CN111059398B - 复合结构微穿孔管消声器及其传递损失计算方法 - Google Patents

复合结构微穿孔管消声器及其传递损失计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合结构微穿孔管消声器及其传递损失计算方法，包括：内外同轴套设的直通微穿孔管(5)和外筒体(2)，前端盖(1)和后端盖(4)与外筒体(2)两端形成进气端和排气端；同轴套设于直通微穿孔管(5)外的环形隔板(3)，环形隔板(3)将外筒体(2)和直通微穿孔管(5)之间隔成前空腔和后空腔；前微穿孔套管(6)前后两端置于前端盖(1)和隔板(3)的端面之间，将前空腔由内至外分隔成第二空腔和第三空腔，后微穿孔套管(7)前后两端置于隔板(3)和后端盖(4)的端面之间，将后空腔分隔成第四空腔和第五空腔。本发明对管路中的宽频带噪声特别是中至高频噪声具有良好的消声效果，压力损失小，对空气无污染，并且传递损失计算简单省时易行。

Description

复合结构微穿孔管消声器及其传递损失计算方法
技术领域
本发明涉及管道消声技术，更具体涉及一种微穿孔管消声器。
背景技术
微穿孔板吸声结构在上世纪七十年代由马大猷院士提出，它利用微穿孔的声阻结合空腔的共振吸收声能，在不加多孔性吸声材料的情况下就可获得良好的吸声效果，是一种绿色环保的吸声结构。随后，衍生而来的微穿孔管消声器也逐渐受到关注，越来越多地被应用到工程中。
微穿孔管消声器具有耐高温、耐油污、耐腐蚀等优点，同时可用于高速气流、潮湿的恶劣环境中。由于穿孔直径小、壁面光滑，因此消声器阻损比一般阻性消声器要小。微穿孔管消声器常用于鼓风机排气、抽气泵排气、空调系统、燃气轮机排气、喷气发动机的进气道、内燃机进排气等应用中，所要消除的噪声一般属于宽频带噪声，并且中至高频噪声占主要部分，如鼓风机排气噪声、抽气泵排气噪声等。
传统的单背腔微穿孔管消声器，仅仅对某个频段的噪声有较好的消声效果，而对于其他频段消声效果较差，因此，很有必要对传统的单背腔微穿孔管消声器进行结构改进，以达到在非常宽的频率范围内均可获得良好的消声效果的目的。
在对微穿孔管消声器进行参数设计时，关注的结构参数包括微孔直径、穿孔率和背腔深度等，一般会采用有限元法计算传递损失来预测其声学性能，并由此通过试验法进行优化。整个消声器优化设计过程计算复杂、耗时较长，因此，提出一种简单而又准确的微穿孔管消声器传递损失计算方法对于其结构优化设计至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种复合结构微穿孔管消声器及其传递损失计算方法，使其利用较小体积也能消除管道中的宽频带噪声。实现在整个频谱范围内均有较好的消声效果，尤其是中至高频段；消声器流动阻力小，空间体积小，使用寿命长，清洁无污染。同时，根据提供的传递损失计算方法可简单准确地优化设计出消声器的具体结构参数，不用关注背腔深度，同时采用MATLAB软件，避免了采用有限元法计算传递损失过程计算复杂、耗时较长的缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种复合结构微穿孔管消声器，其特征在于包括：
内外同轴套设的直通微穿孔管(5)和外筒体(2)，前端盖(1)和后端盖(4)与外筒体(2)两端密封连接并分别与直通微穿孔管(5)内第一空腔的两端结合形成进气端和排气端；
同轴套设于直通微穿孔管(5)外的环形隔板(3)，环形隔板(3)外缘与外筒体(2)内壁相连，将外筒体(2)和直通微穿孔管(5)之间隔成前空腔和后空腔；
分别同轴套设于直通微穿孔管(5)外的前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)，前微穿孔套管(6)前后两端置于前端盖(1)和隔板(3)的端面之间，将前空腔由内至外分隔成第二空腔和第三空腔，后微穿孔套管(7)前后两端置于隔板(3)和后端盖(4)的端面之间，将后空腔分隔成第四空腔和第五空腔。
