CN111520229A - 声波谐振器 - Google Patents

Abstract

一种谐振器(10)，配置为减弱管道(100)中的噪声，该管道界定用于流体根据参考轴线(X)流动的内部通道(110)，该类型的谐振器包括构造为围绕通道(110)延伸的环形隔室(12)，并且设置有至少一个形成用于与流动通道(110)连通以形成谐振腔(16)的颈部的孔口(14)。根据本发明，隔室(12)具有内部结构(18)，该内部结构具有成形为产生环形隔室(16)围绕参考轴线(X)的旋转环形不对称的几何形状，适于产生在谐振腔(16)内反射的声压波相对于从主流入射的声压波的相移。

Description

声波谐振器

技术领域

本发明涉及一种声波谐振器(acoustic resonator)，其适于安装在用于流体流动的管道中，更特别地安装在气态流体的管道中，并且更特别地安装在内燃机车辆中的进气和/或排气流动管道中。本发明还涉及一种包括这种声波谐振器的管道。

本发明更特别地但不排他地应用于配备有用于压缩进气的涡轮增压器的热机的技术领域。

背景技术

以本身已知的方式，许多汽油发动机或柴油发动机机动车辆配备有涡轮增压器，该涡轮增压器由第一涡轮机构成，该第一涡轮机由发动机的排气驱动，第一涡轮机使安装在相同轴上的第二涡轮机旋转，并且在空气或空气/汽油混合物进入发动机之前压缩该空气或空气/汽油混合物。

这种组件的优点是，允许显著增加发动机的功率，但是涡轮增压器的涡轮机的转速在可能有害的声音频率的更宽范围内产生噪声。

已知的是，由于通常在进气管道中定位在涡轮增压器与内燃机之间的适当的声波谐振器或阻尼器，使声音频率在较宽的频谱上衰减。

声波谐振器可根据不同的衰减原理来操作：通过干涉、通过亥姆霍兹原理等衰减压力波。

特别地，第一种原理是亥姆霍兹谐振器的原理。这种谐振器通常由与外部介质(本文是进气管道)连通的空腔构成，通常由通常称为颈部的窄孔口构成。谐振腔内的气体体积的弹性与包含在颈部中的气体的惯性质量相结合复制了具有特定谐振频率(称为固有频率)的质量弹簧机械系统。当声压作用于颈部时，此声压趋向于使包含在谐振腔中的空气质量以一定频率振动，该频率取决于其体积、高度和颈部的截面。由于此固有谐振，可有效地降低噪声，特别是通过使谐振器的固有频率适应已知噪声源的频率。

此外，第二种已知原理是干涉谐振器的原理。这种谐振器配置为在诸如连接到外部介质的管的细长体积中产生驻波，该外部介质在本文中是进气管道。根据此原理，当声波从导管进入管时，压力波在此管内并沿着此管传播，然后以相移返回到进气管道。波在管内行进的路径将产生离开该管的压力波相对于进入该管的压力波的相移，这将产生入射压力波的反射。驻波是两个相反传播方向的行波的叠加：这些叠加的行波的谐振频率对应于衰减最多的频率。

可能期望将这两种具有相对接近的谐振频率的“干涉型”和“亥姆霍兹型”声波衰减原理结合，以优化声音频率的衰减范围的宽度。困难在于，为了最佳地操作，这两个原理需要不同的且不用必须彼此兼容的形状。

因此，为了优化亥姆霍兹型谐振器，期望提供在颈部附近延伸的略微细长的受限体积以限制相移。相反，优选的是为干涉型谐振器提供细长的体积，使得压力波可以显著的相移传播。

然而，这两个对立的要求难以在同一谐振器中实现。

现有技术

从现有技术，特别是从文献FR2489881中已知一种用于内燃机的排气消音器。为了结合几个声波衰减原理：反射、干涉、吸收，并因此根据不同部件的相对大小最佳地覆盖频谱的频率范围，在此文献中描述的消音器包括若干衰减级。这种设备被证明是特别笨重的。

