CN114373440A - 一种通风管路复合消声系统 - Google Patents

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窦松然
秦昊
王桂波
陈家运
张思维
左世磊
田川平
李宗新
张若军
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714th Research Institute of CSIC
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Abstract

一种通风管路复合消声系统，包括管体、第一消声部、第二消声部，第一消声部用于获取管体上游噪声的上游噪声信号，并根据所述上游噪声信号在气体下游输出与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声；第二消声部包括吸声材料，吸声材料用于吸收所述管体中的噪声。本公开中第二消声部通过吸声材料能够吸收中频和高频的噪声，第一消声部根据上游噪声信号在气体下游产生反向噪声对噪声进行抵消，第一消声部能够很好的消除低频噪声，通过第一消声部和第二消声部配合无需大量的吸声材料去吸收中低频噪声，系统体系相比传统的被动降噪的装置，具有较小体积，并且对全频带的噪声均具有良好的消声效果。

Description

一种通风管路复合消声系统
技术领域
本公开属于降噪技术领域，具体涉及一种通风管路复合消声系统。
背景技术
通风管路系统噪声是日常生活中的主要噪声之一，常见于建筑空调进出风口、轨道交通出风口、船舶通风系统的管路、进出风口等。当气体系统的设备开始运转时，其产生的机械噪声会通过通风管路向外传递，严重影响人们的生理、心理健康。传统的噪声控制技术主要以被动控制方法为主，主要原理是通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降噪的目的。该方法对中、高频噪声的控制效果好，但在控制低频噪声时，被动控制设备通常较为笨重，体积庞大，应用范围受到限制。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开的目在于提供一种能够对低频、中频和高频噪声均有很好的降噪效果，并且相比传统的被动降噪的装置，具有较小体积的通风管路复合消声系统。
为了实现本公开的目的，本公开所采用的技术方案如下：
一种通风管路复合消声系统，包括：
管体，用于通过气体；
安装于所述管体的第一消声部，用于获取所述管体上游噪声的上游噪声信号，并根据所述上游噪声信号在气体下游输出与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声；
安装于所述管体的第二消声部，所述第二消声部包括吸声材料，吸声材料用于吸收所述管体中的中频噪声和/或高频噪声。
可选地，所述第一消声部包括：
至少一个参考传声器，安装于所述管体的气体上游段，用于获取管体上游噪声的上游噪声信号；
控制器，与至少一个参考传声器连接，用于接收所述上游噪声信号，将所述上游噪声信号转换为与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声信号；
功率放大器，与所述控制器连接，用于将所述反向噪声信号放大；
至少一个次级声源，与所述功率放大器连接，所述次级声源安装于所述管体的气体下游段，用于根据所述反向噪声信号输出反向噪声。
可选地，所述第一消声部还包括：
至少一个误差传声器，与所述控制器连接，所述误差传声器安装在所述次级声源位置或次级声源下游位置；
当所述至少一个误差传声器安装在所述次级声源位置时，所述至少一个误差传声器用于接收所述次级声源位置的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器；
当所述至少一个误差传声器安装在所述次级声源的下游位置时，所述至少一个误差传声器用于接收所述次级声源的下游位置的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器；
所述控制器还根据下游噪声信号对所述上游噪声信号进行误差补偿。
可选地，多个参考传声器沿气体流动方向依次设置，且多个参考传声器分布在不同的气体流线上；
多个所述误差传声器沿气体流动方向依次设置，且多个所述误差传声器分布在不同的气体流线上。
可选地，所述管体内腔中安装有内芯，所述内芯通过支撑架与管体内壁连接；
所述内芯包括沿气体流动方向依次连接的头部、芯体和尾部，所述参考传声器安装在所述头部，所述误差传声器安装在所述尾部。
可选地，所述内芯为空腔结构，所述内芯的内腔中填充有吸声材料，所述内芯外壁开设有多个第一通孔。
可选地，所述管体外部包络有外壳，所述外壳与管体之间具有环形的第一环腔，所述第一环腔两端具有盖板，所述第一环腔内径向地设置有多个隔板，多个所述隔板将所述第一环腔沿圆周方向均匀分割为多个相互密闭的容纳腔，其中一个所述容纳腔中安装有所述控制器和功率放大器，其余每个所述容纳腔中均安装有一个所述次级声源，每个所述次级声源的发声部均与所述管体内腔连通。
可选地，所述第二消声部设置在次级声源上游位置。
可选地，所述管体外部包络有外壳，所述外壳与管体之间具有环形的第二环腔，所述第二环腔两端具有盖板，所述第二环腔中填充有吸声材料，且所述第二环腔位置处的管体侧壁开设有多个第二通孔。