优选地，所述直通微穿孔管(5)、前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)的管壁上位于各空腔内的区域均布直通微孔(8)，且直通微孔(8)的中心线与管的中心轴线相垂直。
优选地，所述直通微穿孔管(5)通过所述隔板(3)分为前管体(5a)和后管体(5b)，前管体(5a)和后管体(5b)上的直通微孔(8)孔径和穿孔率均不相同。
优选地，所述前微穿孔套管(6)、后微穿孔套管(7)、前管体(5a)和后管体(5b)的管壁厚度相同，但各管体上直通微孔(8)的孔径和穿孔率各不相同。
优选地，所述直通微孔(8)的孔径小于1mm，穿孔率小于6％。
优选地，前端盖(1)和后端盖(4)各设有一个环面与外筒体(2)的端面密封连接，在各环面上凸起设置一个套筒沿轴向外延与直通微穿孔管(5)外壁两端贴紧结合分别形成进气端和排气端。
优选地，前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)各自的管径相等或不等。
一种上述复合结构微穿孔管消声器传递损失的计算方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：确定复合结构微穿孔管消声器的结构参数，包括：直通微穿孔管(5)的内径D1，微穿孔套管(6)的内径D21，微穿孔套管(7)的内径D22及外筒体(2)的内径D3；前管体(5a)的轴向长度L1和后管体(5b)的轴向长度L2；前管体(5a)的壁厚t、孔径d1和穿孔率σ1，微穿孔套管(6)的孔径d2和穿孔率σ2，后管体(5b)的孔径d3和穿孔率σ3以及微穿孔套管(7)的孔径d4和穿孔率σ4；
步骤二：确定消声器工作状态参数，包括：空气动力粘度η，空气密度ρ0，空气中的声速c，管路中的流速U；
步骤三：将复合结构微穿孔管消声器视为由隔板(3)隔开的前后两个三管单元并联构成，其中前三管单元由前端盖(1)、前管体(5a)、微穿孔套管(6)、外筒体(2)以及隔板(3)构成，后三管单元由隔板(3)、后管体(5b)、微穿孔套管(7)、外筒体(2)以及后端盖(4)构成；
步骤四：分别求出前后两个三管单元的传递矩阵；
步骤五：由前后两个三管单元的传递矩阵，得到消声器总的传递矩阵，从而最终得到消声器的传递损失。
优选地，所述步骤四和步骤五中，采用MATLAB软件进行复杂运算得到传递损失。
步骤四根据马大猷的微穿孔板吸声结构理论，计算可得前管体(5a)微穿孔板的声阻抗率为
Figure BDA0002304856900000031
其中，x为微穿孔板常数，
Figure BDA0002304856900000032
j为虚部，j2＝-1；ω为角频率，ω＝2πf，f为频率。
同理，可得微穿孔套管(6)微穿孔板的声阻抗率ζ2。
根据线性质量连续性方程和动量守恒方程，可得到计算前三管单元传递矩阵的系数矩阵：
Figure BDA0002304856900000033
其中
Figure BDA0002304856900000041
Figure BDA0002304856900000042
Figure BDA0002304856900000043
M为气流马赫数，
Figure BDA0002304856900000044
k为波数，
Figure BDA0002304856900000045
令λm(m＝1,2,3,4,5,6)为矩阵[A]的第m个特征值，[Ω]为对应的特征矩阵，并取矩阵[B]，
Figure BDA0002304856900000046
Figure BDA0002304856900000047
其中Bnm为矩阵[B]中位于第n行第m列的元素，n＝1,2,3,4,5,6，Ωnm为矩阵[Ω]中位于第n行第m列的元素。
令
Figure BDA0002304856900000048
并取矩阵[R]＝[B][E][B]-1。
