CN112303033A

CN112303033A - 一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器及其消音方法

Info

Publication number: CN112303033A
Application number: CN202011208086.9A
Authority: CN
Inventors: 温华兵; 马正刚; 李玉; 渠浩; 申华
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明公开了一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器及其消音方法，包括中心贯通的圆筒形消音器外壳体，还包括消音器穿孔管和连接法兰，还包括共振腔室隔板；所述消音器外壳体内贯穿连接穿孔管，所述消音器外壳体和穿孔管之间形成套筒结构，腔体内沿轴线垂直方向设置有若干腔室隔板，将内腔体分隔成若干个共振腔室；所述穿孔管上设有数个沿周向排布的若干消声通孔；所述长径比为消音器外壳体的长度与共振腔室外直径之比值。本发明采用内嵌方式安装于通风管道内部或串联方式连接通风管道，采用具有不同共振频率的多个共振腔室串联，可覆盖叶轮机械较宽的转速变化及其特征频率范围，具有长径比小、结构紧凑、消声频带宽、消声量大的特点。

Description

一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器及其消音方法

技术领域

本发明涉及一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器及其消音方法，用于高转速叶轮机械进排气系统，以减小叶轮机械产生的宽频排气噪声，属于减振降噪技术领域。

背景技术

在大型船舶上，主机及其系统是船舶上产生噪声的主要来源，高转速叶轮机械产生的辐射噪声对船舶舱室影响较大，为降低排气噪声，人们采取了诸多措施，其中最简便有效的方式为安装消声器。

经检索，一般高转速叶轮机械进排气消音器多为扩张腔消音器，消声频带较窄、体积大、不易安装等缺点。

经检索，专利号为CN201610523892.2，名称为《一种宽频带多腔共振型进气消音器及其工作方法》的发明专利，公开了一种宽频带多腔共振型进气消音器，消音器外壳体内贯穿连接有穿孔管，内腔体设置有若干腔室隔板，将内腔体分为若干个共振腔室，属于共振型多腔室穿孔消音器，但该专利仍存在诸多不足。

(1)该专利整体消声频带较窄，主要消声范围为450～1000Hz，在450Hz以下及1000Hz以上频率消声效果差，难以有效抑制宽频噪声。

(2)该专利腔室消声通孔总个数为14个，各腔室消声通孔数量较少，共振腔室个数只有3个，数量较少，使得消音器共振腔室共振频率较低，消声频带很窄，只在450-550Hz频段内有消声效果，消音器整体消声量较小，不利于抑制高频和宽频噪声。

(3)该专利设有较长的进口和出口连接管，进出口连接管总长度110mm，使得消音器整体长度增大、体积增大、重量增加，同时占用了部分安装空间。

(4)该专利安装方式单一，只能将消音器进口连接法兰与管道连接，在狭小空间内，安装不方便。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对现有大多数高转速叶轮机械产生的宽频噪声，其进排气消音器存在消声频带较窄、体积大、不易安装等缺点，基于亥姆霍子共振消声原理，提出一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器及其工作方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，包括两端设有连接法兰7的消音器外壳体2，所述消音器外壳体2内贯穿连接有穿孔管3，所述消音器外壳体2和穿孔管3之间设有间隙8形成环形密闭空腔；所述空腔内沿轴向通过隔板分隔成若干个环形共振腔室；所述穿孔管3与环形共振腔室相对应的穿孔管3管壁上开设有若干消声通孔5，所述长径比为消音器外壳体2的长度与共振腔室外直径之比值，取值为(1～2.7)：1。

进一步，所述消音器外壳体2为圆筒形，厚度为4～10mm。

进一步，所述间隙8的宽度为消音器内直径的7％～10％。

进一步，所述共振腔室的个数根据所适配的高速叶轮机械运行工况个数确定，每个运行工况对应一个额定转速，在额定转速下会产生一个主要噪声峰值点，运行工况个数一般为2～5个，共振腔室个数为2～5个。

