CN112664744A - 一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器及其调节方法，共鸣器包括主管道、共振腔、与主管道连接并用于采集噪声信号的控制系统和设置在共振腔内与控制系统信号连接的齿轮传动系统；共振腔内设置有用于调节共振频率的第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈，第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈对称设置在共振腔与主管道连通的口部。调节方法为通过主动控制系统输入端嵌入到主管道进气端中，以及输出端与齿轮传动系统连接，基于采集的气体速度调节扩展延伸颈的转动。本发明通过调节第二扩展延伸颈的转动，从而调节扩展延伸颈的结构，不仅可以提高传递损失值，也能增加共振峰的数量，还能拓宽消声频带，达到很好的消声效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗性消声器，具体为一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器及其调节方法。
背景技术
赫姆霍兹共鸣器结构简单，作为一种消声装置被广泛应用于燃烧相关的发动机排气噪声控制当中。作为一种管道旁支消声器，赫姆霍兹共鸣器被用来增加声学噪声传递损失。传统的赫姆霍兹共鸣器通常只有一个共振峰，从而容易导致消声性能容易受到环境因素制约而导致大幅降低，且由于单个共振峰带来的且消声频带较窄的问题，使得在一些应用场合不能与噪声频率相匹配，导致实际应用时有一定限制，因此需要对传统赫姆霍兹共鸣器进行结构优化。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种具有多个共振峰且消声频带较宽的赫姆霍兹共鸣器；本发明的第二目的在于提供上述赫姆霍兹共鸣器的调节方法。
技术方案：本发明所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，包括主管道以及与主管道通过短管连接的共振腔，还包括与主管道连接并用于采集噪声信号的控制系统和设置在共振腔内与控制系统信号连接的齿轮传动系统；所述共振腔内设置有用于调节共振频率的第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈，所述第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈对称设置在共振腔与主管道连通的口部；所述第一扩展延伸颈的一端固定在共振腔的底部，另一端以一定角度向共振腔的腔体内延伸；所述第二扩展延伸颈的一端与齿轮传动系统固定，另一端以一定角度向共振腔的腔体内延伸，第二扩展延伸颈由齿轮传动系统带动向所述第一扩展延伸颈的方向转动。
上述的齿轮传动系统包括太阳轮、行星轮以及太阳轮转动轴杆；所述的行星轮通过移动卡槽固定在共振腔内的底部，所述第二扩展延伸颈的一端与行星轮固定连接；所述太阳轮设置在行星轮的一侧并与行星轮相啮合；太阳轮的中心设置有太阳轮转动轴杆，太阳轮转动轴杆的底部穿过共振腔并与共振腔固定连接。
上述的控制系统包括速度传感器、信号处理器、伺服电机控制器和伺服电机；所述速度传感器嵌入主管道的内壁上，速度传感器的信号输出端与信号处理器的信号输入端连接；所述信号处理器的信号输出端与伺服电机控制器的信号输入端连接；所述伺服电机控制器的信号输出端与伺服电机的信号输入端连接，所述伺服电机的信号输出端与太阳轮转动轴杆连接。
上述的第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈为半圆形的圆弧板，第二扩展延伸颈的横截面直径大于第一扩展延伸颈的横截面直径。可以保证第二扩展延伸颈旋转至第一扩展延伸颈一侧时与第一扩展延伸颈不发生干涉，保证第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈在共振腔内位于同一侧。
进一步的，所述第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈与共振腔内底部的夹角为10～50°，优选为45°；所述第一扩展延伸颈和第二扩展延伸颈的顶部到共振腔内底部的距离占共振腔高度的三分之一至五分之一，优选为四分之一。
本发明还保护一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器的调节方法，包括以下步骤：
步骤一、速度传感器采集主管道内噪音速度值，形成声波信号，并将声波信号发送给信号处理器；
步骤二、信号处理器将声波信号转化为频域脉冲信号，并将频域脉冲信号发送给伺服电机控制器；
步骤三、伺服电机控制器根据频域脉冲信号控制伺服电机正反转，伺服电机通过太阳轮转动轴杆带动太阳轮转动，太阳轮控制安装有第二扩展延伸颈的行星轮转动，通过调节第二扩展延伸颈在共振腔内的位置，调节共振频率进行消声。
进一步的，所述步骤一中，速度传感器以512Hz采样频率采集主管道中噪声气流速度值，形成声波信号。
进一步的，所述步骤三中，伺服电机控制器根据频域脉冲信号控制伺服电机正反转的具体方法为：若当前频域脉冲信号的脉冲个数小于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，伺服电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制全数字式交流伺服电机反转；若当前频域脉冲信号的脉冲个数大于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，伺服电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制伺服电机正转。