令
Figure BDA0002304856900000049
Figure BDA00023048569000000410
其中Rnm为矩阵[R]中位于第n行第m列的元素。
由此可得前三管单元的传递矩阵[T1]为
T111＝R11+W1R13+W3R15，T112＝R12+W2R13+W4R15，
T121＝R21+W1R23+W3R25，T122＝R22+W2R23+W4R25
其中T1ab为矩阵[T1]中位于第a行第b列的元素，a＝1,2，b＝1,2。。
同理，可求得后三管单元的传递矩阵[T2]。
步骤五：由前后两个三管单元的传递矩阵[T1]和[T2]，得到消声器总的传递矩阵为[T]＝[T1][T2]，从而最终得到消声器的传递损失为
Figure BDA00023048569000000411
其中Tab为矩阵[T]中位于第a行第b列的元素。
按上述方案，所述步骤四和步骤五中，采用MATLAB软件进行复杂运算得到传递损失TL。
由此，本发明提供了一种复合结构微穿孔管消声器；可以由3D打印材料如光敏树脂制成的微穿孔管，也可以采用金属制作。声波通过直通微孔时，空气和直通微孔的摩擦作用使声能转化为热能，从而实现消声的目的。不同的微穿孔管段及其背腔针对不同的消声频段，通过各微穿孔管段的微孔直径、穿孔率及其背腔深度的合理匹配，同时四部分吸声单元共同作用，从而实现对宽频带噪声的消除。实现在整个频谱范围内均有较好的消声效果，尤其是中至高频段，利用较小体积也能消除管道中的宽频带噪声；消声器流动阻力小，空间体积小，使用寿命长，清洁无污染。
同时，根据提供的传递损失计算方法可简单准确地优化设计出消声器的具体结构参数，不用关注背腔深度，同时采用MATLAB软件，避免了采用有限元法计算传递损失过程计算复杂、耗时较长的缺陷。
附图说明
图1为本发明一个实施例的复合结构微穿孔管消声器的剖视结构示意图。
图2为本发明一个实施例的直通微穿孔管的结构示意图。
图3为本发明一个实施例的消声器传递损失结果曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示是本发明复合结构微穿孔管消声器的一种实施结构，包括前端盖1、外筒体2、直通微穿孔管5、前微穿孔套管6、隔板3、后微穿孔套管7及后端盖4，所述直通微穿孔管5和外筒体2内外同轴套设，其进气端和排气端分别通过前端盖1和后端盖4与外筒体2两端密封连接，所述隔板3套设于直通微穿孔管5外壁上，其环形外缘与外筒体2内壁相连，将外筒体2和直通微穿孔管5之间的空间沿轴向分隔成前空腔和后空腔，所述前微穿孔套管6和后微穿孔套管7均同轴套设于直通微穿孔管5外，前微穿孔套管6前后两端分别与前端盖1和隔板3的端面相连，将前空腔由内至外分隔成空腔Ⅱ和空腔Ⅲ，后微穿孔套管7前后两端分别与隔板3和后端盖4的端面相连，将后空腔由内至外分隔成空腔Ⅳ和空腔Ⅴ。
如图1和2，直通微穿孔管5、前微穿孔套管6和后微穿孔套管7的管壁上均布直通微孔8(图2仅仅示意了直通微穿孔管5，前微穿孔套管6和后微穿孔套管7略)，且直通微孔8的中心线与管的中心轴线相垂直。隔板3将直通微穿孔管5分为前管体5a和后管体5b，前管体5a、后管体5b、前微穿孔套管6以及后微穿孔套管7的管壁厚度相同(对于由金属材质制成的微穿孔管，其壁厚一般为0.3～1mm；对于由3D打印材料如光敏树脂制成的微穿孔管，其壁厚一般为1～2.5mm)，但管体上直通微孔8的孔径和穿孔率各不相同，一般直通微孔8的孔径小于1mm，穿孔率小于6％。声波通过直通微孔8时，空气和直通微孔的摩擦作用使声能转化为热能，从而实现消声的目的。不同的微穿孔管段及其背腔针对不同的消声频段，即通过前管体5a和空腔Ⅱ、前微穿孔套管6和空腔Ⅲ、后管体5b和空腔Ⅳ以及后微穿孔套管7和空腔Ⅴ的微孔直径、穿孔率和背腔深度的合理匹配，同时四部分吸声单元共同作用，从而实现对宽频带噪声的消除。
针对上述复合结构微穿孔管消声器，以下给出该结构传递损失的计算方法：