进一步，所述穿孔管3上消音通孔5的直径大小相同，个数不同，直径为2～8mm，消声通孔5按正方形排列或三角形排列。

进一步，所述各个共振腔室的共振频率为叶轮机械各转速工况下一阶叶频频率，一阶叶频频率由公式(1)计算得出，共振腔室的共振频率设计为每个运行工况下的一阶叶频频率值，

式中，n-旋转机械转速，z-叶片数。

一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器的消音方法，包括以下步骤：

1)声波从消音器进气口1进入，进入消音器内部传播；

2)消音器穿孔管上3开有消声通孔5，消声通孔5中的空气柱类似活塞，具有一定的声质量，密闭空腔类似空气弹簧，空气在消声通孔5中振动与通孔壁面存在着摩擦和阻尼作用，具有一定的声阻；

3)当声波到达第一个共振腔室对应的穿孔管3穿孔管管壁上时，穿孔管3管壁上开有消声通孔5，声波在进入消声通孔5时，声阻抗发生突变，使一部分声波由于反射进入穿孔管3内部流通区域，其他部分通过消声通孔5进入密闭的共振腔室中，由于密闭腔室的摩擦阻尼而转化为热能而散失掉，剩下一小部分声波通过消声通孔5进入穿孔管3内部流通区域继续向前传播，然后通过穿孔管3管壁上的消声通孔5进入其他共振腔室中传播，同样地，一部分声波通过穿孔管3管壁上的消声通孔5进入各共振腔室中传播，其余部分通过穿孔管3内部流通区域向前传播，当声波经过若干共振腔室后，大部分声波能量被耗散，剩下的部分声波继续传播至消音器出口；

4)共振腔消音器具有明确的选择性，当声波频率与共振腔室的共振频率f₀一致时，共振腔室就产生共振，共振腔组成的声振系统的作用最显著，声波衰减最厉害，因此，共振腔消音器在共振频率f₀及其附近有最大的消声量，共振腔消音器只在一个狭窄的频率范围内才有较佳的消声性能，它适合消除在某些频率上带有峰值的噪声；

5)单节共振腔消音器的消声频带较窄，对于宽频噪声的控制，可以将多个单节共振腔消音器串联起来，使各个共振腔消音器的共振频率f₀相互错开，能在较宽的频率范围内获得较大的消声量。

进一步，所述共振腔室的共振频率f₀表示为：

其式中，c为声速，式中，S₀为穿孔管3上单个消声通孔截面积，V为密闭空腔容积，l₀为穿孔管3壁厚，d为穿孔管3上消声通孔的直径。

本发明提出一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，相比现有的一般高转速叶轮机械进排气消音器，其优点在于：

(1)消音器消有效声频带1600-2800Hz，在100-4000Hz频率范围内，传递损失平均值在10dB以上，在噪声源特征频率区间内消声量较大，消声频带宽，能有效抑制高速叶轮产生的宽频噪声；

(2)消音器长径比较小，长径比为(1～2.7)：1，轴向长度200～400mm，且无其他连接管，整体结构紧凑，消音器通过法兰连接与管道连接，安装方便；

(3)消音器整体积为0.003～0.005m³，选用高强度铝合金作为材料时，质量为9～12kg，重量较轻，结构简单，易于加工并实现工程化，能有效抑制宽频噪声，降噪效果明显，应用前景较为广泛；

(4)安装方式有两种，与管道通过法兰直接连接，或者内嵌于管道内部，可根据实际情况设计消音器结构形式和安装方式。

附图说明

图1为本发明的实施实例一结构构造示意图；

图2为本发明的实施实例二结构构造示意图；

图3为实施实例一传递损失变化曲线。

图4为实施实例二传递损失变化曲线。

图1与图2中：1-消音器进气口，2-消音器外壳体，3-穿孔管，4-隔板，5-消声通孔，6-消音器出口，7-连接法兰，8-间隙。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例中，消音器与通风管道串联安装。

