CN111899707A - 一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，包括进气管段，所述进气管段的一端设有带进气孔的可移动活塞，另一端设有排气口，所述的进气管段内沿进气方向依次布置进气上游孔板和进气下游孔板，进气上游孔板和进气下游孔板阵列地布置有微孔；所述可移动活塞与进气上游孔板间为可调深度的一级空腔，进气上游孔板与进气下游孔板间为二级空腔，两级空腔形成腔内吸声结构。本发明中，偏流下的孔板相比无流下的孔板吸声性能得到明显提升；双层穿孔板的使用拓宽了吸声频带，可用于消除燃烧器内因燃烧不稳定产生的噪声，提高设备的使用寿命及安全性。

Description

一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置
技术领域
本发明涉及基于多孔吸声的噪声控制领域，尤其是涉及一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置。
背景技术
研究和控制辐射噪声是减弱环境噪声，保护生产设备稳定运行的迫切需求。贫预混燃烧的燃机、航空燃机、油气锅炉及易因燃烧不稳定产生燃烧噪声，这些源于热声耦合而自激发的噪声会导致燃烧系统振动，控制系统失效，燃烧设备损坏或使用寿命降低。燃烧器进气段的压力波动对燃烧不稳定的自激发和维持有重要影响。
我国著名声学专家马大猷对无流的微穿孔板进行过细致的研究。穿孔板装置不惧高温潮湿的环境，经久耐用。与多孔性吸声纤维相比，其生产制作过程无毒害。然而普通单层穿孔板的吸声性能和吸声频带都很有限，当穿孔板的小孔孔径、孔隙率、板厚、背腔深度等结构参数确定时，吸声装置的中心频率、吸声特性也随之确定。
为了拓宽穿孔板的有效吸声频带，主流做法是使用串联、并联或串并联结构的复合穿孔板，特别是使用多层结构的穿孔板组合。然而吸声频带被拓宽后，穿孔板吸声体的吸声系数明显下降。近年的国际研究表明，掠流(grazing flow)或偏流(bias flow)经过的孔板或衬管的吸声性能会比无流的提升很多，然而还没有偏流多层穿孔板消声器的研究出现。此外，以往的穿孔板腔深通常是不可调节的，因而消声装置的有效工作频段往往是固定的，当待吸声设备(如燃烧器)的噪声频率与消声器的有效工作频段不匹配时，穿孔板吸声器的实际消声效果会下降。
检索发现，目前噪声控制专业文献和教科书上关于燃烧噪声控制，仅有复合无流穿孔板或掠流多层衬管的先例，如公开号为CN 110998187 A和CN 107420170 A的专利申请文件，这些控制方法过于简单，吸声能力和吸声工作频带都很有限，并且由于背腔深度是固定的，吸声体的吸声特性往往是固定的，很难适应实际应用。目前，未见有可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，目前多孔板有效吸声频带窄，吸声频带不可针对入射噪声声波特征调节，无流多孔板吸声器吸声性能差。
为实现上述的发明目的，本申请提供一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声方法及装置，优化穿孔板吸声器的吸声系数并拓展其有效吸声频带，具体采用的技术方案如下；
一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，包括进气管段，所述进气管段的一端设有带进气孔的可移动活塞，另一端设有排气口；
所述的进气管段内沿进气方向依次布置进气上游孔板和进气下游孔板，进气上游孔板和进气下游孔板阵列地布置有微孔；
所述可移动活塞与进气上游孔板间为可调深度的一级空腔，进气上游孔板与进气下游孔板间为二级空腔，两级空腔形成腔内吸声结构。
本申请中，空气经过可移动活塞头部的进气孔进入吸声体，依次通过进气上游孔板和进气下游孔板，最终进入待吸声设备(如燃机燃烧室或炉膛)。
作为优选的，所述进气上游孔板和进气下游孔板的微孔呈方形矩阵分布，微孔的孔半径a为0.5-1mm，孔中心距d为5-10mm，孔隙率σ为2-5％。
进一步优选的，进气上游孔板的微孔半径大于所述进气下游孔板的微孔半径。
作为优选的，所述进气上游孔板和进气下游孔板的材质为黄铜或不锈钢，板厚h为1mm-2mm。
作为优选的，所述一级空腔的深度为0.05-0.5m，通过可移动活塞的移动调节深度；所述二级空腔深度为0.05-0.5m。
作为优选的，通入所述进气管段内的气体为空气，温度不超过100℃，且相对湿度不超过70％。