步骤一：确定复合结构微穿孔管消声器的结构参数，包括：直通微穿孔管5的内径D1，前前微穿孔套管6的内径D21，后微穿孔套管7的内径D22及外筒体2的内径D3；前管体5a的轴向长度L1和后管体5b的轴向长度L2；前管体5a的壁厚t、孔径d1和穿孔率σ1，前微穿孔套管6的孔径d2和穿孔率σ2，后管体5b的孔径d3和穿孔率σ3以及后微穿孔套管7的孔径d4和穿孔率σ4。
步骤二：获取消声器工作状态参数，包括：空气动力粘度η，空气密度ρ0，空气中的声速c，管路中的流速U。
步骤三：将复合结构微穿孔管消声器视为由前后两个三管单元并联构成，其中前三管单元又由前端盖1、前管体5a、前微穿孔套管6、外筒体2以及隔板3构成，后三管单元又由隔板3、后管体5b、后微穿孔套管7、外筒体2以及后端盖4构成。
步骤四：分别求出前后两个三管单元的传递矩阵，以前三管单元为例：
根据马大猷的微穿孔板吸声结构理论，计算可得前管体5a微穿孔板的声阻抗率为：
Figure BDA0002304856900000071
Figure BDA0002304856900000072
式中，j为虚部，j2＝-1；ω为角频率，ω＝2πf(f为频率)。
同理，可得前微穿孔套管6微穿孔板的声阻抗率ζ2。
根据线性质量连续性方程和动量守恒方程，可得到计算前三管单元传递矩阵的中间参数：
Figure BDA0002304856900000073
其中
Figure BDA0002304856900000074
Figure BDA0002304856900000075
Figure BDA0002304856900000076
Figure BDA0002304856900000077
式中，ω为角频率，ω＝2πf(f为频率)。
令[Ω]和λm分别为矩阵[A]的特征矩阵和特征值，并取矩阵[B]，其中
Figure BDA0002304856900000078
Figure BDA0002304856900000079
式中m＝1,2,3,4,5,6，在矩阵[B]中代表矩阵的列。
令
Figure BDA0002304856900000081
并取矩阵[R]＝[B][E][B]-1。
令
Figure BDA0002304856900000082
Figure BDA0002304856900000083
由此可得前三管单元的传递矩阵[T1]为
T1(m,1)＝R(m,1)+W1R(m,3)+W3R(m,5)，T2(m,2)＝R(m,2)+W2R(m,3)+W4R(m,5)，式中m＝1,2，在矩阵[T1]中代表矩阵的行。
同理，可求得后三管单元的传递矩阵[T2]。
步骤五：由前后两个三管单元的传递矩阵[T1]和[T2]，得到消声器总的传递矩阵为[T]＝[T1][T2]，从而最终得到消声器的传递损失为
Figure BDA0002304856900000084
综合以上步骤，经过MATLAB软件的复杂运算可以得到传递损失TL。
在复合结构微穿孔管消声器的结构参数化设计过程中，基于提出的传递损失计算方法，可根据目标消声频率范围和消声量通过各种全局优化方法进行优化设计，整个设计过程简单高效。
实施例一
整个消声器由金属材质制成。根据消声器限定的体积大小和所处工况，设定：直通微穿孔管5的内径D1＝18mm，外筒体2的内径D3＝70mm，前管体5a的轴向长度L1＝75mm，后管体5b的轴向长度L2＝75mm，消声器直通管内气流速度U＝30m/s。
微穿孔管壁厚均设定为t＝0.3mm，根据目标消声频带1000～5000Hz，基于上述消声器传递损失计算方法，通过多种群遗传算法优化而得下列结构参数：前微穿孔套管6的内径D21＝60.2mm，后微穿孔套管7的内径D22＝59mm；前管体5a的孔径d1＝0.46mm和穿孔率σ1＝2.46％，前微穿孔套管6的孔径d2＝0.37mm和穿孔率σ2＝1.47％，后管体5b的孔径d3＝0.45mm和穿孔率σ3＝2.18％以及后微穿孔套管7的孔径d4＝0.53mm和穿孔率σ4＝2.03％。
