CN110793181B - 风管机降噪装置及设计用于其的声学超材料模块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风管机降噪装置，风管机降噪装置包括声学超材料模块，声学超材料模块围着风管机的出风口布置并且包括不同长度的1/4波长管，1/4波长管的每个长度基于出风口的噪声的预定倍频谱频率确定；并且在声学超材料模块的1/4波长管的管口上覆盖有保护层。通过将这种独立配置的降噪装置布置在噪声传递的路径上，不需要改变风管机的原有结构就能实现降噪的目的。本发明还涉及设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法。

Description

风管机降噪装置及设计用于其的声学超材料模块的方法

技术领域

本发明涉及空调系统，具体地涉及风管机降噪装置及设计用于其的声学超材料模块的方法。

背景技术

风管式中央空调，也可以称为风管机空调，一般包括室外机和室内机。风管式中央空调的室内机与普通中央空调的末端类似，都为风机盘管(包括风机和用于热量交换的盘管)形式。因此，风管式中央空调的室内机通常被称为风管机。风管机通常被置于房间的顶部上，例如客厅或卧室的顶壁上(简称吊顶式)。因此，风管机的噪声必须被控制在很低的水平内，否则会影响用户的使用体验。风管机的噪声的主要来源是风机的噪声。现有技术中针对噪声源头已经发展了很多种技术来降低这种噪声，例如对风机的扇叶、风道和转速等进行优化。然而，这些针对噪声源的降噪方案都需要对风管机的相关结构进行改动，因此技术难度相对较大，成本也相对较高，而且会对风管机的性能产生不利影响。

另外，在现有技术中，1/4波长管的干涉消声原理已经被利用到一些消声器(例如汽车的消声器)中以实现消声或降噪的目的。1/4波长管的干涉消声原理就是当从声源发出的声波经过反射后再回到声源处的过程中，声波所经过路径的长度等于1/4声波的波长的奇数倍时，在声源处反射声波就与声源继续发出的同频率声波的相位相差180°，因此相互抵消，从而产生降噪效果。中国实用新型专利CN208311145U公开了一种用于烹饪装置的风机组件的消声器。该消声器在其气腔内设置至少一个1/4波长管，从而利用1/4波长管干涉消声原理来达到消除特定频率噪声的目的。然而，还没有现有技术将1/4波长管的干涉消声原理用到风管机上。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决在不改变风管机结构的情况下利用附加降噪装置来降低风管机噪声的技术问题，本发明提供了一种风管机降噪装置，所述风管机降噪装置包括声学超材料模块，所述声学超材料模块围着风管机的出风口布置并且包括不同长度的1/4波长管，所述1/4波长管的每个长度基于所述出风口的噪声的预定倍频谱频率确定；并且在所述声学超材料模块的1/4波长管的管口上覆盖有保护层。

在上述风管机降噪装置的优选技术方案中，所述出风口被至少一个所述声学超材料模块分割为多个子出风口使得每个子出风口的宽高比大于0.5并小于2。

在上述风管机降噪装置的优选技术方案中，所述预定倍频谱频率为1/3、1/6、或1/12倍频谱频率。

在上述风管机降噪装置的优选技术方案中，所述保护层包括吸音材料层和/或防水薄膜层。

在上述风管机降噪装置的优选技术方案中，当所述保护层包括吸音材料层和防水薄膜层时，所吸音材料层覆盖在所述管口上，并且所述防水薄膜层覆盖在所述吸音材料层的表面上。

在上述风管机降噪装置的优选技术方案中，所述风管机降噪装置还包括外框，所述外框用于连接到所述风管机的出风口并且所述声学超材料模块在所述外框内围着所述出风口布置。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的技术方案中，风管机降噪装置包括声学超材料模块，该声学超材料模块围着风管机的出风口布置并且包括不同长度的1/4波长管，并且1/4波长管的每个长度是基于出风口的噪声的预定倍频谱频率确定。当风管机的风机扇叶、风道结构确定后，在不同风机转速下风机的噪声频率特性基本保持不变。因此，通过将这种独立配置的降噪装置布置在噪声传递的路径上，不需要改变风管机的原有结构就能实现降噪的目的。而且，利用基于风管机的风机的噪声频率特性确定的不同长度的1/4波长管，能够有针对性地降低风管机噪声。进一步地，该降噪装置能够作为独立选配的模块，用于已经投入使用的空调的升级改造。

优选地，风管机的出风口被至少一个所述声学超材料模块分割为多个子出风口使得每个子出风口的宽高比大于0.5并小于2。在这个比值的优选范围内，降噪效果比较好，而且是比值越小，降噪效果越好。