本申请中，进气上游孔板和进气下游孔板矩形阵列地布满圆形微孔，根据孔板的小孔孔径a和板厚h得到每块板的斯特劳哈尔数St＝ωl/uc，ω为入射声的角频率，由待吸声设备产生的噪声本身决定，l为有效孔板厚度。uc为声对流速度，计算时可近似地用声偏流速度up代替，也即小孔处的平均流速。
计算进气上游孔板和进气下游孔板在偏流下的瑞利声导率
Figure BDA0002564203880000031
K为无流下的孔板瑞利声导率，i为虚数单位，Cc为收缩率，其值为声对流速度uc与小孔处射流速度比值uj的算术平方根，根据Cummings的推荐，取经验值0.75。
计算进气上游穿孔板处的亥姆霍兹数He1＝kL1，k为入射声波的波数，L1为一级空腔深度。
本申请中，作为进一步优选的，进气上游孔板处的表面声特性声阻抗为
Figure BDA0002564203880000032
d1为进气上游孔板的孔中心距，KR1为进气上游孔板的瑞利声导率。同理得到进气下游穿孔板处的表面特性声阻抗为
Figure BDA0002564203880000033
d2为进气下游穿孔板的孔中心距，KR2为进气下游穿孔板的瑞利声导率，He2＝kL2为进气下游穿孔板的亥姆霍兹数，L2为二级空腔的深度。
整个吸声装置的声反射系数为
Figure BDA0002564203880000034
|R|和
Figure BDA0002564203880000035
为声反射系数的模量和相位。偏流双层多孔板的吸声系数为α＝1-|R|2。
本申请中，根据偏流双层多孔板的计算公式可以得到可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置的吸声特性曲线。根据预测结果和实际待吸声设备(如燃烧室)产生的实际辐射噪声频率选取合适的进气上游孔板、进气下游孔板和一级空腔深度。优先选用以下穿孔板小孔半径：0.5mm、1mm。孔板优先使用黄铜材质，钻铣或激光打孔。优先选用以下穿孔板孔隙率：2％-5％。穿孔板的板厚度为1-2mm。优先选用以下二级空腔的深度：0.05-0.50m，根据计算优化一级空腔深度使吸声器对目标频率(即待消声设备产生的入射声频率)的吸声系数达到最大。
通过声阻抗管对偏流双层多孔板吸声装置的吸声特性进行测量，包括：测量声反射系数随入射声频率变化规律的扫频实验、测量声反射系数随入射声强度变化规律的变声强实验、测量声反射系数随一级空腔深度变化规律的变腔深实验、测量声反射系数随偏流速度变化规律的变风量实验。
通过实验进一步优化实际孔板的结构参数，选取更加合适的小孔孔径、孔间距，提高吸声体的吸声效果。并通过调节活塞行程改变一级空腔深度，进而改变吸声装置的有效吸声频段。
在上述装置中，进入吸声体的空气应保持干燥，相对湿度不超过70％。温度不能过高(不超过100℃)以免热膨胀导致活塞不能前进或后退。同时需要用油定期润滑、密封活塞与管内壁缝隙。
在上述装置中，孔板孔隙率σ不能超过10％，否则需要考虑孔间相互作用。孔板厚度不宜超过5mm，因为计算是基于薄板的。实际噪声控制效果必须通过实验确定，因为计算模型是基于线性声学理论的，如果入射声的声压级超过130dB需要考虑非线性声学效应。
本申请提出的偏流多孔板吸声原理是来流通过小孔时将入射声能以涡脱落的形式转化为湍动能，或者是以来流与孔壁摩擦的形式转化热能，从而达到消声的目的。与传统多孔吸声材料如金属泡沫、玻璃纤维相比，多孔板吸声结构不受材料制约，易于加工制造。与传统无流多孔板相比，偏流多孔板的吸声效果更好，多层板的吸声频带比单层板的更宽。将偏流双层多孔板安装在燃烧器进气段，可以有效地消除燃烧不稳定引起的辐射噪声，保证设备安全运行。
本发明的有益效果是：
利用偏流改善了双层多孔板的吸声效果(即提高了吸声系数)，利用双层板解决了单层板有效吸声频带窄的问题，利用可调背腔的活塞使吸声器吸声频段可以根据实际条件进行调节；
可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置可以安装于燃烧器的集气室处，通过调节上游声学边界条件，使进气段的压力波动得到充分抑制，切断噪声传播，从而达到稳定燃烧，提高设备运行安全性的目的。
附图说明
图1为可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置的示意图；
图2为利用偏流声阻抗管测量穿孔板吸声系数示意图；
图3为偏流双层多孔板吸声装置的穿孔板试样示意图；