本发明实施例一的一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，包括消音器外壳体2，消音器外壳体2与连接法兰7焊接，穿孔管3与消音器外壳体2焊接，消音器外壳体2和穿孔管3之间设有间隙8形成环形密闭空腔，从消音器进气口1至消音器出口6方向，在密闭空腔内沿轴向方向通过隔板4分隔成4个环形共振腔室，自左至右依顺为第一共振腔室，第二共振腔室，第三共振腔室，第四共振腔室；隔板4与穿孔管3以及消音器外壳体2焊接，穿孔管3与各环形共振腔室对应的管壁上开有消声通孔5。

消音器左侧为进气口1，与高转速叶轮机械排气出口连接，右侧为消音器出口6。

本实施例中，穿孔管3内径290mm，消音器总体长度350mm，穿孔管3壁厚4mm，消音器外壳体2壁厚4mm，穿孔管3上消声通孔直径5的直径均为4mm，消音器外壳体2外径350mm；第一共振腔室长度70mm，穿孔率35～55％；第二共振腔室长度78mm，穿孔率15～30％；第三共振腔室长度90mm，穿孔率7～20％；第四共振腔室长度82mm，穿孔率20～40％；隔板4厚度均为2mm，连接法兰7厚度12mm，消音器长径比为(1:1)。

本实施例的工作原理：

1)声波从消音器进气口1进入，进入消音器内部传播；

2)消音器穿孔管上3开有消声通孔，消声通孔5中的空气柱类似活塞，具有一定的声质量，密闭空腔类似空气弹簧，空气在消声通孔5中振动与通孔壁面存在着摩擦和阻尼作用，具有一定的声阻；

3)当声波到达第一个共振腔室对应的穿孔管3穿孔管管壁上时，穿孔管3管壁上开有消声通孔5，声波在进入消声通孔5时，声阻抗发生突变，使一部分声波由于反射进入穿孔管3内部流通区域，其他部分通过消声通孔5进入密闭的共振腔室中，由于密闭腔室的摩擦阻尼而转化为热能而散失掉，剩下一小部分声波通过消声通孔进入穿孔管3内部流通区域继续向前传播，然后通过穿孔管3管壁上的消声通孔5进入其他共振腔室中传播，同样地，一部分声波通过穿孔管3管壁上的消声通孔5进入各共振腔室中传播，其余部分通过穿孔管3内部流通区域向前传播，当声波经过若干共振腔室后，大部分声波能量被耗散，剩下的部分声波继续传播至消音器出口；

共振腔室的共振频率f₀表示为：

本实施例的适用对象为高转速叶轮机械，高转速叶轮机械在不同转速工况下，其噪声频谱特性不同，主要噪声峰值频率对应各工况下的一阶叶频频率，需要消声的噪声频带较宽。

应用有限元仿真评估小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器消声效果，通过专业噪声分析软件计算，得到实施例的传递损失如图3所示，本实施例在1000-3000Hz频率范围内有明显的共振峰值，传递损失明显，有效消声范围1600-2800Hz，消声范围符合主要噪声源频率范围，同时计算得到在100-4000Hz内消音器传递损失平均值为15.68dB，具有较好消声效果。

实施例二

如图2所示，本实施实例中，消音器内嵌于通风管道，通过出口法兰固定，本实施例采用内插式安装，节省空间，安装方便，同时消声量大，能有效抑制高转速叶轮机械产生的宽频噪声。

本发明实施例二的一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，包括消音器外壳体2，消音器外壳体2与接法兰7焊接，穿孔管3与消音器外壳体2焊接，消音器外壳体2和穿孔管3之间设有间隙8形成环形密闭空腔，从消音器进气口1至消音器出口6方向，在密闭空腔内沿轴向方向通过隔板4分隔成4个环形共振腔室，自左至右依顺为第一共振腔室，第二共振腔室，第三共振腔室，第四共振腔室；隔板4与穿孔管3以及消音器外壳体2焊接，穿孔管3与各环形共振腔室对应的管壁上开有消声通孔5。