需要提供一种声波衰减装置，其允许以最小的体积减小源于涡轮增压器的操作的噪声，同时增加阻尼范围。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于减弱导管中的噪声的谐振器，该导管界定用于流体根据参考轴线流动的内部通道，该类型的谐振器包括环形隔室和至少一个孔口，环形隔室构造为围绕界定环形谐振腔的通道延伸，孔口形成用于将谐振腔与流动通道连通的颈部，孔口在周向方向上纵向延伸，其中，隔室具有内部结构，该内部结构具有成形为产生环形隔室的内部体积围绕参考轴线的旋转不对称的几何形状，适于产生在谐振腔中传播的声压波相对于在该通道中传播的声压波的相移。

两种“干涉型”和“亥姆霍兹型”谐振器原理要求在相同的谐振器内的不同的几乎不兼容的形状，而不显著增加整个谐振器的体积。

实际上，对于干涉型谐振器，平面波应能够沿着管传播，而对于亥姆霍兹型谐振器，用作弹簧(机械类比)的体积不应离颈部太远以在没有相移的情况下起作用。

由于沿着其圆周的槽形连通孔口，谐振器的行为类似于亥姆霍兹谐振器，因为隔室的不同体积点之间没有任何相位差。随着围绕参考轴线引入隔室的环形体积的旋转不对称，谐振器也表现得像干涉谐振器，因为不对称将沿着此圆周产生相移。

由于本发明，谐振器可产生亥姆霍兹效应和干涉效应，并且不需要额外的体积，同时提供较大的阻尼范围。

根据本发明的谐振器还可包括一个或多个以下详述的特征。

在本发明的优选实施方式中，孔口由沿着流体流动通道的周边的几乎周向的或周向的槽形成。

在本发明的另一优选实施方式中，孔口具有由颈部的高度表示的径向厚度，颈部的此高度是角度可变的。

在本发明的另一优选实施方式中，颈部包括在连接谐振腔的喉部和通向流动通道的口部之间的喇叭形部，喇叭形部的形状限定了扩张函数，其截面在喉部和口部之间增大，特别是线性函数、指数函数、圆锥函数或任何函数。

在本发明的另一优选实施方式中，内部结构包括至少一个大致径向伸出的环形壁，该环形壁成形为产生旋转不对称。

在本发明的另一优选实施方式中，环形壁是环形肋，该环形肋径向向内伸出到谐振腔中，轴向地界定孔口的侧面，并且相对于与参考轴线正交的径向平面具有倾斜度。

在本发明的另一优选实施方式中，环形壁是谐振腔的轴向端壁，其以与正交于参考轴线的径向平面成非零角度α倾斜地延伸。

在本发明的另一优选实施方式中，谐振器包括围绕参考轴线的大致管状的插入件，该插入件用于插入到管道内，该插入件在内部界定流体流动通道，并且在外部与管道一起界定包括环形隔室的空间。

在本发明的另一优选实施方式中，插入件具有管状中间部分和端部，该端部分别向中间部分会聚和从中间部分发散。

在本发明的另一优选实施方式中，谐振器包括两个分别轴向封闭空腔的近端壁和远端壁，这两个壁由相同的连续螺旋壁形成。

在本发明的另一优选实施方式中，螺旋壁完成至少一圈。

在本发明的另一优选实施方式中，螺旋壁通过端壁在螺旋的缠绕方向上界定封闭的螺旋体积。

在本发明的另一优选实施方式中，谐振器包括多个相邻的环形隔室，其界定了多个在轴向方向上形成的相邻的谐振腔，每个谐振腔通过至少一个连通孔口连接到流动通道。

附图说明

根据以下参考附图进行的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的第一实施方式的安装在管道内的声波谐振器的透视图；

