CN112069657A - 适用于气流环境下管道声衬设计方法及管道声衬 - Google Patents

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Abstract

适用于气流环境下管道声衬设计方法，包括以下步骤：根据管道内部结构及噪声源特征，获取噪声源噪声频谱信息与管道声模态信息，从而得到噪声源的管道声传播模型；选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率；根据步骤二中计算出的截止频率，结合噪声源的频率特性，选取需要的降噪频率f1….fn，其中降噪频率f1….fn均大于所选取的声模态各自对应的截止频率；根据降噪频率f1….fn进行模块化声衬设计，每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率；计算各模块化声衬的声阻抗以得出各模块化声衬的降噪效果，选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬。本发明还涉及一种管道声衬。

Description

适用于气流环境下管道声衬设计方法及管道声衬
技术领域
本发明涉及适用于气流环境下管道声衬设计方法及管道声衬，属于声衬技术领域。
背景技术
家电、汽车、轨道交通、船舶与飞机等，这些产品都会产生较大的噪声，不少噪声由管道气流产生的，在管道壁面铺设声衬是抑制气流噪声最有效的方法之一。但存在如下问题：
①管道周向与轴向噪声场分布不均匀，导致噪声测点的数目与位置的选取对测试结果的影响很大，同一截面的下的周向噪声最大值与最小值相差高达40dB，轴向距离较近噪声值相差高达20 dB，因此，在评价管道噪声时，布置较少的测点无法准确评价某噪声测试位置/截面的噪声水平。
②一般管道内部只设计某种声衬，所设计的声衬仅与管道某阶声模态匹配较好，即：在该阶声模态下有较好的降噪效果，在其他阶管道声模态下降噪效果较差，从而影响整体的降噪效果。
③所设计声衬的声学结构参数（孔径、板厚、穿孔率与腔深等）单一，有效降噪频带较窄，难以达到宽频的降噪效果。
相关的现有专利文稿有：
1. CN201811081485.6，考虑截面声能量分布的管道降噪方法；
2. CN201510512378.4，一种管道降噪系统及方法；
3. CN201310585710.0，一种声波掠入射条件下声衬声阻抗测量方法；
4. CN201010578891.0，一种背腔穿孔板式机匣处理方法；
5.CN201420057554.0，微波炉用通风管道及微波炉；
6. CN201911130467.7，一种管道多层微穿孔板消声器及其加工方法。
发明内容
本发明提供的适用于气流环境下管道声衬设计方法及管道声衬，可拓宽声衬的有效降噪频段，降噪效果更佳，解决管道内部只设计某种单一声衬导致降噪效果不佳的问题，气流环境下管道声衬的降噪可靠性和有效性更高，解决设计声衬的声学结构参数单一导致有效降噪频带窄的问题，通过对模块化声衬中穿孔板和声腔层的参数设计来调节模块化声衬的降噪频段，可效拓宽模块化声衬的降噪频段，从而根据气流环境下管道的噪声特性和降噪需求，对模块化声衬的降噪频段进行拓展，提高降噪效果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一、根据管道内部结构及噪声源特征，获取噪声源噪声频谱信息与管道声模态信息，从而得到噪声源的管道声传播模型；
二、选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率；
三、根据步骤二中计算出的截止频率，结合噪声源的频率特性，选取需要的降噪频率f1…fn，其中降噪频率f1…fn均大于所选取的声模态各自对应的截止频率；
四、根据降噪频率f1…fn进行模块化声衬设计，每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率；
五、采用流管法测试或者声阻抗预测模型计算各模块化声衬的声阻抗以得出各模块化声衬的降噪效果，选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬。
优选的，所述的步骤二中的“选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态”具体是指：根据步骤一所获取的信息，确定各声模态在管道出口处携带的声能量/声功率，并选取需要进行声衬设计的声模态，所选取的声模态的声能量/声功率之和为管道声传播声功能/声功率总和的80%~90%。
优选的，所选取的声模态中最大声能量/声功率与最小声能量/声功率之差不超过10dB。
优选的，步骤四具体是指根据降噪频率f1…fn，选择对应一个降噪频率的单自由度声衬和/或对应多个降噪频率的多自由度声衬进行模块化声衬设计，单自由度声衬设计为单自由度声衬模块，多自由度声衬设计为多自由度声衬模块，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块将降噪频率f1…fn全部对应。
优选的，单自由度声衬模块包括两层具有穿孔的穿孔板和在两层穿孔板之间的声腔层，多自由度声衬模块包括N+1层穿孔板和在相邻穿孔板之间的声腔层，N为多自由度声衬模块中对应降噪频率数量。
