CN112687255A - 一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，包括主管道，与主管道连接并用于采集声学信号的控制系统，设置在控制系统一侧与主管道连接并用于消声的消声组件以及设置在消声组件外与控制系统信号连接并用于控制消声组件沿主管道移动的齿轮齿板传动系统；消声组件由若干赫姆霍兹工作器并列设置组成，赫姆霍兹工作器包括共振腔以及与用于与主管道连接的颈部，主管道上设置有与颈部对应连接的消声孔；赫姆霍兹工作器的共振腔内设有用于调节阻尼频率的刚性挡板。本发明通过齿轮的转动从而移动并列式赫姆霍兹共鸣器，不但大幅提高了消声效果，产生了多个传递损失峰值，而且扩充了可以用于消声的工作频率范围，以达到最优的消声效果。

Description

一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种常用消声器，具体为一种可以自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器及其工作方法。

背景技术

传统的赫姆霍兹共鸣被大量应用在航空发动机和燃气轮机当中，作为一种消声装置。赫姆霍兹共鸣器的颈部相当于一个基座，共鸣腔内的空气相当于一个弹簧，当共鸣腔内的空气声波与共鸣器的频率一致时发生共振，从而达到最大的消声效果。此外，空气在开口壁面的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热的作用，会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻。但是，单个的赫姆霍兹共鸣器共振峰较少且共振频率较小。所以，为了拓宽阻尼频率范围，需要根据不同的实际情况来切换赫姆霍兹共鸣器，从而达到理想的消声效果。

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具有宽阻尼频率的并列式赫姆霍兹共鸣器；本发明的第二目的在于提供上述赫姆霍兹共鸣器的工作方法。

技术方案：本发明所述的一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，包括主管道，还包括与主管道连接并用于采集声学信号的控制系统、设置在控制系统一侧与主管道连接并用于消声的消声组件以及设置在消声组件外与控制系统信号连接并用于控制消声组件沿主管道移动的齿轮齿板传动系统；所述的消声组件由若干赫姆霍兹工作器并列设置组成，所述赫姆霍兹工作器包括共振腔以及与用于与主管道连接的颈部，所述主管道上设置有与颈部对应连接的消声孔；所述赫姆霍兹工作器的共振腔内设有用于调节阻尼频率的刚性挡板。

上述阻尼频率随刚性挡板数量的增多而增大。其中，所述刚性挡板沿共振腔内横向设置并将共振腔等分，等分的目的相当于增加了赫姆霍兹工作器的数量，进而提高了消声性能；刚性挡板上设有与颈部对正的通孔，所述通孔的直径与颈部的直径一致，设置直径一致可以保证主管道内的切线流进入共振腔后仍保持初始的运动状态，减少因外界环境变化造成的测试误差。所述刚性挡板的厚度为颈部高度的三分之一至三分之二，优选为二分之一，采用较厚的刚性挡板可以对共振腔的内部体积进行调控。

上述的齿轮齿板传动系统包括齿轮转动轴杆、齿轮、齿板以及移动卡槽，所述的移动卡槽固定在主管道外表面，所述的齿板置于移动卡槽内，齿板的一端与赫姆霍兹工作器的颈部固定连接，齿板的一侧设有齿轮转动轴杆，所述的齿轮转动轴杆端部设有齿轮，所述齿轮与齿板上的齿板齿相互啮合。

上述的控制系统包括声学传感器、信号处理器、步进电机控制器和步进电机；所述声学传感器嵌入主管道的内壁上，述声学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步进电机控制器的信号输入端连接；所述步进电机控制器的信号输出端与步进电机信号输入端连接，所述步进电机的信号输出端与齿轮转动轴杆连接。

上述的声学传感器与主管道连接的地方设有用于密封固定的密封圈。

本发明还保护一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器的工作方法，包括以下步骤：

步骤一、声学传感器采集主管道内的切线流速度大小，形成声学信号，并将声学信号发送给信号处理器；

步骤二、信号处理器将声学信号转化为电信号，并将电信号发送给步进电机控制器；

步骤三、步进电机控制器根据电信号控制步进电机转动，步进电机通过齿轮轴杆带动齿轮转动，齿轮与齿板的齿板齿作用从而带动齿板移动，通过改变消声组件与主管道的相对位置，以针对不同阻尼频率进行消声。

进一步的，所述步骤三中，阻尼频率范围是0～500Hz。

进一步的，所述步骤三中，步进电机控制器根据电信号控制步进电机转动的具体方法为：若当前电信号的大小大于前次电信号的大小，步进电机控制器根据电信号的变化控制步进电机正转；反之则反转。

进一步的，所述步骤二中，信号处理器将声学信号转化为电信号，详细的步骤如下：首先，将步骤一中获取的声学信号进行傅立叶变换，形成频域信号；然后再所述频域信号中提取主要噪声频率，从而形成所需要的电信号。