图2是图1的声波谐振器的放大比例的局部详细视图；

图3是图1和图2的谐振器的谐振腔的体积的示意图；

图4示出了通过第一谐振器构造的机械模拟对操作原理的建模，并且示出了作为建模谐振器的以赫兹为单位的频率的函数的以分贝为单位的阻尼的曲线图；

图5示出了根据图4的第二谐振器构造的建模和对应的曲线图；

图6示出了根据图4的第三谐振器构造的建模和对应的曲线图；

图7示出了根据图4的第四谐振器构造的建模和对应的曲线图；

图8示出了根据本发明的第二实施方式的谐振器和谐振器的谐振腔的体积的对应建模；

图9示出了作为图8的谐振器的以赫兹为单位的频率的函数的以分贝为单位的阻尼的变化图；

图10示出了根据本发明的谐振器的第三实施方式；

图11示出了根据本发明的谐振器的第四实施方式；

图12示出了根据本发明的谐振器的第五实施方式；

图13示出了根据本发明的谐振器的第六实施方式；

图14是根据第三实施方式的谐振器的局部透视图，该谐振器包括用于紧固到管道的装置，谐振器安装在该管道内。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明的第一实施方式的用于衰减噪声的声波谐振器。此谐振器由总的参考标号10表示。

本发明更特别地但不排他地应用于衰减管道100内的用于流体流动的声学干扰，例如是进气和/或排气的流动。此管道100优选地基本上是管状的，并且具有参考轴线X。当然，替代地，管道100可包括不同的形状，例如弯曲的或S形的管状形状等。

例如，管道100是机动车辆的内燃机的进气系统的进气管道。此管道100界定用于流体流动的内部通道110，该内部通道具有参考轴线X并且具有围绕此轴线X的基本上管状的总体形状。

在图1所示的第一实施方式中，谐振器10安装到管道100，并且包括构造为围绕流动通道110延伸的环形隔室12。此环形隔室12界定了谐振腔16，并且设置有至少一个孔口14，该孔口形成用于使谐振腔16与流动通道110连通的颈部。因此，此颈部14在能够衰减一些声音频率的谐振现象的起点处产生从通道110到谐振腔16的流体流动，如将在下文中描述的。因此，谐振腔16和颈部14形成谐振器。

优选地，颈部14在与谐振腔16连接的喉部和通向流动通道110的口部之间包括喇叭形部(horn)，该喇叭形部的形状限定了其截面在喉部和口部之间增大的扩张函数，特别是线性函数、指数函数、圆锥函数或任何函数。

在图1所示的第一实施方式以及本说明书中所揭示和示出的所有实施方式中，环形隔室12在管道100内延伸。实际上，如图1所示，声波谐振器10同轴且径向地插入到管道100内。谐振器10因此设计为插入件20，其与管道100分开制造，并且在组装期间插入到管道100内。当然，替代地，谐振器10的环形隔室12可围绕管道的外壁安装在管道100外，例如在文献EP 3,042,064中描述的。

在此实例中，插入件20具有大致管状的形状，该大致管状的形状具有基本上张开的端部22和24，这赋予插入件20双曲面的大致形状。因此，在此实例性实施方式中，插入件20包括基本上截锥形的收敛上游段22，其圆形上游端22A安装为与管道100的内壁紧密接触。插入件20还包括与管道100同轴布置的圆柱形中间段26和从中间段26偏离并终止于也安装为与管道100的内壁紧密接触的下游端24B的基本上截锥形的下游段24。插入件20可例如由两个部分形成，这两个部分可能互连并且通过在上游端22A和下游端24B的位置处粘合而保持在管道100内。

因此，如图1所示的实例中所示，谐振器的主体在其内部局部地界定通道110的流动缩窄段部分。还应注意，形成在谐振器10的大致圆柱形中间段26的任一侧的相应的会聚段22和发散段24(在流体的流动方向上观察)允许减小流体在管道中流动期间的压降。插入件20以本身已知的方式在此实例中界定文丘里形状，其优化以限制流动方向上的压降(会聚角小于30°并且发散角小于7°)。

