CN113393827B - 一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器。该发明在共振器中安装加热棒，改变共振器喉部热力学特征，增加共振器阻尼效果，并改变共振器吸声频率，从而实现共振器的主/被动控制效果。在不同加热功率下，通过测量该共振器对不同频率的吸声能力，证明了此类加热型Helmholtz共振器能够有效改变吸声频率。此发明作为声学消声器适用于各类存在自激燃烧振荡的燃烧系统，为不稳定燃烧抑制提供有效手段。由于一般Helmholtz共振器的吸声频率范围很窄，要适应不同吸声频率必须重新设计尺寸，而本发明提出的加热型Helmholtz共振器能够在不改变尺寸的情况下调节吸声频率，因此该发明具有灵活性强、易操作等优点。

Description

一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器

技术领域

本发明涉及改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，通过改变加热功率，实现对不同频率声波的吸收，此发明作为声学消声器主要应用于各类存在自激燃烧振荡的燃烧系统，为不稳定燃烧抑制提供有效手段。

背景技术

燃烧不稳定问题一直是制约各类存在自激燃烧振荡的燃烧系统如航空发动机、燃气轮机、火箭发动机等发展的世界性难题。为了抑制压力波动并降低噪声，一般使用具有阻尼效果的被动控制装置，而Helmholtz共振器是一种由细颈和腔体组成的声学装置，由细颈连接声波流动区域，通过腔体内对于声波的耗散实现对于声波的吸收，由于其较简单的结构在声学阻尼器领域得到了广泛的应用。共振器共振发生时，流体在共振器里周期性的压缩和膨胀，通过在边界处的热粘性作用和面积突变处的涡脱落，声波能量得到耗散，从而达到对具有和共振器共振频率相同频率的声波的吸收作用。

目前用于不稳定燃烧控制的Helmholtz共振器的共振频率由其尺寸结构决定，其吸声频率的范围很窄，若要实现对不同频率声波的吸收任务，则需重新设计尺寸结构，不仅不方便快速实现，也造成了材料的浪费。本发明提出一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，能够快速、有效的改变吸声频率。

发明内容

针对上述背景，本发明提供一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，在共振中安装加热棒，通过改变加热功率，从而实现对不同频率声波的吸收作用。通过实验研究，得出了该型共振器中各种参数对声能耗散的影响规律，有助于对采用该型Helmholtz共振器提供指导。

本发明采用的技术方案如下：

一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，其特征在于，在共振器中安装加热棒，改变加热功率，从而改变吸声频率(共振器吸声能力最大时的声波频率)。共振器示意图如图1所示，由腔体和细颈两部分组成，在实验中设计两部分均为圆柱体，采用的尺寸参数为：脖子直径D_n为20mm，脖子长度l为40mm，腔体直径D_c为100mm，腔体高度H为60mm，共振器壁厚3mm。为安装加热棒于共振器上，在共振器腔体上方中央打孔，通过螺纹连接共振器和加热棒，使加热棒能够抵达共振器脖子位置；在共振器腔体上方四周打4个小孔，以实现共振器中存在流动的条件。其中具体尺寸参数为：小孔直径4mm，加热棒尺寸参数为：直径10mm，长度100mm。

在图2所示实验系统中进行实验，其中上部为共振器，下部为模拟吸声环境的管道，两者之间通过螺纹连接。在管道一端安装喇叭产生设定频率的声波，在共振器前后的管道位置x_a、x_b、x_c、x_d、x_e、x_f处分别安装6支麦克风以测量声波压强p_a、p_b、p_c、p_d、p_e、p_f。这里的下标a、b、c、d、e、f代表6支麦克风不同的位置，其中a、b、c号麦克风在声源与共振器之间，d、e、f号麦克风在另一侧。共振器前端声波压强和向下游传播的声波幅值A⁺和向上游传播的声波幅值A^-的关系式为：

公式中

和

分别为声源与共振器之间向上游传播的声波幅值和向下游传播的声波幅值，

和

分别为声源与共振器之间向上游传播的声波幅值和向下游传播的声波幅值,这里的下标1和2分别代表共振器左右两端，式中k是声波传播的波数，管道另一侧声波关系式同理。通过此式即可计算向下游传播的声波幅值A⁺和向上游传播的声波幅值A^-的在空间上的分布情况。定义耗散系数E：

耗散系数E表示声波的能量在共振器中的损失情况，其值越大，则损失越多。

本发明中，可以使用堵头将共振器上的小孔进行堵塞，使用挡板将管道右端出口进行封闭，以实现不同的管道边界条件。针对不同管道边界条件，吸声频率随着加热功率的变大而变大。

本发明中，可以在声源附近通过气动管道输入不同流量的气流，并通过安装堵头，打开挡板，实现管道内不同速度的流动条件的控制。针对管道中不同速度的流动，吸声频率随着加热功率的变大而变大。

本发明中，可以在声源附近通过气动管道输入不同流量的气流，并通过打开堵头，安装挡板，实现共振器的细颈处不同速度的偏流的控制。针对不同偏流，吸声频率随着加热功率的变大而变大。