该实施例在目标频率范围内都有很好的消声效果，其消声特性如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合结构微穿孔管消声器，其特征在于包括：
内外同轴套设的直通微穿孔管(5)和外筒体(2)，前端盖(1)和后端盖(4)与外筒体(2)两端密封连接并分别与直通微穿孔管(5)内第一空腔的两端结合形成进气端和排气端；
同轴套设于直通微穿孔管(5)外的环形隔板(3)，环形隔板(3)外缘与外筒体(2)内壁相连，将外筒体(2)和直通微穿孔管(5)之间隔成前空腔和后空腔；
分别同轴套设于直通微穿孔管(5)外的前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)，前微穿孔套管(6)前后两端置于前端盖(1)和隔板(3)的端面之间，将前空腔由内至外分隔成第二空腔和第三空腔，后微穿孔套管(7)前后两端置于隔板(3)和后端盖(4)的端面之间，将后空腔分隔成第四空腔和第五空腔；
前端盖(1)和后端盖(4)各设有一个环面与外筒体(2)的端面密封连接，在各环面上凸起设置一个套筒沿轴向外延与直通微穿孔管(5)外壁两端贴紧结合分别形成进气端和排气端。
2.根据权利要求1所述的复合结构微穿孔管消声器，其特征在于所述直通微穿孔管(5)、前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)的管壁上位于各空腔内的区域均布直通微孔(8)，且直通微孔(8)的中心线与管的中心轴线相垂直。
3.根据权利要求1或2所述的复合结构微穿孔管消声器，其特征在于所述直通微穿孔管(5)通过所述隔板(3)分为前管体(5a)和后管体(5b)，前管体(5a)和后管体(5b)上的直通微孔(8)孔径和穿孔率均不相同。
4.根据权利要求1或2所述的复合结构微穿孔管消声器，其特征在于所述前微穿孔套管(6)、后微穿孔套管(7)、前管体(5a)和后管体(5b)的管壁厚度相同，但各管体上直通微孔(8)的孔径和穿孔率各不相同。
5.根据权利要求2所述的复合结构微穿孔管消声器，其特征在于所述直通微孔(8)的孔径小于1mm，穿孔率小于6％。
6.根据权利要求1或2所述的复合结构微穿孔管消声器，其特征在于前微穿孔套管(6)和后微穿孔套管(7)各自的管径相等或不等。
7.一种上述权利要求1-6任一项所述复合结构微穿孔管消声器传递损失的计算方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：确定复合结构微穿孔管消声器的结构参数，包括：直通微穿孔管(5)的内径D1，微穿孔套管(6)的内径D21，微穿孔套管(7)的内径D22及外筒体(2)的内径D3；前管体(5a)的轴向长度L1和后管体(5b)的轴向长度L2；前管体(5a)的壁厚t、孔径d1和穿孔率σ1，微穿孔套管(6)的孔径d2和穿孔率σ2，后管体(5b)的孔径d3和穿孔率σ3以及微穿孔套管(7)的孔径d4和穿孔率σ4；
步骤二：确定消声器工作状态参数，包括：空气动力粘度η，空气密度ρ0，空气中的声速c，管路中的流速U；
步骤三：将复合结构微穿孔管消声器视为由隔板(3)隔开的前后两个三管单元并联构成，其中前三管单元由前端盖(1)、前管体(5a)、微穿孔套管(6)、外筒体(2)以及隔板(3)构成，后三管单元由隔板(3)、后管体(5b)、微穿孔套管(7)、外筒体(2)以及后端盖(4)构成；
步骤四：分别求出前后两个三管单元的传递矩阵；
步骤五：由前后两个三管单元的传递矩阵，得到消声器总的传递矩阵，从而最终得到消声器的传递损失。
8.根据权利要求7所述的复合结构微穿孔管消声器传递损失的计算方法，其特征在于所述步骤四和步骤五中，采用MATLAB软件进行运算得到传递损失。
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