图4为吸声体声反射系数理论值与实测结果对比；其中A图表示声反射系数模量|R|随入射声频率的变化，B图表示声反射系数相位
Figure BDA0002564203880000051
随入射声频率的变化；
图中：1-进气上游孔板；2-进气下游孔板；3-进气管段；4-二级空腔；5-一级空腔；6-活塞头部的进气管；7-带进气孔的可移动活塞；8-动态压力传感器；9-阻抗管；10-排气口；11-喇叭。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1和图2，本实施例中的偏流双层多孔板吸声装置，包括进气管段3，进气管段3的一端设有带进气孔的可移动活塞7，另一端设有排气口10。进气管段3内沿进气方向依次布置进气上游孔板1和进气下游孔板2，且进气上游孔板1和进气下游孔板2阵列地布置有微孔。可移动活塞7与进气上游孔板1间为可调深度的一级空腔5，进气上游孔板1与进气下游孔板2间为二级空腔4，两级空腔形成腔内吸声结构。空气经过可移动活塞7头部的进气孔进入吸声体，依次通过进气上游孔板1和进气下游孔板2，最终进入待吸声设备(如燃机燃烧室或炉膛)。
本实施例中，进气上游穿孔板1、进气下游穿孔板2和进气管段3的横截面为圆形，其中一穿孔板的结构如图3所示，微孔呈方形矩阵分布，微孔的孔半径a为0.5-1mm，孔中心距d为5-10mm，孔隙率σ为2-5％
可移动活塞7为不锈钢材质，带有嵌入活塞槽沟内部的活塞环，并使用润滑油填充可移动活塞7与进气管段3内壁之间的气隙。一级空腔5深度一般取0.05-0.5m，二级空腔4深度一般取0.05-0.5m。二级空腔4深度通常不能在吸声装置装配后调节，一级空腔5深度可通过扭动端部可移动活塞7的羊角螺钉进行调节，活塞沿气流方向前进或后退，一级空腔的深度相应减小或增长，从而达到调节吸声频率区间的目的。
本实施例针对不同孔径，相同孔隙率的双穿孔板组合，测定在最优偏流速率下的声反射系数随入射声频的变化规律，并对本申请的具体实施情况进行说明。
假定入射声频率为160Hz。所配置的双穿孔板包括板厚进气上游孔板和进气下游孔板，板厚h均为1.00mm，孔隙率σ均为3.14％，对应双板最优偏流速率up为6.92m/s。进气上游孔板小孔半径a为1.00mm，孔间距d为9.40mm；进气下游孔板小孔半径a为0.50mm，孔间距d为4.70mm。一级腔深0.150mm，二级腔深0.357mm。
两个穿孔板被安装在图2所示的阻抗管中进行声学测试，阻抗管的左侧为带可调背腔的偏流双层多孔板吸声装置，右侧为由功率放大器(YAMAHA P 5000S)驱动的喇叭。阻抗管长1015mm，第一声截止频率为1490Hz。进气上游孔板、进气下游孔板和喇叭分别安装在x＝0mm,L2＝357mm和L5＝1372mm处。空气通过活塞头部的进气孔进入阻抗管，并最终由排气口排出。喇叭的激励声幅值和频率由数字信号发生器(GWINSTEKAFG-2105)调节。M1、M2用于插入动态压力传感器(CYG type 1406)以测量阻抗管特定位置处的声压。声压信号通过多通道数字采集卡(NI,USB6210)送入PC端运行的Labview进行数据预处理和保存。采样时间为5s，采样频率为20kHz。
偏流双层多孔板的声反射系数利用双传声器传递函数法和传感器互换技术测得。双传声器传递函数法即使通过M1、M2的动态压力时序数据获得这两个压力测点的声传递函数，具体可参考国标文件：GB T 18696.2-2002。传感器互换技术即是测得声传递函数后交换传声器位置再次测量，最终取两次测试结果乘积的算术平方根值作为最终的声传递函数值H12。测量进气温度并考虑气体常数可以得到平均声速c0，则据图2，偏流双层多孔板的声特性阻抗根据下式计算：
Figure BDA0002564203880000071
式中，ζ为测定的特性声阻抗，H12为声传递函数，ω为声波角频率，c0为平均声速，L3为传声器M1到上游穿孔板的距离，L4为传声器M2到上游穿孔板的距离，L2为两个穿孔板的间距。i为虚数单位。
获得实测偏流双层多孔板的声特性阻抗，根据下式得到声反射系数：
Figure BDA0002564203880000072
根据实测声反射系数可以进一步得到吸声系数：
α＝1-|R|2
图4为吸声体声反射系数理论值与实测结果对比；其中A图表示声反射系数模量|R|随入射声频率的变化，B图表示声反射系数相位
Figure BDA0002564203880000073