进一步的，所述步骤二中，信号处理器将声波信号转化为频域信号，具体的步骤如下：首先，将步骤一中获取的声波信号进行傅里叶变换，形成频域信号；然后在所述频域信号中提取主要噪声频率，形成频域脉冲信号。
工作原理：赫姆霍兹共振器的共振频率公式是：
式中，c是声速，V是共振腔体积，Leff是短管的有效长度，S是短管的截面积。根据公式可知，影响共振频率的因素有共振腔体积、短管的有效长度和短管的截面积等。当共振腔体积与连接短管长保持不变时，不同共振频率对应着不同的噪声气流速度或截面积，此外，不同的共振频率对应着各自不同的传递损失。当共振腔内的第二扩展延伸颈的位置发生变化时，一定程度上可以影响短管的截面积的大小，当右侧的第二扩展延伸颈移动到左侧时，一定程度上增大了截面积，从而提高了共振频率和传递损失，也就是拓宽了消声频带和消声量。当气流流过扩展延伸颈时，与扩展延伸颈产生了摩擦，一定程度上提高了消声性能；再者因为扩展延伸颈的加入，一定程度上影响了气流的流动区域，从而影响了的共振腔体积，第二扩展延伸颈旋转的过程中共振腔的实际体积发生变化，从而可以产生多个不同的频率，因此可以产生不同的共振峰。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过信号处理器对声波信号进行采集处理，变成频域脉冲信号，伺服电机控制器接受频域脉冲信号，从而调节伺服电机的正反转，以控制共振腔内扩展延伸颈的位置，从而提高消声性能。本发明通过使用齿轮传动系统进行对扩展延伸颈的调节，不但可以最大化消声量，而且还可以拓展消声频带，从而拥有更好的消声效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明速度传感器密封安装位置的局部图；
图3为本发明齿轮传动系统安装位置的局部放大图；
图4为本发明齿轮传动系统的结构示意图；
图5为本发明齿轮传动系统的安装之意图；
图6为本发明45°扩展延伸颈位于两侧时，6种不同的流速随着频率变化的传递损失图；
图7为本发明45°扩展延伸颈全部位于左侧时，6种不同的流速随着频率变化的传递损失图；
图8为本发明45°扩展延伸颈全部位于左侧且流速为0.1马赫数时与赫姆霍兹原模型在0.1马赫数时传递损失的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1-5所示，一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，包括主管道1，主管道1内通入噪声气流，在主管道1上安装有速度传感器5，速度传感器5采用上海东太4-20mA型号，嵌入主管道的内壁上，左右两侧用硅胶密封圈固定，作为所述控制系统的输入端；速度传感器5依次与信号处理器6、伺服电机控制器7和伺服电机8信号连接，信号处理器6采用方控SK2011型号，伺服电机控制器7采用和创伺服电机60ST-H型号配套控制器，伺服电机8采用和创伺服电机60ST-H型号。在主管道1上通过短管2连接有共振腔3，共振腔3为方形结构，共振腔3的整体高度为0.2442m，短管2的整体长度和截面积均固定。在共振腔3与主管道1连通的口部设有对称的第一扩展延伸颈103和第二扩展延伸颈102，第一扩展延伸颈103的一端固定在共振腔3的底部，另一端以与共振腔3底部45°的角度向共振腔3的腔体内延伸，第一扩展延伸颈103顶部距离共振腔3底部的垂直距离为0.05m；在共振腔3内的底部设有移动卡槽107，在移动卡槽内安装有行星轮104，行星轮104位于共振腔3与主管道1连通的口部的正上方，第二扩展延伸颈102的一端与行星轮104固定，另一端与共振腔3底部45°的角度向共振腔3的腔体内延伸，行星轮104的一侧设有与其啮合的太阳轮103，太阳轮101的中心设置有太阳轮转动轴杆105，太阳轮转动轴杆105的底部穿过共振腔3并与共振腔3固定连接；伺服电机8的信号输出端与太阳轮转动轴杆105连接。当伺服电机8控制太阳轮转动轴杆105转动时，带动太阳轮101的转动，太阳轮101通过外围齿轮带动行星轮104转动，位于行星轮104上的第二扩展延伸颈102一同向第一扩展延伸颈103的方向转动，第一扩展延伸颈103和第二扩展延伸颈102为半圆形的圆弧板，第二扩展延伸颈102的横截面直径略大于第一扩展延伸颈103的横截面直径，保证第二扩展延伸颈102旋转至第一扩展延伸颈103一侧时与第一扩展延伸颈103不发生干涉。
当噪声气流进入主管道1时，处于进主管道1上游的速度传感器5对噪声气流的速度信号进行采样，速度传感器以512Hz采样频率采集主管道中噪声气流速度值，速度传感器5将采样信号传递给信号放大器，信号放大器将采样信号放大，放大后的信号再经过A/D转换器将放大过的声学速度信号转换成信号处理器6可识别的电信号，信号处理器6对电信号进行分析，计算得出噪声马赫数大小，从而通过伺服电机控制器7控制伺服电机8来调节太阳轮转动轴杆105转动，进而控制太阳轮101和行星轮104进行转动，从而调节第二扩展延伸颈102的位置，从而达到最佳消声效果。