优选地，在所述声学超材料模块的1/4波长管的管口上覆盖的保护层包括吸音材料层和/或防水薄膜层。吸音材料层能够防止在特定风速下出现气柱共振现象(产生“哨音”)，同时也能增大声学超材料的消声带宽，提升消声性能。防水薄膜层则用于防止出风口吹出的冷凝水浸湿吸音材料层或流入声学超材料。

为了解决现有技术中的上述问题，本发明还提供设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法，所述声学超材料模块由不同长度的1/4波长管构成，所述方法包括：测量风管机的出风口的噪声以获得所述噪声的预定倍频谱频率；基于所述预定倍频谱频率，确定最大声压级幅值；确定与所述最大声压级幅值相差小于第一预定值的多个声压级幅值的对应的频率；基于所述频率，计算每个频率对应的1/4波长管长度；并且基于所述频率的1/4波长管长度和所述出风口的空间可用体积确定对应每个频率的1/4波长管的数量并将所有1/4波长管排布在一起。

在上述设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的优选技术方案中，基于以下步骤确定对应每个频率的1/4波长管的数量：确定对应最大声压级幅值的频率的1/4波长管的数量n；并且确定与所述最大声压级幅值相差m个第二预定值的对应频率的1/4波长管的数量为n/2^m(m＝1、2、3、4…)，并且n/2^m的最小值为1。

在上述设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的优选技术方案中，当所有确定数量的1/4波长管的总体积超出所述出风口的空间可用体积时，按照所述频率对应的声压级从小到大的顺序减少每个频率对应的1/4波长管的数量直到所述1/4波长管的总体积符合所述出风口的空间可用体积。

在上述设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的优选技术方案中，所述预定倍频谱频率为1/3、1/6、或1/12倍频谱频率。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明风管机降噪装置的实施例的立体示意图；

图2是本发明风管机降噪装置的实施例的部分的立体示意图；

图3是本发明风管机降噪装置的另一实施例的立体示意图；

图4是本发明设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的实施例的流程图；

图5是本发明设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的另一实施例的流程图。

附图标记列表:

1、风管机降噪装置；11、外框；12A、第一声学超材料模块；12B、第二声学超材料模块；111、外框接口；112、螺栓孔；121、第一保护层；122、1/4波长管；123、第二保护层。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决在不改变风管机原始结构的基础上实现降噪目的的技术问题，本发明提供一种风管机降噪装置1。该降噪装置1包括声学超材料模块。该声学超材料模块围着风管机的出风口(图中未示出)布置并且包括不同长度的1/4波长管。1/4波长管的每个长度基于风管机出风口的噪声的预定倍频谱频率确定。在声学超材料模块的1/4波长管的管口上覆盖有保护层以将1/4波长管的管口与气流隔绝。这里所说的声学超材料是指由不同长度的1/4波长管组成的结构。在一个或多个实施例中，1/4波长管可以具有矩形或正方形截面。

图1是本发明风管机降噪装置的实施例的立体示意图。如图1所示，在该实施例中，风管机降噪装置1包括外框11，第一声学超材料模块12A和第二声学超材料模块12B。

外框11用于连接到风管机(图中未示出)，例如通过螺栓连接或者插接的方式。外框11还用于支撑第一声学超材料模块12A和第二声学超材料模块12B。可选地，外框11可以独立于声学超材料模块形成，也可以与声学超材料模块一体成型。外框11的外形尺寸优选地小于风管机的最大外形尺寸，使得在加装风管机降噪装置后，风管机的整机外轮廓最大尺寸不变，并且沿着出风方向的长度也不限。

如图1所示，在该实施例中，具有12个第一声学超材料模块12A，这些第一声学超材料模块12A在外框11内贴着外框11的4个内表面围绕出风口布置。4个第二声学超材料模块12B则将由第一声学超材料模块12A围成的出风口分割成5个子出风口，以使每个子出风口的宽W/高H之比大于0.5小于2，以保证更好的降噪效果。这个宽W/高H之比越小，降噪效果也越好。

替代地，在其它实施例中，第一声学超材料模块12A和第二声学超材料模块12B的数量都是可以变化的。例如，沿着外框11的内表面布置的第一声学超材料模块12A最少可以是1个，也可以是2个或更多个。在有些风管机的出风口中，第二声学超材料模块12B的个数可能为0，也可以是1个、2个或更多个。

第一声学超材料模块12A和第二声学超材料模块12B的配置完全相同。如图1所示，每个声学超材料模块的表面都覆盖有第一保护层121，用于将1/4波长管122(见图2)的管口与出风口内的气流隔绝，以防止在特定风速下出现气柱共振现象，产生“哨音”。该第一保护层121可以是吸音材料层，也可以是防水薄膜材料。如果第一保护层121是吸音材料层，该吸音材料层优选具有2mm-10mm的厚度。该吸音材料层不仅增大声学超材料模块的消声带宽，而且还能提升消声性能。如果第一保护层121是防水薄膜层，则能防止出风口吹出的冷凝水流入声学超材料。该防水薄膜层的隔声量优选小于3dB。在替代的实施例中，第一保护层也可以是能够将1/4波长管的管口与气流隔绝的其它合适材料层。