优选的，通过改变穿孔板的厚度、穿孔的数量和直径以及声腔层的厚度来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率。
优选的，管道内气流速度在20m/s以内则声腔层中填充纤维或发泡类吸声材料，或者管道内气流速度大于20m/s则声腔层不进行填充为空气声腔。
优选的，所述的多自由度声衬模块中声腔层的厚度沿声腔层长度方向是变化的，通过设计声腔层的厚度变化来拓宽多自由度声衬模块的有效降噪频带；在所述的穿孔板上通过穿孔直径和穿孔密度的变化来拓宽单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的有效降噪频带。
优选的，步骤五中的“选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬”是指选定降噪效果较优的单自由度声衬模块和/或多自由度声衬模块组合出与管道内壁配合的组合声衬，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的轴向长度相等且单自由度声衬模块和多自由度声衬模块沿周向依次连接形成圆筒形的组合声衬或单自由度声衬模块和多自由度声衬均为圆筒形状且沿轴向依次连接成圆筒形的组合声衬。
采用以上所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法设计的管道声衬，其特征在于所述的管道声衬为多种模块化声衬组合成的组合声衬。
发明的有益效果是：
本发明先得到噪声源的管道声传播模型，然后选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率，再将噪声源的频率特征与计算出的截止频率进行比较，选取频率大于截止频率的降噪频率进行模块化声衬设计使每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率，之后根据降噪效果对比选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬，组合声衬所包括的有效降噪频率多，在多阶声模态下均有较好的降噪效果，可拓宽声衬的有效降噪频段，降噪效果更佳，解决管道内部只设计某种单一声衬导致降噪效果不佳的问题，气流环境下管道声衬的降噪可靠性和有效性更高。
通过改变穿孔板的厚度、穿孔的数量和直径以及声腔层的厚度来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率。多自由度声衬模块中声腔层的厚度沿声腔层长度方向是变化的，通过设计声腔层的厚度变化来拓宽多自由度声衬模块的有效降噪频带，在穿孔板上通过穿孔直径和穿孔密度的变化来拓宽单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的有效降噪频带，解决设计声衬的声学结构参数（孔径、板厚、穿孔率与腔深等）单一导致有效降噪频带窄的问题，通过对模块化声衬中穿孔板和声腔层的参数设计来调节模块化声衬的降噪频段，可效拓宽模块化声衬的降噪频段，从而根据气流环境下管道的噪声特性和降噪需求，对模块化声衬的降噪频段进行拓展，进一步提高降噪效果。
附图说明
图1为多自由度声衬模块的剖层示意图。
图2为另一种多自由度声衬模块的剖层示意图。
图3为单自由度声衬模块的剖层示意图。
图4为穿孔板穿孔直径和穿孔密度变化的示意图。
具体实施方式
下面结合图1~4对本发明的实施例做详细说明。
适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一、根据管道内部结构及噪声源特征，获取噪声源噪声频谱信息与管道声模态信息，从而得到噪声源的管道声传播模型；
二、选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率；
三、根据步骤二中计算出的截止频率，结合噪声源的频率特性，选取需要的降噪频率f1…fn，其中降噪频率f1…fn均大于所选取的声模态各自对应的截止频率；
四、根据降噪频率f1…fn进行模块化声衬设计，每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率；
五、采用流管法测试或者声阻抗预测模型计算各模块化声衬的声阻抗以得出各模块化声衬的降噪效果，选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬。
以上所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法先得到噪声源的管道声传播模型，然后选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率，再将噪声源的频率特征与计算出的截止频率进行比较，因为管道能够阻断低于截止频率的声波在管道中传播，而无法阻止高于截止频率的声波在管道中传播，所以选取频率大于截止频率的降噪频率进行模块化声衬设计使每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率，之后根据降噪效果对比选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬，组合声衬所包括的有效降噪频率多，在多阶声模态下均有较好的降噪效果，可拓宽声衬的有效降噪频段，降噪效果更佳，解决管道内部只设计某种单一声衬导致降噪效果不佳的问题，气流环境下管道声衬的降噪可靠性和有效性更高。