本发明其优点及功效在于：使用该Helmholtz共振器能够快速、有效改变吸声频率，且结构简单、安装方便、成本低、易加工。

附图说明

图1加热型Helmholtz共振器结构示意图。

图2实验系统示意图。

图3a不同管道边界条件(开口)下的声能耗散系数的变化。

图3b不同管道边界条件(闭口)下的声能耗散系数的变化。

图4a不同管道流速(u＝30L/min)下声能耗散系数的变化。

图4b不同管道流速(u＝90L/min)下声能耗散系数的变化。

图5a不同偏流条件(u_n＝0L/min)下声能耗散系数的变化。

图5b不同偏流条件(u_n＝30L/min)下声能耗散系数的变化。

图中符号：D_c共振器腔体直径，D_n共振器脖子直径，l共振器脖子长度，H共振器腔体长度，P加热功率，u管道流速，u_n偏流流速，absorption吸声系数，frequency声源频率。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明进行详细描述。在本实施例中，通过改变加热功率，有效改变了共振器的吸声频率，具体实施说明如下：

在本实施例中，在常温常压下，管道出口边界条件分别设为开口和闭口条件，研究在不同管道边界条件下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律。在管道出口为开口条件下，共振器上方腔体四周的4个小孔封闭，在管道中通入不同速度的流动，研究在管道不同流速下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律；在管道出口为闭口条件下，共振器上方腔体四周的4个小孔分别设为打开和封闭，即存在偏流和无偏流条件，研究在共振器内不同偏流下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律。加热功率分别设为0W，30W，50W，150W，喇叭产生的扰动声波频率范围为100Hz到300Hz或100Hz到400Hz，管道流动速度分别设为30L/min和90L/min，偏流分别设为0L/min和30L/min。

图3a和图3b给出了在共振器上方腔体四周的4个小孔封闭的条件下，管道出口边界条件分别设为开口和闭口条件，研究在不同管道边界条件下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律。可以看出，在不同的管道边界条件下，吸声频率随着加热功率的变大而变大。因此验证了改变加热功率在不同的管道边界条件下都能够有效改变吸声频率。

图4a和图4b给出了在管道出口为开口条件下，共振器上方腔体四周的4个小孔封闭，在管道中通入不同速度的流动，研究在管道不同流速下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律。可以看出，在不同的管道流速条件下，吸声频率随着加热功率的变大而变大。因此验证了改变加热功率在不同的管道流速条件下都能够有效改变吸声频率。

图5a和图5b给出了在管道出口为闭口条件下，共振器上方腔体四周的4个小孔分别设为打开和封闭，即存在偏流和无偏流条件，研究在共振器内不同偏流下，加热功率的改变对吸声频率的影响规律。可以看出，在不同的偏流条件下，吸声频率随着加热功率的变大而变大。因此验证了改变加热功率在不同的偏流条件下都能够有效改变吸声频率(随着偏流流速的增大，共振器的吸声频带不断增大，可以使得不同声源频率下的吸声能力得到提升)。

结合附图，本发明的具体实施过程如下：在实验系统中安装各个实验件，设定不同加热功率，空气压缩机产生并向管道中通入流动，喇叭产生设定频率的声波，由麦克风接收压强信号，通过对压强信号的分析得出共振器在此加热功率下对该频率声波的吸收系数。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，其特征在于：在共振器中安装加热棒，改变加热功率，从而改变吸声频率；

共振器由腔体和细颈两部分组成，两部分均为圆柱体，采用的尺寸参数为：细颈直径D_n为20mm，细颈长度l为40mm，腔体直径D_c为100mm，腔体高度H为60mm，共振器壁厚3mm；

为安装加热棒于共振器上，在共振器腔体上方中央打孔，通过螺纹连接共振器和加热棒，使加热棒能够抵达共振器细颈位置；

在共振器腔体上方四周打4个小孔，实现共振器中存在流动的条件；其中，具体尺寸参数为：小孔直径4mm，加热棒尺寸参数为：直径10mm，长度100mm；

管道上部为共振器，下部为模拟吸声环境的管道，两者之间通过螺纹连接；在管道一端安装喇叭产生设定频率的声波，在共振器前后的管道位置x_a、x_b、x_c、x_d、x_e、x_f处分别安装6支麦克风以测量声波压强p_a、p_b、p_c、p_d、p_e、p_f；下标a、b、c、d、e、f代表6支麦克风不同的位置，其中a、b、c号麦克风在声源与共振器之间，d、e、f号麦克风在另一侧；

使用堵头将共振器上的小孔进行堵塞，使用挡板将管道右端出口进行封闭，实现不同的管道边界条件；针对不同管道边界条件，吸声频率随着加热功率的变大而变大；

在声源附近通过气动管道输入不同流量的气流，并通过安装堵头，打开挡板，实现管道内不同速度的流动条件的控制；针对管道中不同速度的流动，吸声频率随着加热功率的变大而变大；

在声源附近通过气动管道输入不同流量的气流，并通过打开堵头，安装挡板，实现共振器的细颈处不同速度的偏流的控制；针对不同偏流，吸声频率随着加热功率的变大而变大。

2.根据权利要求1所述的一种改变吸声频率的主/被动控制Helmholtz共振器，其特征在于：共振器前端声波压强和向下游传播的声波幅值A⁺和向上游传播的声波幅值A^-的关系式为：

公式中

和

分别为声源与共振器之间向上游传播的声波幅值和向下游传播的声波幅值，

和

分别为共振器右端向上游传播的声波幅值和向下游传播的声波幅值；下标1和2分别代表共振器左右两端，式中k是声波传播的波数，管道另一侧声波关系式同理；通过此式即计算向下游传播的声波幅值A⁺和向上游传播的声波幅值A^-的在空间上的分布情况；定义耗散系数E：

耗散系数E表示声波的能量在共振器中的损失情况，其值越大，则损失越多。

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