术语“会聚”和“发散”在本说明书中分别意味着通道截面的任何变窄和变宽，从而赋予所考虑的截面几何形状，例如截锥形或喇叭形几何形状(例如基本上为回转双曲面的形状)。

插入件20和管道100于是限定与流体流动通道110连通的环形体积28，环形隔室12在该环形体积内延伸。此环形隔室12包括形成颈部的孔口14，以连通流动通道和谐振腔16。

优选地，孔口14是大致在周向方向上纵向延伸的槽的形式，也就是说，在与以参考轴线X为中心的圆相切的方向上延伸。或者，该槽可相对于此圆周方向稍微偏移或倾斜地延伸。

当环形隔室12仅包括一个槽形式的单个孔口14时，该槽可有利地由一个或多个确保结构连续性的材料桥接件(几乎周向的槽)局部中断。

该槽可在纵向方向上形成连续的孔口而没有中断或者可具有中断。特别地，优选地，为了便于插入件20的单件制造，槽可仅在圆周的一部分上延伸。

根据本发明，例如如图3所示，隔间12具有内部结构18，其几何形状成形为产生谐振腔16的体积围绕参考轴线X的旋转不对称。

在第一实施方式中，如图2所示，几何内部结构18包括至少一个环形壁30，其具有环形的大致形状，以产生旋转不对称。此环形壁30优选地根据相对于与参考轴线X正交的参考平面以角度α基本倾斜取向的径向向外延伸。例如，角度α包括在0°和80°之间。

在图2所示的实例中，此壁30是谐振腔16的轴向端壁，其与正交于参考轴线X的径向平面成非零角度α倾斜地延伸。在图1和图2所示的实例中，内部结构18包括两个环形壁30，其在倾斜方向上延伸并且在轴向方向的两侧轴向地封闭谐振腔16。在此实例中，两个环形壁30以平行的方式延伸。如图3所示，这样获得的谐振腔16的体积包括具有环形不对称旋转的几何形状18。

由于此旋转不对称，除了由于颈部14和谐振腔16的存在而引起的亥姆霍兹型谐振现象之外，体积旋转不对称还能够引入在谐振腔16内反射的声压波相对于主流的入射声压波的周向相移。此引入的相移允许在主流中传播的声压波和在本发明的谐振腔16内传播后反射的声压波之间产生干涉型谐振现象。

图4至7示出了此第一实施方式的谐振器10的工作原理的简化建模。此建模以与质量-弹簧型机械系统的模拟为基础。

亥姆霍兹谐振器效应可与质量-弹簧系统相比，在质量-弹簧系统中，质量是在颈部14中驱动的空气，弹簧是在谐振腔16的较大体积中的空气。与任何亥姆霍兹谐振器一样，此声波谐振器具有固有频率，对于该固有频率，声能的吸收最大。

为了对此谐振器10的工作原理建模，通过体积离散化来切割谐振腔16的体积。圆周槽颈部14由形成质量m的连续的一系列基本空气体积表示，并且谐振腔16由形成具有刚度k的弹簧的一系列基本体积表示。因此，谐振器10的建模包括多个沿圆周规则分布的基本质量-弹簧系统。

关于图4的第一建模，谐振器10包括具有围绕轴线X的对称旋转体积的隔室12，施加在质量m上的力是相同的，并且弹簧的刚度k也是相同的，因为基本体积V在整个周边上是相同的。在此情况中，质量同时振荡，这导致亥姆霍兹型主谐振现象，如此同一图的曲线图所示。在此情况中，谐振现象在2850Hz处导致主峰。

关于图5所示的第二建模，谐振器10具有围绕参考轴线X的体积不对称，特别是因为隔室12的壁30是倾斜的。在此建模中，槽14是周向的且非倾斜的。谐振腔16的体积具有旋转不对称，特别是如图3所示。特别地，基本谐振腔体积V1和V2沿着圆周不具有相同的形状。基本体积的弹簧的刚度k是不相同的，因为基本体积不具有相同的形状，质量m在相同的力的作用下将不会以相同的方式振荡。这些刚度k的差异将导致沿着环形室16传播的波的幻象，该波相对于在通道110中传播的入射波具有相移。这将导致在与图5相关联的曲线图上出现干扰现象，该图除了示出与亥姆霍兹效应相关的主峰之外，还示出在频率5175Hz处衰减13分贝。