其中，所述的步骤二中的“选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态”具体是指：根据步骤一所获取的信息，确定各声模态在管道出口处携带的声能量/声功率，并选取需要进行声衬设计的声模态，所选取的声模态的声能量/声功率之和为管道声传播声功能/声功率总和的80%~90%。选取几种在管道声传播做功中做功占比大的声模态，对做功占比小的声模态由于传翻功率小可在传翻过程中被声衬有效吸收，因此可剔除不选择。
其中，所选取的声模态中最大声能量/声功率与最小声能量/声功率之差不超过10dB。由于声能量/声功率越大在管道声传播中做功占比就越高，选取声能量/声功率之间不超过10dB，即选取几种声能量/声功率最大的声模态，剔除做功占比小的声模态，即保证设计出的管道声衬在多阶声模态下均有较好的降噪效果，又不造成声衬空间的浪费。
其中，步骤四具体是指根据降噪频率f1…fn，选择对应一个降噪频率的单自由度声衬和/或对应多个降噪频率的多自由度声衬进行模块化声衬设计，单自由度声衬设计为单自由度声衬模块，多自由度声衬设计为多自由度声衬模块，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块将降噪频率f1…fn全部对应。例如：单自由度声衬模块对应一个降噪频率，双自由度声衬模块对应两个降噪频率，三自由度声衬模块对应三个降噪频率，因此单自由度声衬模块加上多自由度声衬模块可将降噪频率f1…fn全部对应，相比于现有技术中单一降噪频率的声衬，由单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的组合可覆盖多种降噪频率，有效提高降噪效果。
其中，单自由度声衬模块包括两层具有穿孔的穿孔板1和在两层穿孔板1之间的声腔层2，多自由度声衬模块包括N+1层穿孔板1和在相邻穿孔板1之间的声腔层2，N为多自由度声衬模块中对应降噪频率数量。如附图1和附图2中均为双自由度声衬模块的剖层图，双自由度声衬模块包括三层穿孔板1，相邻的穿孔板1之间形成声腔层2，因此具有两层声腔层2，可吸收两种降噪频率，附图4中为单自由度声衬模块的剖层图，单自由度声衬模块包括两层穿孔板1，两层穿孔板1之间形成一层声腔层2，可吸收一种降噪频率。
其中，通过改变穿孔板1的厚度、穿孔的数量和直径以及声腔层2的厚度来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率。即通过对穿孔板1和声腔层2的参数调节来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率，保证其可对应相应的降噪频率。
其中，管道内气流速度在20m/s以内则声腔层2中填充纤维或发泡类吸声材料，增大声腔层2的吸声效果，或者管道内气流速度大于20m/s则声腔层2不进行填充为空气声腔，不影响气流速度。
其中，所述的多自由度声衬模块中声腔层2的厚度沿声腔层2长度方向是变化的，通过设计声腔层2的厚度变化来拓宽多自由度声衬模块的有效降噪频带；在所述的穿孔板1上通过穿孔直径和穿孔密度的变化来拓宽单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的有效降噪频带。从附图2可以看出单层声腔层2的厚度是变化的，上层的声腔层左半段厚度小于右半段厚度，下层的声腔层左半段厚度大于右半段厚度，通过单层声腔层的厚度沿声腔层2长度方向的变化，可拓宽降噪频段，使一个模块化声衬对应的降噪频率更宽。从附图4可以看出穿孔板上穿孔的直径和穿孔分布的密度都是变化的，相同可起到拓宽降噪频段的作用。通过改变穿孔板的厚度、穿孔的数量和直径以及声腔层的厚度来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率。多自由度声衬模块中声腔层的厚度沿声腔层长度方向是变化的，通过设计声腔层的厚度变化来拓宽多自由度声衬模块的有效降噪频带，穿孔板上通过穿孔直径和穿孔密度的变化来拓宽单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的有效降噪频带，解决设计声衬的声学结构参数（孔径、板厚、穿孔率与腔深等）单一导致有效降噪频带窄的问题，通过对模块化声衬中穿孔板和声腔层的参数设计来调节模块化声衬的降噪频段，可效拓宽模块化声衬的降噪频段，从而根据气流环境下管道的噪声特性和降噪需求，对模块化声衬的降噪频段进行拓展，进一步提高降噪效果。
其中，步骤五中的“选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬”是指选定降噪效果较优的单自由度声衬模块和/或多自由度声衬模块组合出与管道内壁配合的组合声衬，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的轴向长度相等且单自由度声衬模块和多自由度声衬模块沿周向依次连接形成圆筒形的组合声衬或单自由度声衬模块和多自由度声衬均为圆筒形状且沿轴向依次连接成圆筒形的组合声衬。单自由度声衬模块之间、多自由度声衬模块之间和单自由度声衬模块与多自由度声衬模块之间可周向连接也可轴向连接，以便根据管道的路径、形状来组成组合声衬，提高组合声衬的实用性。