通过comsol5.3a模拟仿真可知，带扩展延伸颈的赫姆霍兹共振器整体消声好于不带延伸颈的赫姆霍兹共振器。参见图6和图7，当扩展延伸颈部位于两侧和左侧时候，其消声效果好于扩展延伸颈位于右侧时。当扩展延伸颈位于两侧时，适用于马赫数为小于0.03的情况，此时传递损失更大且共振频率更高，消声效果更好；当第二扩展延伸颈移动到与第一扩展延伸颈同侧时，适用于马赫数大于0.03的情况，此时传递损失更大且共振频率跟高，消声效果更好。因此，当切向流马赫数较大时，当扩展延伸颈部位于同侧时，其消声效果原好于扩展延伸颈位于两侧时的情况。参见图8，可以发现新型带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共振器在马赫数为0.1的情况下，相比较赫姆霍兹原模型有多个共振峰，且共振频率增加，消声性能表现良好。
Claims (9)
1.一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，包括主管道(1)以及与主管道(1)通过短管(2)连接的共振腔(3)，其特征在于：还包括与主管道(1)连接并用于采集噪声信号的控制系统和设置在共振腔(3)内与控制系统信号连接的齿轮传动系统(4)；所述共振腔(3)内设置有用于调节共振频率的第一扩展延伸颈(103)和第二扩展延伸颈(102)，所述第一扩展延伸颈(103)和第二扩展延伸颈(102)对称设置在共振腔(3)与主管道(1)连通的口部；所述第一扩展延伸颈(103)的一端固定在共振腔(3)的底部，另一端以一定角度向共振腔(3)的腔体内延伸；所述第二扩展延伸颈(102)的一端与齿轮传动系统(4)固定，另一端以一定角度向共振腔(3)的腔体内延伸，第二扩展延伸颈(102)由齿轮传动系统(4)带动向所述第一扩展延伸颈(103)的方向转动。
2.根据权利要求1所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述齿轮传动系统(4)包括太阳轮(101)、行星轮(104)以及太阳轮转动轴杆(105)；所述的行星轮(104)通过移动卡槽(107)固定在共振腔(3)内的底部，所述第二扩展延伸颈(102)的一端与行星轮(104)固定连接；所述太阳轮(101)设置在行星轮(104)的一侧并与行星轮(104)相啮合；太阳轮(101)的中心设置有太阳轮转动轴杆(105)，太阳轮转动轴杆(105)的底部穿过共振腔(3)并与共振腔(3)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述控制系统包括速度传感器(5)、信号处理器(6)、伺服电机控制器(7)和伺服电机(8)；所述速度传感器(5)嵌入主管道(1)的内壁上，速度传感器(5)的信号输出端与信号处理器(6)的信号输入端连接；所述信号处理器(6)的信号输出端与伺服电机控制器(7)的信号输入端连接；所述伺服电机控制器(7)的信号输出端与伺服电机(8)的信号输入端连接，所述伺服电机(8)的信号输出端与太阳轮转动轴杆(105)连接。
4.根据权利要求1所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述的第一扩展延伸颈(103)和第二扩展延伸颈(102)为半圆形的圆弧板，第二扩展延伸颈(102)的横截面直径大于第一扩展延伸颈(103)的横截面直径。
5.根据权利要求4所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述第一扩展延伸颈(103)和第二扩展延伸颈(102)与共振腔(3)内底部的夹角为10～50°。
6.根据权利要求4所述的一种带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述第一扩展延伸颈(103)和第二扩展延伸颈(102)的顶部到共振腔(3)内底部的距离占共振腔高度的三分之一至五分之一。
7.一种权利要求1-3任一项所述的带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、速度传感器(5)采集主管道(1)内噪音速度值，形成声波信号，并将声波信号发送给信号处理器(6)；
步骤二、信号处理器(6)将声波信号转化为频域脉冲信号，并将频域脉冲信号发送给伺服电机控制器(7)；
步骤三、伺服电机控制器(7)根据频域脉冲信号控制伺服电机(8)正反转，伺服电机(8)通过太阳轮转动轴杆(105)带动太阳轮(101)转动，太阳轮(101)控制安装有第二扩展延伸颈(102)的行星轮(104)转动，通过调节第二扩展延伸颈(102)在共振腔(3)内的位置，调节共振频率进行消声。
8.根据权利要求7所述的带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器的调节方法，其特征在于：所述步骤一中，速度传感器(5)以512Hz采样频率采集主管道中噪声气流速度值，形成声波信号。
9.根据权利要求7所述的带可调节扩展延伸颈的赫姆霍兹共鸣器的调节方法，其特征在于：所述步骤三中，伺服电机控制器(7)根据频域脉冲信号控制伺服电机(8)正反转的具体方法为：若当前频域脉冲信号的脉冲个数小于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，伺服电机控制器(7)根据频域脉冲信号的变化控制伺服电机(8)反转；若当前频域脉冲信号的脉冲个数大于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，伺服电机控制器(7)根据频域脉冲信号的变化控制伺服电机(8)正转。
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