CN112560305B - 一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法，包括以下步骤：步骤1、测量管道内的噪声频谱图特点，确定噪声峰值所在频段；步骤2、根据所述噪声峰值所在频段，确定内插微穿孔管消声器的传声损失峰值所在的频段；步骤3、确定所述传声损失峰值所在频段对应的微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段；步骤4、确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数，作为所述内插微穿孔管消声器的参数。本发明根据内插微穿孔管消声器需重点降噪的频段，可快速确定微穿孔板吸声结构所需的共振吸声峰，从而提出满足实际工程需要的微穿孔管参数，方便工程师的快速查阅。

Description

一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法

技术领域

本发明涉及带有微穿孔内插管的管道消声器降噪领域，具体来说为一种提供微穿孔管消声器传声损失峰值所在频段与微穿孔板吸声结构共振峰频段的定量关系，进而指导该消声器参数设置的设计方法。

背景技术

微穿孔板吸声结构在上世纪七十年代由马大猷院士提出后，得以快速发展。它由表面穿孔直径达到丝米级的穿孔板以及一定深度的共振腔组成。当声源发出的声音传递到微穿孔板的小孔时，孔径壁对传来的声音产生阻尼和摩擦作用，使传来的声能得到衰减，能量降低，这就是微穿孔板的吸声原理。根据其四个主要参数(穿孔率、孔径、板厚、背腔深度)的不同组合可获得不同的吸声特性以满足不同吸声需求，并具有结构简单、加工安装方便可靠、无需内敷多孔吸声材料等优点。当把微穿孔板卷曲成为一段微穿孔管，并在其外部套上一段同管轴的圆柱外筒，便形成了微穿孔管消声器。它具有耐高温、耐油污、耐腐蚀、结构简单、加工简便等优点，同时可用于高速气流、潮湿的恶劣环境中，因此在建筑和工业的消声中得到了广泛应用。作为管道消声的基础元件，若可根据带有微穿孔内插管的消声器的传声损失所需峰值位置来确定微穿孔板吸声结构的共振吸声峰位置，进而可为指导该消声器的参数设置提供参考。然而目前上述的定量关系尚不明确，也未见对这种消声器设计方法的报道。

CN207864880U公开了一种并联不等深度子背腔微穿孔管消声器，包括微穿孔管、外筒体、前隔板、后隔板和套筒。微穿孔管壁上均布直通微孔，各隔板、套筒、微穿孔管共同形成多个共振腔，拓宽了该消声器的吸声带宽，实现了在较宽频谱范围内，尤其是中高频段具有较好的消声效果；CN103486394A公开了一种穿孔段长度可变的可调频微穿孔管消声器，包括主管道(中间段设有微孔)、套筒活塞、外管道及套筒位置调节装置。外管道、主管道及圆盘围成扩张腔，该扩张腔与主管道的流体通道通过微穿孔相连通，起到消声的作用，套筒位置调节装置驱动套筒活塞在主管道上轴向滑动，调节扩张腔及穿孔管的有效长度，进而调节消声器的消声频率；CN203604153U公开了一种三层串联微穿孔管排气消声器。该消声器结构简单、加工简便、成本低廉，纯金属结构能耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、使用寿命长，在整个频谱范围内尤其是在高频段有很好消声效果，消声量达到15-25dB(A)；CN203549259U公开了一种扩张腔体积可变的可调频微穿孔管消声器，包括主管道、扩张腔侧壁、活塞、活塞连杆及活塞驱动装置。活塞、主管道及扩张腔侧壁围成扩张腔，该扩张腔与主管道的流体通道通过微穿孔连通，活塞驱动装置带动活塞在扩张腔侧壁内上下滑动，调节扩张腔的体积，进而调节消声器的消声频率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种提供微穿孔管消声器传声损失峰值所在频段与微穿孔板吸声结构共振峰频段的定量关系，进而指导该消声器参数设置的设计方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、测量管道内的噪声频谱图特点，确定噪声峰值所在频段；

步骤2、根据所述噪声峰值所在频段，确定内插微穿孔管消声器的传声损失峰值所在的频段；

步骤3、确定所述传声损失峰值所在频段对应的微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段；

步骤4、确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数，作为所述内插微穿孔管消声器的参数。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤3中，根据下式确定所述传声损失峰值所在频段对应的内插微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段：

Freq_α,max＝0.856Freq_TL,max-100

其中，Freq_α,max为微穿孔板吸声结构共振吸声峰所在的频带，单位为Hz；Freq_TL,max为内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频带，单位为Hz。