图2是本发明风管机降噪装置的实施例的部分的立体示意图。如图2所示，在该实施例中，第一声学超材料模块12A和第二声学超材料模块12B表面的保护层全部被去掉以露出1/4波长管122的管口。不同长度的1/4波长管122的每个长度都是基于风管机出风口的噪声的预定倍频谱频率确定。在该实施例中，预定倍频谱频率是1/12倍频谱频率。在替代实施例中，预定倍频谱频率也可以是1/3或1/6等，具体的预定倍频谱频率需要根据具体的风管机来确定。

图3是本发明风管机降噪装置的另一实施例的立体示意图。如图3所示，外框11具有外框接口111，并且外框接口111上设有螺栓孔，用于通过螺栓将外框11连接到风管机上。具体地，外框接口111的尺寸可以根据风管机出口的尺寸来确定。

继续参照图3，在第一和第二声学超材料模块12A、12B的每一个的表面上设有第一保护层121和第二保护层123。在该实施例中，第一保护层121为吸音材料层，直接覆盖在声学超材料的1/4波长管的管口上。该吸音材料层优选具有2mm-10mm的厚度。第二保护层123为防水薄膜层并且覆盖在第一保护层121的表面上。该防水薄膜层的隔声量优选小于3dB。

图4是本发明设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的实施例的流程图。在该实施例中，设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法包括步骤S1、S2、S3、S4、和S5。在步骤S1中，测量风管机的出风口的噪声以获得所述噪声的预定倍频谱频率。在步骤S2中，基于步骤S1中的预定倍频谱频率，确定最大声压级幅值。在步骤S3中，确定与步骤S2中的最大声压级幅值相差小于第一预定值的多个声压级幅值的对应的频率。步骤S4则是基于步骤S3中确定的频率，计算每个频率对应的1/4波长管长度。每个频率对应的1/4波长管长度根据以下公式来确定：

L＝c/4f

其中，L是1/4波长管的长度，c是噪声速度，f是噪声的频率。在步骤S5中，基于步骤S4中确定的每个频率的1/4波长管长度和出风口的空间可用体积确定对应每个频率的1/4波长管的数量并将所有1/4波长管排布在一起。

在该实施例，预定倍频谱频率采用1/12倍频谱频率，而第一预定值为10dB。在替代的实施例中，预定倍频谱频率则可以1/3、1/6或其它倍频谱频率，并且第一预定值可以是大于或小于10dB的值。

图5是本发明设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法的另一实施例的流程图。如图5所示，在该实施例中，设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法包括步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6、和S7。步骤S1、S2、S3、S4、S5同上述实施例中的步骤。步骤S6则是确定对应最大声压级幅值的频率的1/4波长管的数量n。进一步地，在步骤S7中，确定与最大声压级幅值相差m个第二预定值的声压级幅值的对应频率的1/4波长管数量为n/2^m，其中，m＝1、2、3、4…，并且n/2^m的最小值为1。特别地，当声压级幅值与最大声压级幅值相差小于第二预定值时，m的值取1。在该实施例中，第二预定值为3dB。在替代实施中，第二预定值可以是大于或小于3dB的值。

具体地，按照空间利用率最大化排布1/4波长管管道。这些管道是可以弯曲的，即1/4波长管可以按照设定的长度被折弯为2折或更多折，然后再组合在一起。每个频率对应1/4波长管数量按如下方法确定：假设频谱中最大声压级幅值为Lpa_max，对应频率fLpa_max的1/4波长管数量为n，那么与Lpa_max的差每增加3dB、对应频率的1/4波长管数量应为n/2^m(m＝1、2、3、4…)依此类推，n/2^m的最小值为1。当声压级幅值与最大声压级幅值Lpa_max的差值小于3dB时，m取值为1。如空间限制，无法排布设计数量的1/4波长管，则按声压级幅值从小到大的顺序，减少每个频率的1/4波长管的数量(如果有可减少的数量)，直至符合空间限制。