本发明还保护采用以上所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法设计的管道声衬，其特征在于所述的管道声衬为多种模块化声衬组合成的组合声衬。组合声衬所包括的有效降噪频率多，在多阶声模态下均有较好的降噪效果，可拓宽声衬的有效降噪频段，降噪效果更佳，可拓宽声衬的有效降噪频段，降噪效果更佳，解决管道内部只设计某种单一声衬导致降噪效果不佳的问题，气流环境下管道声衬的降噪可靠性和有效性更高，解决设计声衬的声学结构参数单一导致有效降噪频带窄的问题，通过对模块化声衬中穿孔板和声腔层的参数设计来调节模块化声衬的降噪频段，可效拓宽模块化声衬的降噪频段，从而根据气流环境下管道的噪声特性和降噪需求，对模块化声衬的降噪频段进行拓展，提高降噪效果。
以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一、根据管道内部结构及噪声源特征，获取噪声源噪声频谱信息与管道声模态信息，从而得到噪声源的管道声传播模型；
二、选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态，在仿真软件中计算出选取的声模态各自对应的截止频率；
三、根据步骤二中计算出的截止频率，结合噪声源的频率特性，选取需要的降噪频率f1…fn，其中降噪频率f1…fn均大于所选取的声模态各自对应的截止频率；
四、根据降噪频率f1…fn进行模块化声衬设计，每个模块化声衬对应一个或多个降噪频率；
五、采用流管法测试或者声阻抗预测模型计算各模块化声衬的声阻抗以得出各模块化声衬的降噪效果，选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬。
2.根据权利要求1所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于所述的步骤二中的“选取在管道声传播模型中声能量/功能率占比大的几种声模态”具体是指：根据步骤一所获取的信息，确定各声模态在管道出口处携带的声能量/声功率，并选取需要进行声衬设计的声模态，所选取的声模态的声能量/声功率之和为管道声传播声功能/声功率总和的80%~90%。
3.根据权利要求2所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于所选取的声模态中最大声能量/声功率与最小声能量/声功率之差不超过10dB。
4.根据权利要求1所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于步骤四具体是指根据降噪频率f1…fn，选择对应一个降噪频率的单自由度声衬和/或对应多个降噪频率的多自由度声衬进行模块化声衬设计，单自由度声衬设计为单自由度声衬模块，多自由度声衬设计为多自由度声衬模块，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块将降噪频率f1…fn全部对应。
5.根据权利要求4所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于单自由度声衬模块包括两层具有穿孔的穿孔板（1）和在两层穿孔板（1）之间的声腔层（2），多自由度声衬模块包括N+1层穿孔板（1）和在相邻穿孔板（1）之间的声腔层（2），N为多自由度声衬模块中对应降噪频率数量。
6.根据权利要求5所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于通过改变穿孔板（1）的厚度、穿孔的数量和直径以及声腔层（2）的厚度来调节单自由度声衬模块或多自由度声衬模块的降噪频率。
7.根据权利要求5所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于管道内气流速度在20m/s以内则声腔层（2）中填充纤维或发泡类吸声材料，或者管道内气流速度大于20m/s则声腔层（2）不进行填充为空气声腔。
8.根据权利要求5所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于所述的多自由度声衬模块中声腔层（2）的厚度沿声腔层（2）长度方向是变化的，通过设计声腔层（2）的厚度变化来拓宽多自由度声衬模块的有效降噪频带；在所述的穿孔板（1）上通过穿孔直径和穿孔密度的变化来拓宽单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的有效降噪频带。
9.根据权利要求4所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法，其特征在于步骤五中的“选定降噪效果较优的多种模块化声衬组合成组合声衬”是指选定降噪效果较优的单自由度声衬模块和/或多自由度声衬模块组合出与管道内壁配合的组合声衬，单自由度声衬模块和多自由度声衬模块的轴向长度相等且单自由度声衬模块和多自由度声衬模块沿周向依次连接形成圆筒形的组合声衬或单自由度声衬模块和多自由度声衬均为圆筒形状且沿轴向依次连接成圆筒形的组合声衬。
10.采用权利要求1至9任一项所述的适用于气流环境下管道声衬设计方法设计的管道声衬，其特征在于所述的管道声衬为多种模块化声衬组合成的组合声衬。
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