关于图6所示的第三建模，槽14相对于与参考轴线X正交的平面进一步倾斜。与第二建模相比，槽14的倾斜具有两个附加效果。一方面，颈部14的小切削体积的形状沿周向变化，因此相应的质量也变化。另一方面，槽的倾斜具有的结果是，每个小体积v1、v2不会通过入射声压波感知到相同的激励压力。因此，质量不会因此感知到相同的压力。小体积v1、v2承受压力P1和P2，这改变了质量m1和m2上的力F1和F2。图6的曲线图示出了包括主峰的曲线，该主峰的宽度大于图5的具有双峰的峰的宽度，第一峰对应于亥姆霍兹效应，第二峰对应于干扰效应，以及第三峰对应于与第二峰的干扰效应的基频相关的谐波。

关于对应于第一实施方式的图7的第四建模，槽14还具有颈部，该颈部具有根据周向方向可变的高度。因此，如图1至图3所示，在第一实施方式中，周向槽14由伸出凸缘界定，伸出凸缘由从插入件20的周边外壁径向向外延伸的环形肋38形成。颈部14的高度的变化增加了附加效应，即由于颈部14的高度的周向变化而导致的表示质量m的小的基本体积v的变化。此效应产生与由于颈部14的高度的变化而引起的干涉效应相关的附加峰值。图7的曲线图示出了包括在相对接近的频率处的两个主峰的曲线，即与亥姆霍兹效应相关的频率和与干扰效应相关的频率，以及与干扰效应的基频相关的谐波相对应的次峰。

图8中示出了本发明的第二实施方式。在此第二实施方式中，环形壁30以非平行的方式倾斜。在此情况中，谐振腔16的体积也具有图8所示的大致不对称的旋转形状。图9所示的所获得的曲线图具有在2500Hz处的亥姆霍兹效应峰值和在3795Hz处的干涉效应峰值，其中阻尼值为25分贝。

图10中示出了本发明的第三实施方式。在此第三实施方式中，环形隔室12没有轴向分隔壁，并且由环形空间28形成，该环形空间一方面由插入件20的外表面界定，另一方面由管道100的内表面界定。在此第三旋转模式中，通过连通颈部14的旋转不对称产生环形隔室12的旋转不对称。颈部14具有如第四建模中的周向变化的高度。

图11中示出了第四实施方式。为了允许不同频率范围内的声音频率的衰减，谐振器10在环形空间28中界定了多个环形隔室12A、12B、12C，每个隔室界定具有不同固有频率的谐振腔。环形隔室12A至12C由轴向分隔环形壁40界定，每个隔室12A至12C分别包括用于与流动通道110连通的孔口14A至14C。在所示实例中，谐振器10包括插入件20，其设置有径向向外伸出的环形壁40。当然，根据本发明，颈部14的至少一个分隔轴向环形壁40或一个环形肋38具有环形旋转不对称。

图12示出了本发明的第五实施方式。在此第五实施方式中，谐振器10包括两个分别位于上游的壁30A和下游的壁30B(在箭头所示的流体流动方向上)以轴向地封闭谐振腔16，并且两个壁30A、30B由相同的连续螺旋壁32形成。优选地，螺旋壁32完成至少一圈，在此实例中，在插入件20的外表面上完成至少一圈。在此实例中，螺旋壁32通过端壁34和36在螺旋的缠绕方向上界定封闭的螺旋体积。此外，在一个未示出的变型中，优选地，螺旋的螺距是可变的。

图13示出了本发明的第六实施方式。在此第六实施方式中，槽14具有由两个径向伸出的具有正方形横截面的环形肋38周向界定的可变高度颈部。此构造允许增加干涉效应的谐振器10的基频的谐波的数量。