下面举例说明本发明设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法。

例1。假设在某一款风管机的1/12倍频程频谱中，该风管机的最大声压级幅值为43dB，对应的频率是870Hz，与最大声压级幅值相差10dB以内的多个幅值以及对应频率如下表1所示。假定噪声速度c是340m/s，那么870Hz对应的1/4波长管的长度应该是340x1000(mm)/(4x870)＝97.7mm，管长取整数是98mm。用同样的方法可以分别算出205Hz、520Hz、1030Hz、和2050Hz所对应的1/4波长管的长度。再假设有35mm*50mm*100mm的空间可用来布置1/4波长管组，而1/4波长管为10mmx10mm的矩形管。首先确定最大声压级幅值43dB所对应的频率870Hz的1/4波长管的数量n，n越小，占用的空间越小。在该例子中，870Hz的1/4波长管的数量首先确定是6。然后，基于公式n/2^m确定下表1中每个其它频率所对应的1/4波长管的数量，其中，m为1、2、3、4…。例如，对于1030Hz，其对应的声压级幅值41与最大声压级幅值43dB相差2dB，在3dB内，因此m取1，对应的1/4波长管数量为6/2＝3，如下表1所示。依次类推，获得的其它频率对应的1/4波长管的数量如下表1所示。

表1

上表1中所有数量的1/4波长管的总体积是161900mm³，而空间可用体积是35mm*50mm*100mm＝175000mm³，因此仍然留有可用体积是：175000mm³-161900mm³＝13100mm³。在这种情况下，为了最大程度增大降噪量，首先增加最大声压级幅值的870Hz所对应1/4波长管的数量，将其数量从6改为7，使得1/4波长管的总体积增加到171700mm³，基本接近175000mm³。

例2。假如可用体积不够，只有35mm*40mm*100mm空间可用来排布1/4波长管，则按照声压级幅值从小到大的顺序，首先减少较低声压级幅值所对应的频率的1/4波长管数量，如果该频率的1/4波长管具有可减少的数量的话。如上表1所示，最小声压级幅值34dB和36dB所对应的频率的1/4波长管的数量均为1，没有可减少的量，而较小声压级幅值39dB所对应的频率520Hz的1/4波长管的数量为2，因此可将520Hz的1/4波长管数量减少1个。将520Hz的1/4波长管数量减少1个后，需求空间为145600mm³，空间仍不足，因此进一步将1030Hz的1/4波长管的数量从3个降低到2个，结果是空间得到满足，如下表2所示。

表2

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术也方案都将落入本发明的之内。

Claims (8)

1.一种风管机降噪装置，其特征在于，所述风管机降噪装置包括声学超材料模块，

所述声学超材料模块围着风管机的出风口布置并且包括不同长度的1/4波长管，所述1/4波长管的每个长度基于所述出风口的噪声的预定倍频谱频率确定；并且在所述声学超材料模块的1/4波长管的管口上覆盖有保护层，所述保护层包括吸音材料层和防水薄膜层，其中，所吸音材料层覆盖在所述管口上，并且所述防水薄膜层覆盖在所述吸音材料层的表面上。

2.根据权利要求1所述的风管机降噪装置，其特征在于，所述出风口被至少一个所述声学超材料模块分割为多个子出风口使得每个子出风口的宽高比大于0.5并小于2。

3.根据权利要求1或2所述的风管机降噪装置，其特征在于，所述预定倍频谱频率为1/3、1/6、或1/12倍频谱频率。

4.根据权利要求1所述的风管机降噪装置，其特征在于，所述风管机降噪装置还包括外框，所述外框用于连接到所述风管机的出风口并且所述声学超材料模块在所述外框内围着所述出风口布置。

5.一种设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法，其特征在于，所述风管机降噪装置为根据权利要求1-4任一项所述的风管机降噪装置，并且所述声学超材料模块由不同长度的1/4波长管构成，所述方法包括：

测量风管机的出风口的噪声以获得所述噪声的预定倍频谱频率；

基于所述预定倍频谱频率，确定最大声压级幅值；

确定与所述最大声压级幅值相差小于第一预定值的多个声压级幅值的对应的频率；

基于所述频率，计算每个频率对应的1/4波长管长度；并且

基于所述频率的1/4波长管长度和所述出风口的空间可用体积确定对应每个频率的1/4波长管的数量并将所有1/4波长管排布在一起。

6.根据权利要求5所述的设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法，其特征在于，基于以下步骤确定对应每个频率的1/4波长管的数量：

确定对应最大声压级幅值的频率的1/4波长管的数量n；并且

确定与所述最大声压级幅值相差m个第二预定值的对应频率的1/4波长管的数量为n/2^m(m＝1、2、3、4…)，并且n/2^m的最小值为1。

7.根据权利要求6所述的设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法，其特征在于，当所有确定数量的1/4波长管的总体积超出所述出风口的空间可用体积时，按照所述频率对应的声压级从小到大的顺序减少每个频率对应的1/4波长管的数量直到所述1/4波长管的总体积符合所述出风口的空间可用体积。

8.根据权利要求5所述的设计用于风管机降噪装置的声学超材料模块的方法，其特征在于，所述预定倍频谱频率为1/3、1/6、或1/12倍频谱频率。

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