进一步，所述微穿孔板吸声结构的参数包括板厚t、孔径d、穿孔率σ和背腔深度D。

进一步，所述步骤4中，根据下列公式确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数：

根据所述共振吸声峰所在频段和预先标定的各个频段上的共振吸声峰特性曲线，确定微穿孔板吸声结构的正入射吸声系数；

根据所述正入射吸声系数的计算公式确定可选择的微穿孔板吸声结构的板厚t、孔径d、穿孔率σ和背腔深度D。

进一步，所述正入射吸声系数α的计算公式为：

α＝4Re(Z_p)/{[1+Re(Z_p)]²+[Im(Z_p)]²}

其中，Re(Z_p)和Im(Z_p)分别表示微穿孔板吸声结构的相对声阻抗Z_p的实部和虚部；

相对声阻抗Z_p为：

Z_p＝Z_MPP+Z_C

其中，微穿孔板吸声结构与空气的相对声阻抗Z_MPP为：

Z_MPP＝r+jωm

r＝32ηtk_r/(σρcd²)

k_r＝(1+k²/32)^1/2+kd(2^1/2/32)/t

ωm＝ωtk_m/(σc)

k_m＝1+1/(1+k²/2)^1/2+0.85d/t

其中，r为相对声阻；ω＝2πf为角频率，f为声音的频率；m为相对声质量；k_r和k_m分别为声阻常数和声质量常数；η为黏滞系数；ρ为空气密度，c为空气声速；σ，d和t分别为微穿孔板吸声结构的穿孔率、孔径和板厚；k为穿孔常数，可由下式计算：

k＝d/(f/10)^1/2

板后空腔的相对声阻抗Z_C为：

Z_C＝-jcot(ωD/c)

其中，D为微穿孔板吸声结构的背腔深度，单位为m。

本发明的有益效果是：根据内插微穿孔管消声器需重点降噪的频段，可快速确定微穿孔板吸声结构所需的共振吸声峰，从而提出满足实际工程需要的微穿孔管参数，方便工程师的快速查阅。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法的流程图；

图2为微穿孔板吸声结构示意图；

图3为两种参数组合情况时的微穿孔板吸声结构的吸声特性曲线；

图4为板厚、孔径、穿孔率、背腔深度的不同组合时的微穿孔板吸声结构的窄频带共振吸声的特性曲线；

图5为微穿孔板吸声结构共振吸声峰位于100Hz时对应参数下的消声器有限元仿真；

图6为微穿孔板吸声结构窄频带共振吸声峰所在频带与同参数下的内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在频带的关系的图线；

图7为某管道内测得的噪声频谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

11、测量管道内的噪声频谱图特点，确定噪声峰值所在频段；

12、根据所述噪声峰值所在频段，确定内插微穿孔管消声器的传声损失峰值所在的频段；

13、确定所述传声损失峰值所在频段对应的微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段；

14、确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数，作为所述内插微穿孔管消声器的参数。

具体的，本发明所述的一种内插微穿孔管消声器的设计方法，包括：微穿孔板吸声结构窄频带的多组共振吸声峰特性曲线设计；相同微穿孔板吸声结构参数下的内插微穿孔管消声器传声损失特性曲线研究；相同参数下的微穿孔板吸声结构共振吸声峰值所在频段与内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在频段的图线拟合及回归分析。具体包括以下详细步骤：

步骤1取得微穿孔板吸声结构的正入射吸声系数公式(见式(7))，具体包括：根据马大猷院士提出的微穿孔板吸声结构(见图2)理论，它与空气的相对声阻抗Z_MPP为：

Z_MPP＝r+jωm                      式(1)

r＝32ηtk_r/(σρcd²)，kr＝(1+k²/32)^1/2+kd(2^1/2/32)/t        式(2)

ωm＝ωtk_m/(σc)，k_m＝1+1/(1+k²/2)^1/2+0.85d/t          式(3)

式中，r为相对声阻；ω＝2πf为角频率，f为声音的频率；m为相对声质量；k_r和k_m分别为声阻常数和声质量常数；η为黏滞系数；ρ为空气密度，c为空气声速；σ，d和t分别为微穿孔板吸声结构的穿孔率(单位为％)、孔径(单位为mm)和板厚(单位为mm)；k为穿孔常数，可由下式计算：

k＝d/(f/10)^1/2                      式(4)

板后空腔的相对声阻抗Z_C为：

Z_C＝-jcot(ωD/c)                    式(5)

式中，D为微穿孔板吸声结构的背腔深度，单位为m。

微穿孔板吸声结构的相对声阻抗为：

Z_p＝Z_MPP+Z_C                       式(6)

微穿孔板吸声结构的正入射吸声系数为

α＝4Re(Z_p)/{[1+Re(Z_p)]²+[Im(Z_p)]²}           式(7)

式中，Re(Z_p)和Im(Z_p)分别表示Z_p的实部和虚部。

步骤2确定影响微穿孔板吸声结构的吸声性能的参数为σ、d、t和D，即穿孔率、孔径、板厚和背腔深度，以上四个参数的不同取值组合将对应不同的吸声特性曲线。如图3给出了两种参数组合情况时的微穿孔板吸声结构的吸声特性曲线。

步骤3通过对板厚、孔径、穿孔率、背腔深度四个参数的合理取值，获得多组微穿孔板吸声结构窄频带的共振吸声峰特性曲线。如图4给出了上述四个参数的三种不同组合情况时的窄频带共振吸声的特性曲线，其共振吸声峰分别位于100Hz、390Hz、660Hz。采用相同方法，还可获得在其他频段上的共振吸声峰特性曲线。