工作原理：赫姆霍兹工作器的阻尼频率公式为：

式中，c是声速，V是共振腔体积，L_eff是颈部的有效长度，S是颈部的截面积。根据公式可知，影响阻尼频率的因素有共振腔体积、颈部的有效长度和截面积等，且不同的共振频率对应着各自不同的传递损失。本发明中将多个赫姆霍兹工作器并列设置，在齿轮传动系统的控制下，可以根据实际的噪声环境选择不同的赫姆霍兹工作器进行消声，在赫姆霍兹工作器中设置的刚性挡板将共振腔的内部体积重新划分，并形成了可以与共振腔协同产生传递损失的膨胀腔，膨胀腔的传递损失为：

其中，m为膨胀比，S为腔体横截面积，k为常系数，l为腔体的高度，单独的赫姆霍兹共鸣器的传递损失全部来自共振腔，带中间开孔的挡板的赫姆霍兹共鸣器的传递损失除了来自赫姆霍兹共鸣器本身，还包括因为共鸣腔内加了挡板所形成的膨胀腔所带来的额外传递损失，因此可以产生多个共振峰以拓宽消声频带，增大消声效果。而且随着刚性挡板数量的增加，共振腔内的体积变化较大，不同传递损失峰值也不断变化，进而可以提高调节的阻尼频率。

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学信号进行采集处理，变成电信号，步进电机控制器接受电信号，从而调节步进电机的正反转，以切换并列设置的多个赫姆霍兹共鸣器，以便达到需要的共振频率。本发明通过齿轮的转动从而移动并列式赫姆霍兹共鸣器，不但大幅提高了消声效果，产生了多个传递损失峰值，而且扩充了可以用于消声的工作频率范围，以达到最优的消声效果。

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为本发明实施例中的共鸣器在不同马赫数下传递损失峰值所对应的共振频率对比图；

图6为马赫数为0时的共鸣器的传递损失对比图；

图7为马赫数为0.03时的共鸣器的传递损失对比图；

图8为马赫数为0.07时的共鸣器的传递损失对比图；

图9为本发明实施例的共鸣器在不同马赫数下的传递损失峰值汇总后的对比图。

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1-4所示，一种可以自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，包括主管道1，控制系统、消声组件和齿轮齿板传动系统。主管道1内通入切线流，在主管道1上安装控制系统，控制系统包括声学传感器2、信号处理器4、步进电机控制器5和步进电机6，声学传感器2采用上海木西PM8型号，嵌入主管道的内壁上，侧设置有密封圈3进行固定，作为所述控制系统的输入端；声学传感器2依次与信号处理器4、步进电机控制器5和步进电机6信号连接，信号处理器4采用北京方控SK2018型号，步进电机控制器5采用乐清DM556型号控制器，步进电机6采用乐清86型号步进电机。

在主管道1上设有一个消声孔101，在消声孔101上设有消声组件，该消声组件由三个形状一致的赫姆霍兹工作器11并列设置组成，相邻的赫姆霍兹工作器11的外壁相互贴合固定，每个赫姆霍兹工作器11包括一个圆柱状的共振腔111以及与主管道1连接的颈部112，共振腔111为圆柱形结构，共振腔111的整体高度均为24.42cm，颈部112的整体高度为8.05cm，高度和截面积均不变，颈部112与消声孔101连接，消声孔101还可以根据实际的赫姆霍兹工作器11设置多个，从而可以与多个赫姆霍兹工作器11进行连通，进而可以提高消声的效果。在本实施例中，从左向右为设置的三个赫姆霍兹工作器11，左侧的赫姆霍兹工作器11的共振腔111内在腰部位置设置一个刚性挡板113，中间的赫姆霍兹工作器11的共振腔111内不设置刚性挡板113，右侧的赫姆霍兹工作器11的共振腔111内分别在三分之一高度和三分之二的高度设置两个刚性挡板113，刚性挡板113沿共振腔111内横向设置，刚性挡板113上设有与颈部112对正的通孔1131，所述通孔1131的直径与颈部112的直径一致，刚性挡板113的厚度为颈部的一半，即4.025cm。

在消声组件外与设置有用于控制消声组件沿主管道1移动的齿轮齿板传动系统，齿轮齿板传动系统包括齿轮转动轴杆8、齿轮7、齿板9以及移动卡槽10，移动卡槽10固定在主管道1外表面，整体与主管道1平行，齿板9置于移动卡槽10内，齿板9的一端分别与三个赫姆霍兹工作器的颈部112固定连接，齿板9的一侧设有齿轮转动轴杆8，齿轮转动轴杆8端部设有齿轮7，齿轮7与齿板9上的齿板齿901相互啮合，齿轮转动轴杆8与步进电机6信号连接，在步进电机6的控制下旋转，进而带动齿轮7旋转，齿轮7与齿板9啮合，因此可以进一步带动齿板9在移动卡槽10内水平移动，由于齿板9与赫姆霍兹工作器的颈部112固定连接，因此可以带动整体的消声组件在主管道1的表面移动，从而可以选择不同的赫姆霍兹工作器11与主管道进行连接。

