CN112212497A - 一种超宽带通风消声器 - Google Patents

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张辉
沈浪
倪中华
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Abstract

一种超宽带通风消声器，由若干周期排列的消声单元所组成，每个消声单元包括相互连接的微穿孔板层和复合波导层，微穿孔板层上排布有若干上下贯穿的通孔，复合波导层由声主波导和亥姆霍兹腔组成，声主波导为一贯穿复合波导层的声波通道，亥姆霍兹腔设置在复合波导层内，声主波导和亥姆霍兹腔之间相连通。通过设计不同的结构参数将微穿孔板与复合波导的消声频带组合起来使得结构突破原有的窄带问题，同时由于结构是互相连通的两者之间存在的耦合效果能大大提升结构的消声量与带宽，该耦合效应主要是在低频体现，实现在100‑2000Hz范围内对噪声的有效抑制，且结构是连通的，在需要通风透气的场合也可以正常工作。

Description

一种超宽带通风消声器
技术领域
本发明涉及噪声控制技术领域，尤其涉及一种超宽带通风消声器。
背景技术
在生产力蓬勃发展的今天,越来越多的大型、重型设备被运用到了生产生活中，例如柴油发电机组机和一些重型的施工机器等等，由此带来的环境噪声污染也日趋严重。中高频噪声波长短，在空气中衰减较快，即使不采取措施也难以远距离传播，但生产生活中产生的噪声多为多种低频噪声，由于低频噪声波长较长,在介质中传播时难以衰减，使得对于低频噪声的防治一直都是噪声防治领域的重点和难点，也是声学研究领域的热点。现有技术中，使用传统隔声材料难以对低频噪声实施有效的控制，难以满足实际的需求。近年来，声学超材料和声子晶体的出现为解决低频噪声控制问题提供了新途径，但能实现低频宽带噪声抑制的结构依然少之又少。主要问题在于：1、要控制低频噪声往往需要较大的结构尺寸才能实现，而实际应用的需求又要求结构尺寸不能过大。2、为了实现低频宽带消声要求采用多级消声结构，结构之间存在的耦合会很大程度上影响消声效果。3、难以满足消声器具备通风散热的要求。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种可以在保证通风散热的基础上同时实现高、低频噪声宽带消声的超宽带通风消声器。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种超宽带通风消声器，由若干周期排列的消声单元所组成，其特征在于：每个消声单元包括相互连接的微穿孔板层和复合波导层，所述微穿孔板层上排布有若干上下贯穿的通孔，所述复合波导层由声主波导和亥姆霍兹腔组成，所述声主波导为一贯穿复合波导层的声波通道，所述亥姆霍兹腔设置在复合波导层内，声主波导和亥姆霍兹腔之间相连通。
进一步的，在所述复合波导层中设置有喉管，所述声主波导和亥姆霍兹腔之间通过所述喉管相连通。
进一步的，在所述微穿孔板层和复合波导层之间耦合有一背腔，所述通孔与声主波导均与所述背腔连通。
进一步的，所述亥姆霍兹腔的长度小于声主波导的长度。
进一步的，所述背腔的横截面积大于通孔和声主波导的横截面积。
进一步的，所述微穿孔板层、复合波导层和背腔为一体式结构或相互连接的分体式结构。
进一步的，所述消声单元的数量为4个。
进一步的，所述消声单元的材质为金属、非金属或复合材料。
进一步的，所述消声单元为立方体结构，所述通孔为圆形，所述声主波导为圆柱体结构，所述亥姆霍兹腔为立方体腔。
进一步的，所述消声单元的底面边长为72mm，所述微穿孔板的高度为1mm，所述通孔直径为0.4mm，填充比为2.8％，所述背腔的高度为19mm，所述复合波导的高度为70mm，所述声主波导的底面直径为6mm，所述喉管长度为8mm，所述亥姆霍兹腔的长、宽、高分别为30mm、18mm、50mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、每个消声单元由微穿孔板层和复合波导层相互耦合组成，通过设计不同的结构参数将微穿孔板与复合波导的消声频带组合起来使得结构突破原有的窄带问题，同时由于结构是互相连通的两者之间存在的耦合效果能大大提升结构的消声量与带宽，实现了100～2000Hz范围噪声的宽频消声；2、微穿孔板上的通孔和声主波导是相互连通的，使得该消声器在满足宽频消声的同时也可以通风透气，实现在需要空气流通的地方使用；3、微穿孔板层和复合波导层之间设置的背腔，利用微穿孔板与复合波导结构各自的消声特点并通过背腔将其联系起来，重要的是通过设计不同的结构参数将微穿孔板与复合波导的消声频带组合起来使得结构突破原有的窄带问题，同时由于结构是互相连通的两者之间存在的耦合效果能大大提升结构的消声量与带宽。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明消声单元内部结构示意图；
图3为本发明复合波导剖视图；
图4为本发明声-电的类比法电路图；
图5为本发明实施例消声结构表面法向声阻抗与声频率关系图；
图6为本发明实施例消声结构消声量与声频率关系图。
其中：1-微穿孔板层；2-复合波导层；3-背腔；11-通孔；21-声主波导；22-亥姆霍兹腔；23-喉管；a-消声单元底面边长；h1-微穿孔板层高度；h2-背腔高度；h3-复合波导高度；r1-通孔直径；r2-声主波导直径；l1-喉管长度；a2-亥姆霍兹腔长度；b2-亥姆霍兹腔宽度；c2-亥姆霍兹腔高度。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1-3示出了一种超宽带通风消声器，由若干周期排列的消声单元所组成，每个消声单元包括相互连接的微穿孔板层1和复合波导层2，微穿孔板层1上排布有若干上下贯穿的通孔11，复合波导层2由声主波导21和亥姆霍兹腔22组成，声主波导21贯穿复合波导层2，亥姆霍兹腔22设置在复合波导层2内，声主波导21和亥姆霍兹腔22之间相连通。