图14示出了本发明的第七实施方式。在此第七实施方式中，谐振器10的周边主体包括用于将插入件20定位在管道100内的构件50。这些定位件50包括设置在插入件20的周边的径向伸出的支承肋。此外，优选地，插入件20制造为两个不同部件的形式，这两个不同部件在图14中由附图标记20A和20B标识并且在连通孔口14的水平处通过凸片52以槽的形式互连。

当然，本发明不限于先前描述的实施方式。在不背离由下文中的权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可考虑本领域技术人员所能达到的其他实施方式。

Claims (13)

1.一种谐振器(10)，用于减弱管道(100)中的噪声，所述管道根据参考轴线(X)界定用于流体流动的内部通道(110)，所述谐振器的类型包括环形隔室(12)和至少一个孔口(14)，所述环形隔室构造为围绕通道(110)延伸，所述通道界定环形谐振腔(16)，所述孔口形成用于将所述环形谐振腔与流动通道(110)连通的颈部，所述孔口(14)在周向方向上纵向延伸，其特征在于，所述隔室(12)具有内部结构(18)，所述内部结构具有几何形状，所述几何形状成形为产生所述环形隔室(12)的内部体积围绕所述参考轴线(X)的旋转不对称，适于产生在所述谐振腔(16)中传播的声压波相对于在所述通道(110)中传播的声压波的相移。

2.根据权利要求1所述的谐振器(10)，其中，所述孔口(14)由沿着流体流动通道(110)的周边的几乎周向的或周向的槽形成。

3.根据权利要求1或2所述的谐振器(10)，其中，所述孔口(14)具有由所述颈部的高度表示的径向厚度，所述颈部的高度是周向可变的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，其中，所述颈部(14)包括在喉部和通向流动通道(110)的口部之间的喇叭形部，所述谐振腔(16)连接至所述喉部，所述喇叭形部的形状限定了扩张函数，其中，所述喇叭形部的截面在所述喉部和所述口部之间增大，特别是线性函数、指数函数、圆锥函数或任何函数。

5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，其中，所述内部结构(18)包括至少一个大致径向伸出的环形壁(30)，所述环形壁成形为产生旋转不对称。

6.根据前一权利要求所述的谐振器(10)，其中，所述环形壁是环形肋(38)，所述环形肋径向向内伸出到所述谐振腔(16)中，轴向地界定所述孔口(14)的侧面，并且相对于与所述参考轴线(X)正交的径向平面具有倾斜度。

7.根据权利要求5或6所述的谐振器(10)，其中，所述环形壁是所述谐振腔(16)的轴向端壁(30)，所述轴向端壁相对于径向平面以非零角度(α)倾斜地延伸，所述径向平面与所述参考轴线(X)正交。

8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，包括围绕所述参考轴线(X)的大致管状的插入件(20)，所述插入件用于插入到所述管道(100)内，所述插入件在内部界定流体所述流动通道(110)，并且在外部与所述管道(100)一起界定包括所述环形隔室(12)的空间(28)。

9.根据前一权利要求所述的谐振器(10)，其中，所述插入件(20)具有管状中间部分(26)和端部，所述端部相应地向所述中间部分(26)会聚(22)和从所述中间部分(26)发散(24)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，包括两个分别轴向封闭所述谐振腔(16)的近端壁(30A)和远端壁(30B)，所述近端壁(30A)和所述远端壁(30B)由相同的连续螺旋壁(32)形成。

11.根据前一权利要求所述的谐振器(10)，其中，所述螺旋壁(32)完成至少一圈。

12.根据权利要求10或11所述的谐振器(10)，其中，所述螺旋壁(32)通过端壁(34、36)在螺旋的缠绕方向上界定封闭的螺旋体积。

13.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，包括多个相邻的环形隔室(12A、12B、12C)，所述多个相邻的环形隔室界定了在轴向方向上形成的多个相邻的谐振腔(16A、16B、16C)，每个所述谐振腔通过至少一个连通孔口(14A、14B、14C)连接到所述流动通道(110)。

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