当切向流噪声进入主管道1时，处于进主管道1上游的速度传感器2对切向流噪声声学信号进行采样，声学传感器2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，计算得出噪声频率大小，从而通过步进电机控制器5控制步进电机6来控制齿轮轴杆8的转动，进而控制齿轮7的转动，齿轮通过与齿板齿901作用来带动齿板的移动。通过comsol5.4模拟仿真可知，采用三个并列式赫姆霍兹共振器的消声量和消声频带远远大于传统的单个赫姆霍共振器，参见图5-图8，当切换到带单隔板的赫姆霍兹共鸣器和带双隔板的赫姆霍兹共鸣器时的消声效果远好于不带隔板的赫姆霍兹共鸣器，尤其是带单双隔板的赫姆霍兹共鸣器消声效果最好。但是，但马赫数小于0.03时，三个不同共鸣腔结构的赫姆霍兹共鸣器的在10～200Hz的频率范围内消声效果相差无几，但是当马赫数大于0.03时，共鸣腔不带挡板的赫姆霍兹共鸣器在10～200Hz的频率范围内消声效果相对较差。此外，随着挡板的增加，消声频带不断的扩大且产生了多个共振峰，调频范围的选择更多，其中，位于左边的含有一个刚性挡板的共鸣器可以选择在200-300hz之间消声，位于中间的不含刚性挡板的共鸣器可以选择在0～200hz之间消声，位于右边的含有两个刚性挡板的共鸣器可以选择在400～500hz之间消声。参见图8，可以发现右边含有两个隔板的赫姆霍兹共鸣拥有更多的共振峰并且传递损失峰值汇总值最高，此外，大幅拓展了消声频道。

Claims (9)

1.一种可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，包括主管道(1)，其特征在于：还包括与主管道(1)连接并用于采集声学信号的控制系统、设置在控制系统一侧与主管道(1)连接并用于消声的消声组件以及设置在消声组件外与控制系统信号连接并用于控制消声组件沿主管道(1)移动的齿轮齿板传动系统；所述的消声组件由若干赫姆霍兹工作器(11)并列设置组成，所述赫姆霍兹工作器(11)包括共振腔(111)以及与用于与主管道(1)连接的颈部(112)，所述主管道上设置有与颈部(112)对应连接的消声孔(101)；所述赫姆霍兹工作器(11)的共振腔内设有用于调节阻尼频率的刚性挡板(113)。

2.根据权利要求1所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述阻尼频率随刚性挡板(113)数量的增多而增大。

3.根据权利要求1或2所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述刚性挡板(113)沿共振腔(111)内横向设置并将共振腔(111)等分，刚性挡板(113)上设有与颈部(112)对正的通孔(1131)，所述通孔(1131)的直径与颈部(112)的直径一致。

4.根据权利要求1或2所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述刚性挡板(113)的厚度为颈部(112)高度的三分之一至三分之二。

5.根据权利要求1所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述齿轮齿板传动系统包括齿轮转动轴杆(8)、齿轮(7)、齿板(9)以及移动卡槽(10)，所述的移动卡槽(10)固定在主管道(1)外表面，所述的齿板(9)置于移动卡槽(10)内，齿板(9)的一端与赫姆霍兹工作器的颈部(112)固定连接，齿板(9)的一侧设有齿轮转动轴杆(8)，所述的齿轮转动轴杆(8)端部设有齿轮(7)，所述齿轮(7)与齿板(9)上的齿板齿(901)相互啮合。

6.根据权利要求5所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述控制系统包括声学传感器(2)、信号处理器(4)、步进电机控制器(5)和步进电机(6)；所述声学传感器(2)嵌入主管道(1)的内壁上，所述声学传感器(2)的信号输出端与信号处理器(4)的信号输入端连接；所述信号处理器(4)的信号输出端与步进电机控制器(5)的信号输入端连接；所述步进电机控制器(5)的信号输出端与步进电机(6)信号输入端连接，所述步进电机(6)的信号输出端与齿轮转动轴杆(8)连接。

7.根据权利要求6所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器，其特征在于：所述声学传感器(2)与主管道(1)连接的地方设有用于密封固定的密封圈(3)。

8.一种权利要求1所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、声学传感器(2)采集主管道(1)内的切线流速度大小，形成声学信号，并将声学信号发送给信号处理器(4)；

步骤二、信号处理器(4)将声学信号转化为电信号，并将电信号发送给步进电机控制器(5)；

步骤三、步进电机控制器(5)根据电信号控制步进电机(6)转动，步进电机(6)通过齿轮轴杆(8)带动齿轮(7)转动，齿轮(7)与齿板(9)的齿板齿作用从而带动齿板(9)移动，通过改变消声组件与主管道的相对位置，以针对不同阻尼频率进行消声。

9.根据权利要求8所述的可自动切换的并列式赫姆霍兹共鸣器的工作方法，其特征在于：所述步骤三中，阻尼频率范围是0~500 Hz。

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