回收。以上所述的这些消声器消声频带单一，且需要较大的预张紧力，限制了这种消声器的推广使用。
近年来，一种叫做薄膜声学超材料的结构被学者广泛关注，这种超材料是通过在张紧薄膜上附加质量片，从而使整个结构体现出负的质量密度和弹性模量的特性。而这种声学超材料大多用于隔声中，对于管道消声鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供具有调频能力和良好的通流特性，结构简单，容易实现的可调频式声学超材料管道消声装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：连接管、膨胀声腔、声学超材料、调频模块，膨胀声腔位于连接管下方，所述声学超材料包括铜质薄膜和质量块，质量块固定在铜质薄膜上，铜质薄膜位于膨胀声腔上方；所述调频模块包括扭簧卷膜器、手摇卷膜器，扭簧卷膜器包括副轴、第一扭簧盒、第二扭簧盒、第一副轴支座、第二副轴支座，第一扭簧盒和第一副轴支座安装在第一端座上，第二扭簧盒和第二副轴支座安装在第二端座上，副轴由第一副轴支座和第二副轴支座支撑，并分别与第一扭簧盒里的扭簧以及第二扭簧盒里的扭簧相连，第一端座和第二端座固定在膨胀声腔外壁上；所述手摇卷膜器包括主轴、第一主轴支座、第二主轴支座、定位轮、手摇柄、前主端座、后主端座，第一主轴支座和定位轮安装在前主端座上，第二主轴支座安装在后主端座上，主轴由第一主轴支座和第二主轴支座支撑，主轴的一个端部经销键连接定位轮，手摇柄连接定位轮，前主端座和后主端座固定在膨胀声腔外壁上；铜质薄膜的一端缠绕于扭簧卷膜器的副轴上，另一端缠绕于手摇卷膜器的主轴上。
本发明还可以包括：
1、前主端座里设置限位弹簧，限位弹簧与定位轮之间设置限位球，定位轮上设置球形凹坑，球形凹坑与限位球配合实现定位。
2、限位球在不受压力时，其露出前主端座的高度为其半径的3/5倍，限位球外部涂有润滑油。
3、铜质薄膜的两侧面并未约束，处于自由释放状态。
4、连接管两个侧面切割出凹槽，铜质薄膜的绝缘边界镶嵌其中并保持相对自由状态。
5、铜质薄膜在扭簧卷膜器中缠有余量；前主端座上固定有与手摇柄对应的刻度盘。
本发明的优势在于：本发明所述的可调频式声学超材料管道消声装置，能够一定频带范围内实现调节消声共振频率。本发明使用的膜式声学超材料可以降低消声器的共振频率，因此通过适当设计可以在低频达到很好的消声效果。相比于传统的被动式消声器，本发明能够在较小尺寸下，取得较好低频降噪效果，加工工艺简单，经济成本小，可靠性高，易于安装布置，而且可以调节消声器的工作频带。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为扭簧卷膜器正视图，图2b为扭簧卷膜器俯视图；
图3a为手摇卷膜器正视图，图3b为手摇卷膜器俯视图，图3c为定位轮剖视图；
图4为本发明调频仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明是一种可调频式声学超材料管道消声装置，包括进出口法兰接头1、连接管2、膨胀声腔9、声学超材料和调频模块。所述的声学超材料由铜质薄膜3和质量片4组成，所述的调频模块由扭簧卷膜器5、手摇卷膜器7、刻度盘8和导轮6组成。声学超材料中的铜质薄膜3和质量片4通过强力胶粘结，并且铜质薄膜3右端缠绕于扭簧卷膜器5中，左端通过导轮6并缠绕于手摇卷膜器7中，薄膜在扭簧卷膜器5中应缠有一定余量。为了获得较大的噪声反射量，铜质薄膜3两侧面在本发明中并未约束，处于自由释放状态，为保证管道的密封性，对应连接管两侧面切割出0.2mm宽的凹槽，铜质薄膜3绝缘边界可镶嵌其中且可保持相对自由状态。如图2所示，扭簧卷膜器5中副轴5-3由副轴支座5-2支撑，并且左右两端与扭簧盒5-1中的带有一定刚度的扭簧相连，用于自由缠绕和释放薄膜，且提供一定的薄膜张力。副轴支座5-2和扭簧盒5-1通过强力胶粘结于端座5-4上，端座5-4通过一个M5的螺栓紧固与膨胀声腔9外壁。如图3所示，手摇卷膜器7中主轴7-2由主轴支座7-1支撑，并且右端经销键7-3与定位轮7-4连接。主轴支座7-1通过强力胶粘分别结于前主端座上7-8和后主端座上7-9，主端座通过M5的螺栓紧固与膨胀声腔9外壁。定位轮7-4外围有一系列的球形凹坑，通过与限位球7-6的间隙配合来实现定位功能，防止薄膜经扭簧卷膜器收回，其转动通过侧面固定的手摇柄7-5实现。限位球7-6通过限位弹簧7-7固定于前主端座7-8上，限位球7-6在不受压力时，其露出前主端座7-8高度约为其半径的3/5倍，并且涂有一定的润滑油，以防止定位轮在转动时抱死。刻度盘8通过强力胶粘结于前主端座7-8上，刻度盘8刻度与定位轮7-4转动角度相匹配。