作为本发明的具体实施方式，优选的，该消声器由两行两列共四个消声单元所组成，采用铝合金作为基体材料；在复合波导层2中设置有喉管23，声主波导21和亥姆霍兹腔22之间通过喉管23相连通；在微穿孔板层1和复合波导层2之间耦合有一背腔3，通孔11与声主波导21均与背腔3连通；其中，每一个消声单元均为长方体结构，底面边长a＝72mm，高h＝90mm，其中微穿孔板层1、背腔3和复合波导层2的高分别为h1＝1mm，h2＝19mm和h3＝70mm；微穿孔板层1上通孔11为圆形，直径r1＝0.4mm，填充比σ＝2.8％；声主波导21为直径r2＝6mm的圆柱形结构，喉管23长度为l1＝8mm，亥姆霍兹腔22的长、宽、高分别为：a2＝30mm、b2＝18mm、c2＝50mm。
声波从消声单元微穿孔板层1的一侧进入，依次通过微穿孔板层1上的通孔11、背腔3和复合波导层2的声主波导21到达透射区。该消声结构的消声量
Figure BDA0002709147910000031
其中
Figure BDA0002709147910000032
tI表示消声结构的声强透射系数，
Figure BDA0002709147910000033
D为消声结构的宽度，f表示入射声波的频率，Z＝ρ0c0表示空气的特性阻抗，Z0表示消声结构的阻抗，其中：ρ0＝1.21kg/m3，c0＝343m/s分别表示空气密度和空气中的声速度，由此我们可以得到消声结构的消声量TL与结构参数和耦合效应之间的关系。根据图4中的声-电类比法我们可以得到结构的声阻抗和各个结构参数之间的关系满足P0＝P1+P2，其中P0表示总声压，P1表示微穿孔板层声压，P2表示复合波导层声压，则消声结构的阻抗Z0满足：Z0＝Z1+Z2，其中：Z1表示微穿孔板层的声阻抗，Z2表示复合波导层的声阻抗。根据微穿孔板的马氏理论和声-电类比关系我们可以计算出Z1和Z2为：Z1＝R1+jXL1-jXC1，
Figure BDA0002709147910000034
其中：XL＝2πfL，
Figure BDA0002709147910000035
R表示电阻，类比于声学中的声阻，L表示电感，类比于声学中声质量，C表示电容，类比于声学中的声容，j是虚数单位。利用声-电类比法可以得到：L＝ρl/A2，
Figure BDA0002709147910000036
其中V0表示亥姆霍兹腔体的体积，由此可以得到消声量TL和各个消声结参数之间的关系。图6中显示本实施例中消声结构对各个频率噪声的消声量，在100-2000Hz范围内均能达到良好的消声效果。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带通风消声器，由若干周期排列的消声单元所组成，其特征在于：每个消声单元包括相互连接的微穿孔板层(1)和复合波导层(2)，所述微穿孔板层(1)上排布有若干上下贯穿的通孔(11)，所述复合波导层(2)由声主波导(21)和亥姆霍兹腔(22)组成，所述声主波导(21)为一贯穿复合波导层(2)的声波通道，所述亥姆霍兹腔(22)设置在复合波导层(2)内，声主波导(21)和亥姆霍兹腔(22)之间相连通。
2.根据权利要求1所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：在所述复合波导层(2)中设置有喉管(23)，所述声主波导(21)和亥姆霍兹腔(22)之间通过所述喉管(23)相连通。
3.根据权利要求2所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：在所述微穿孔板层(1)和复合波导层(2)之间耦合有一背腔(3)，所述通孔(11)与声主波导(21)均与所述背腔(3)连通。
4.根据权利要求3所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述亥姆霍兹腔(22)的长度小于声主波导(21)的长度。
5.根据权利要求4所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述背腔(3)的横截面积大于通孔(11)和声主波导(21)的横截面积。
6.根据权利要求5所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述微穿孔板层(1)、复合波导层(2)和背腔(3)为一体式结构或相互连接的分体式结构。
7.根据权利要求6所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述消声单元的数量为4个。
8.根据权利要求7所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述消声单元的材质为金属、非金属或复合材料。
9.根据权利要求8所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述消声单元为立方体结构，所述通孔(11)为圆形，所述声主波导(21)为圆柱体结构，所述亥姆霍兹腔(22)为立方体腔。
10.根据权利要求9所述一种超宽带通风消声器，其特征在于：所述消声单元的底面边长为72mm，所述微穿孔板(1)的高度为1mm，所述通孔(11)直径为0.4mm，填充比为2.8，所述背腔(3)的高度为19mm，所述复合波导(2)的高度为70mm，所述声主波导(21)的底面直径为6mm，所述喉管(23)长度为8mm，所述亥姆霍兹腔(22)的长、宽、高分别为30mm、18mm、50mm。
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