步骤4采用商业有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立内插微穿孔管消声器的三维模型，分别把上述共振吸声峰特性曲线对应的参数作为其参数取值，并划分网格、计算、绘制传声损失特性曲线，从而确定内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频段。如图5分别给出了微穿孔板结构共振吸声峰位于100Hz时，对应参数下的消声器三维模型(a)、网格划分(b)、计算结果(c)、传声损失特性曲线(d)。

步骤5计算并确定上述所有共振吸声峰对应参数下的消声器的传声损失峰值所在频带，并记录成表格，记录结果如表1所示。

表1同参数下，微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频段与微穿孔板吸声结构共振吸声峰所在频段记录表

步骤6以“Freq_α,max/Hz”为横坐标，“Freq_TL,max/Hz”为纵坐标，作出表1所对应的散点图(见图6)。

步骤7图6的散点总体上呈直线趋势，即Freq_TL,max与F_reqα,max表现为线性关系，最终线性回归的经验公式为

Freq_α,max＝0.856Freq_TL,max-100              式(8)

式中，以Freq_α,max为微穿孔结构共振吸声峰所在的频带，单位为Hz；Freq_TL,max为内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频带，单位为Hz。

根据微穿孔管消声器需重点降噪的频段，通过经验公式(式8)，可快速确定微穿孔板结构所需的共振吸声峰，从而提出满足实际工程需要的微穿孔管参数，方便工程师的快速查阅。本发明所提出的经验公式(式8)的使用范围为100-2000Hz，涵盖了管道噪声的主要频段，为管道降噪工程提供借鉴。

下面结合附图作进一步的实施方式说明：

步骤1测量管道内的噪声频谱图特点，确定噪声峰值所在频段。如图7所示噪声峰值位于280Hz；

步骤2根据噪声峰值所在频段，确定内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频段。针对图7所示噪声特点，所需消声器的传声损失峰值应位于280Hz；

步骤3根据式(8)，确定该传声峰值所在频段对应的微穿孔板结构的共振吸声峰所在频段。针对图7所示噪声特点，微穿孔板结构共振吸声峰应位于140Hz；

步骤4根据式(7)，确定该微穿孔板结构共振吸声峰下的对应参数，包括板厚、孔径、穿孔率、背腔深度，这4个参数即为内插微穿孔管消声器对应的参数。针对图6所示噪声特点，上述4个参数可选的组合有2mm板厚、1.1mm孔径、0.25％穿孔率、0.1m背腔深度，或1.8mm板厚、1.1mm孔径、0.17％穿孔率、0.08m背腔深度，根据实际工程需要来选择哪个参数组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (1)

1.一种用于管道降噪的内插微穿孔管消声器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、测量管道内的噪声频谱图特点，确定噪声峰值所在频段；

步骤2、根据所述噪声峰值所在频段，确定内插微穿孔管消声器的传声损失峰值所在的频段；

步骤3、确定所述传声损失峰值所在频段对应的微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段；

步骤4、确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数，作为所述内插微穿孔管消声器的参数；

其中所述步骤3中，根据下式确定所述传声损失峰值所在频段对应的内插微穿孔板吸声结构的共振吸声峰所在频段：

Freq_α,max＝0.856Freq_TL,max-100

其中，Freq_α,max为微穿孔板吸声结构共振吸声峰所在的频带，单位为Hz；Freq_TL,max为内插微穿孔管消声器传声损失峰值所在的频带，单位为Hz；

所述步骤4中，根据下列公式确定所述共振吸声峰所在频段下的对应的微穿孔板吸声结构的参数：

根据所述共振吸声峰所在频段和预先标定的各个频段上的共振吸声峰特性曲线，确定微穿孔板吸声结构的正入射吸声系数；

根据所述正入射吸声系数的计算公式确定可选择的微穿孔板吸声结构的板厚t、孔径d、穿孔率σ和背腔深度D；

所述正入射吸声系数α的计算公式为：

α＝4Re(Z_p)/{[1+Re(Z_p)]²+[Im(Z_p)]²}

其中，Re(Z_p)和Im(Z_p)分别表示微穿孔板吸声结构的相对声阻抗Z_p的实部和虚部；

相对声阻抗Z_p为：

Z_p＝Z_MPP+Z_C

其中，微穿孔板吸声结构与空气的相对声阻抗Z_MPP为：

Z_MPP＝r+jωm

r＝32ηtk_r/(σρcd²)

k_r＝(1+k²/32)^1/2+kd(2^1/2/32)/t

ωm＝ωtk_m/(σc)

k_m＝1+1/(1+k²/2)^1/2+0.85d/t

其中，r为相对声阻；ω＝2πf为角频率，f为声音的频率；m为相对声质量；k_r和k_m分别为声阻常数和声质量常数；η为黏滞系数；ρ为空气密度，c为空气声速；σ，d和t分别为微穿孔板吸声结构的穿孔率、孔径和板厚；k为穿孔常数，可由下式计算：

k＝d/(f/10)^1/2

板后空腔的相对声阻抗Z_C为：

Z_C＝-jcot(ωD/c)

其中，D为微穿孔板吸声结构的背腔深度，单位为m。

Images