本发明中声学超材料反射的声波方程可以表示为:
上式中ψmn(y,z)表示管道截面方向上模态函数，Lx和Ly表示铜质薄膜结构的在管道中铺设的长宽，ρ0，h，cmn分别表示空气密度，管道高度以及模态声速，Gmn表示格林函数算子，V是薄膜表面振速分布。V对于Prad的大小有着决定性作用，而声学超材料中质量片的位置是影响V的分布重要因素之一。质量片对薄膜振速V分布的影响可以简化成点力
式中，Fmass是质量对薄膜的作用力，Fi是质量片边界与薄膜接触点力，通过位移连续性
uM(x′i,y′i)＝u(xi,yi),1≤i≤I
式中，uM为质量片位移，u为薄膜位移。进而对质量块进行动力学分析可以得到Fmass和位置之间的关系，因此可以通过改变质量片位置来改变铜质薄膜的振速分布，进而改变其反射声波的能力，最后可以调节消声器消声频带。
利用COMSOL/multiphysics多物理场耦合有限元软件，对本发明可行性进行仿真验证，选取如下物理参数：铜质薄膜铺设尺寸为Lx＝0.5m，Ly＝0.1m，管道高度h＝0.1m，膨胀声腔高度h0＝0.1m，质量片质量200g，空气密度1.225kg/m3，声速340m/s。考虑质量片四种粘贴位置，1/5Lx，1/4Lx，1/3Lx，1/2Lx.本发明的消声传递损失曲线如图4所示，可以发现，改变质量片的粘贴位置，可以得到不同的消声共振频率，进而验证了本发明的可行性。

Claims (8)

1.可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：连接管、膨胀声腔、声学超材料、调频模块，膨胀声腔位于连接管下方，所述声学超材料包括铜质薄膜和质量块，质量块固定在铜质薄膜上，铜质薄膜位于膨胀声腔上方；所述调频模块包括扭簧卷膜器、手摇卷膜器，扭簧卷膜器包括副轴、第一扭簧盒、第二扭簧盒、第一副轴支座、第二副轴支座，第一扭簧盒和第一副轴支座安装在第一端座上，第二扭簧盒和第二副轴支座安装在第二端座上，副轴由第一副轴支座和第二副轴支座支撑，并分别与第一扭簧盒里的扭簧以及第二扭簧盒里的扭簧相连，第一端座和第二端座固定在膨胀声腔外壁上；所述手摇卷膜器包括主轴、第一主轴支座、第二主轴支座、定位轮、手摇柄、前主端座、后主端座，第一主轴支座和定位轮安装在前主端座上，第二主轴支座安装在后主端座上，主轴由第一主轴支座和第二主轴支座支撑，主轴的一个端部经销键连接定位轮，手摇柄连接定位轮，前主端座和后主端座固定在膨胀声腔外壁上；铜质薄膜的一端缠绕于扭簧卷膜器的副轴上，另一端缠绕于手摇卷膜器的主轴上。
2.根据权利要求1所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：前主端座里设置限位弹簧，限位弹簧与定位轮之间设置限位球，定位轮上设置球形凹坑，球形凹坑与限位球配合实现定位。
3.根据权利要求2所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：限位球在不受压力时，其露出前主端座的高度为其半径的3/5倍，限位球外部涂有润滑油。
4.根据权利要求1-3任一所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：铜质薄膜的两侧面并未约束，处于自由释放状态。
5.根据权利要求4所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：连接管两个侧面切割出凹槽，铜质薄膜的绝缘边界镶嵌其中并保持相对自由状态。
6.根据权利要求1-3任一所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：铜质薄膜在扭簧卷膜器中缠有余量；前主端座上固定有与手摇柄对应的刻度盘。
7.根据权利要求4所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：铜质薄膜在扭簧卷膜器中缠有余量；前主端座上固定有与手摇柄对应的刻度盘。
8.根据权利要求5所述的可调频式声学超材料管道消声装置，其特征是：铜质薄膜在扭簧卷膜器中缠有余量；前主端座上固定有与手摇柄对应的刻度盘。
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