本实施实例中，穿孔管3内径220mm，消音器总体长度350mm，穿孔管3壁厚4mm，消音器外壳体2壁厚4mm，穿孔管3上消声通孔5的直径均为4mm，消音器外壳体2外直径276mm；第一共振腔室长度80mm，穿孔率25～55％；第二共振腔室长度70mm，穿孔率10～25％；第三共振腔室长度90mm，穿孔率10～35％；第四共振腔室长度82mm，穿孔率22～45％；隔板4厚度均为2mm，连接法兰7厚度12mm，消音器长径比为(2.7：1)。

本实施例的工作原理同实施例一。

应用有限元仿真评估小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器消声效果，通过专业的噪声分析软件计算，得到实施例二的传递损失如图4所示，从图4中可以看出，本实施例在1000-3200Hz频率范围内有明显的共振峰值，传递损失明显，消声范围符合主要噪声源频率范围，同时计算得到在100-4000Hz内消音器的传递损失平均值为10.0dB，大幅抑制了排气噪声。

以上所述的两个实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，包括两端设有连接法兰(7)的消音器外壳体(2)，其特征在于，所述消音器外壳体(2)内贯穿连接有穿孔管(3)，所述消音器外壳体(2)和穿孔管(3)之间设有间隙(8)形成环形密闭空腔；所述空腔内沿轴向通过隔板(4)分隔成若干个环形共振腔室；所述穿孔管(3)与环形共振腔室相对应的管壁上开设有若干消声通孔(5)，所述长径比为消音器外壳体(2)的长度与共振腔室外直径之比值，取值为(1～2.7):1。

2.根据权利要求1所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其特征在于，所述消音器外壳体(2)和穿孔管(3)均为圆筒形，所述间隙(8)的宽度为消音器内直径的7％～10％。

3.根据权利要求1所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其特征在于，所述共振腔室的个数根据所适配的高速叶轮机械运行工况个数确定，每个运行工况对应一个额定转速，在额定转速下会产生一个主要噪声峰值点，运行工况个数一般为2～5个，共振腔室个数为2～5个。

4.根据权利要求1所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其特征在于，所述的消音通孔(5)的直径大小相同，个数不同，消声通孔(5)按正方形排列或三角形排列。

5.根据权利要求1所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其特征在于，各个所述共振腔室的共振频率为叶轮机械各转速工况下一阶叶频频率，一阶叶频频率由公式(1)计算得出，共振腔室的共振频率设计为每个运行工况下的一阶叶频频率值，

式中，n-旋转机械转速，z-叶片数。

6.根据权利要求4所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其特征在于，的消声通孔(5)的直径为2～8mm。

7.一种根据权利要求书1-6任一项所述的一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器的消音方法，其特征在于，内容和步骤如下：

1)声波从消音器进气口(1)进入，进入消音器内部传播；

2)消音器穿孔管上(3)的消声通孔(5)中的空气柱类似活塞，具有一定的声质量，密闭空腔类似空气弹簧，空气在消声通孔(5)中振动与通孔壁面存在着摩擦和阻尼作用，具有一定的声阻；

3)当声波到达第一个共振腔室对应的穿孔管(3)穿孔管管壁上时，穿孔管(3)管壁上的消声通孔(5)，声波在进入消声通孔(5)时，声阻抗发生突变，使一部分声波由于反射进入穿孔管(3)内部流通区域，其他部分通过消声通孔(5)进入密闭的共振腔室中，由于密闭腔室的摩擦阻尼而转化为热能而散失掉，剩下一小部分声波通过消声通孔进入穿孔管(3)内部流通区域继续向前传播，然后通过穿孔管(3)管壁上的消声通孔(5)进入其他共振腔室中传播，同样地，一部分声波通过穿孔管(3)管壁上的消声通孔(5)进入各共振腔室中传播，其余部分通过穿孔管(3)内部流通区域向前传播，当声波经过若干共振腔室后，大部分声波能量被耗散，剩下的部分声波继续传播至消音器出口；

8.根据权利要求7所述的小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器的消音方法，其特征还在于，所述共振腔室的共振频率f₀表示为：

其式中，c为声速，式中，S₀为穿孔管(3)上单个消声通孔截面积，V为密闭空腔容积，l₀为穿孔管(3)壁厚，d为穿孔管(3)上消声通孔的直径。