随入射声频率的变化。随着频率的增加声反射系数模量先下降后增加，在150-160Hz附近及315-325Hz附近分别存在一个主峰和二次吸收峰。声反射系数在主峰150-160Hz附近达到最小值，此时声反射系数模量小于0.1，这意味着声吸收系数大于0.99，即99％的入射声能被可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置有效地吸收了。
同时由图4可见，声反射系数模量和相位的计算结果与实测值匹配得较好，并且吸声频带较宽，250-450Hz的入射声仍能被有效吸收，声反射系数均不超过0.5，即即使不通过活塞调节一级空腔深度，75％的声能被有效地吸收了。
为了使可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置的实际实用性更强，可以预先用声音或压力测量设备诊断待消声设备的主频率，并通过计算程序确定最优的一级、二级空腔深度。实际安装吸声装置时还可以通过调节活塞行程改变一级空腔深度，进一步优化对目标频率的吸声效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，包括进气管段(3)，所述进气管段(3)的一端设有带进气孔的可移动活塞(7)，另一端设有排气口(10)，其特征在于：
所述的进气管段(3)内沿进气方向依次布置进气上游孔板(1)和进气下游孔板(2)，进气上游孔板(1)和进气下游孔板(2)阵列地布置有微孔；
所述可移动活塞(7)与进气上游孔板(1)间为可调深度的一级空腔(5)，进气上游孔板(1)与进气下游孔板(2)间为二级空腔(4)，两级空腔形成腔内吸声结构。
2.如权利要求1所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，所述进气上游孔板(1)和进气下游孔板(2)的微孔呈方形矩阵分布，微孔的孔半径a为0.5-1mm，孔中心距d为5-10mm，孔隙率σ为2-5％。
3.如权利要求2所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，进气上游孔板(1)的微孔半径大于所述进气下游孔板(2)的微孔半径。
4.如权利要求1所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，所述进气上游孔板(1)和进气下游孔板(2)的材质为黄铜或不锈钢，板厚h为1mm-2mm。
5.如权利要求1所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，所述一级空腔(5)的深度为0.05-0.5m，通过可移动活塞(7)的移动调节深度；所述二级空腔(4)深度为0.05-0.5m。
6.如权利要求1所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，通入所述进气管段(3)内的气体为空气，温度不超过100℃，且相对湿度不超过70％。
7.如权利要求1所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，所述的进气上游孔板(1)处的表面特性声阻抗为
Figure FDA0002564203870000021
k为入射声波的波数，d1为进气上游孔板(1)的孔中心距，KR1为进气上游孔板(1)的瑞利声导率，He1为进气上游孔板(1)的亥姆霍兹数。
8.如权利要求7所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，所述进气下游孔板(2)处的表面特性声阻抗为
Figure FDA0002564203870000022
d2为进气下游孔板(2)的孔中心距，KR2为进气下游孔板(2)的瑞利声导率，He2为进气下游孔板(2)的亥姆霍兹数。
9.如权利要求8所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，整个吸声装置的声反射系数为
Figure FDA0002564203870000023
|R|和
Figure FDA0002564203870000024
为声反射系数的模量和相位。
10.如权利要求9所述的可调背腔深度的偏流双层多孔板吸声装置，其特征在于，双层多孔板的吸声系数为α＝1-|R|2。
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