可选地，所述第二通孔为变径孔，第二通孔的最小处的直径大于等于0.02mm，第二环腔位置处的管体侧壁的穿孔率为8％～10％。
本公开通过在管体上设置第一消声部和第二消声部，第二消声部通过吸声材料能够吸收中频和高频的噪声，第一消声部能够在气体上游获取上游噪声的上游噪声信号，并根据上游噪声信号在气体下游输出与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声，通过反向噪声与气体中的噪声进行抵消，第一消声部能够很好的消除低频噪声，通过第一消声部和第二消声部配合无需大量的吸声材料去吸收低频噪声，系统相比传统的被动降噪的装置，具有较小体积，并且对全频带的噪声均具有良好的消声效果。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开一些实施例的通风管路复合消声系统的结构示意图；
图2是本公开一些实施例中第一环腔位置的截面视图；
图3是本公开一些实施例中内芯的结构示意图；
图4是本公开一些实施例中第一环腔位置管体的结构示意图；
图5是本公开一些实施例中支撑架的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
参阅图1、图2所示，在一示例的实施方案中提供一种通风管路复合消声系统，包括管体25、第一消声部1和第二消声部21；
其中，管体25用于通过气体；管体25可以是圆管、方管或矩形管等；管体25可以是通风管路中的管体，也可以是消声系统中独立的一段管体25，消声系统作为一个独立的设备，管体25两端可以安装在通风管路中。
其中，第一消声部1安装于所述管体25，作为主动消声部，用于获取管体上游噪声的上游噪声信号，并根据所述上游噪声信号在气体下游输出与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声，通过反向噪声与气体中的噪声进行抵消；上游的噪声信号可以在管体25内部的上游采集，也可以在管路系统的上游进行采集，反向噪声信号是与噪声频率相同、振幅相近或相同、相位相反的声波，反向噪声信号用于与气体中的噪声进行中和，实现噪声消除；第一消声部1可以获取中高频段噪声信号后，产生反向噪声对中高频段噪声进行消除，但由于主动降噪算法运算效率的问题，目前针对高频噪声的抑制效果较差。最优方式是仅仅获取上游低频噪声信号，根据上游低频噪声信号在气体下游产生反向低频噪声，仅仅对低频噪声进行消除，中频噪声和/或高频噪声交由第二消声部消除。
其中，低频噪音为主频率低于500Hz的噪音；中频噪音为主频率在500～2000Hz的噪音；高频噪音主频率高于2000Hz的噪音。
其中，第二消声部21安装于所述管体25，作为被动消声部，用于通过吸声材料吸收管体25中的中频噪声和/或高频噪声。例如，可以在管体25外部设置有密封腔，吸声材料设置在密封腔中，管体25与密封腔之间开设通孔通过噪声，由吸声材料吸收；又如，吸声材料也可以在管体25内壁设置有一圈；再如，管体25内壁可以设置有一圈向管壁外凸出的凹槽，吸声材料设置在凹槽中直接吸收噪声。
在一具体的实施例中，参阅图1所示，管体25为独立管体，管体25的一端安装有法兰3，管体25的另一端安装有法兰23；通过法兰3和法兰23能够将消声系统安装在通风管路系统中，法兰23可以通过螺钉或螺栓与上游管路连接，法兰3可以与下游管路连接；本实施例中参考传声器8、误差传声器9和次级声源10均示例性的设置为2个，当然也可以根据具体需要设置为其他数量也不影响本实施例的实施。第一消声部1安装在管体25上游内部，第二消声部21安装在管体25下游上。
在一实施例中，所述第一消声部1包括控制器12、功率放大器11、至少一个参考传声器8和至少一个次级声源10；
参考传声器8安装于管体25中的气体上游段，用于获取管体上游噪声的上游噪声信号，参考传声器8一般是声音传感器，用于将声音转化为电子信号；参考传声器8可以直接安装在管体25内，也可以安装在管体25侧壁上；通过信号线将参考传声器8与控制器12连接，将参考传声器8接收到的噪声信号传递至控制器12；可降低多个点位降噪量，从而提高主动降噪效果。
控制器12与至少一个参考传声器8连接，接收上游噪声信号并转换为反向噪声信号；控制器12可以是数字信号处理芯片(DSP),例如TMS320F2812芯片；控制器12也可以是采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，其可以安装在管体25的外部的衬板7上固定。
功率放大器11与控制器12连接，用于将反向噪声信号放大，以便于后续通过次级声源10播放反向噪声；功率放大器11可以与控制器12安装在同一块衬板7上，方便接线，功率放大器11与控制器12也可以分开放置管体25的外部。功率放大器11例如可以采用TDA2030，TDA2040，LM1875，LM1876等型号的功率放大器。
次级声源10可以是扬声器或激振器，安装在管体25的气体下游段，与功率放大器11电连接；次级声源10的声源朝向管体25内部，为避免次级声源10之间产生的声波叠加形成驻波影响降噪效果，将多个次级声源采取非对称布置。次级声源10根据反向噪声信号输出与噪声频率相同、振幅相近或相同、相位相反的反向噪声。通过反向噪声与管体25中的噪声进行中和，实现对低频噪声的降噪。
由于参考传声器8精度和电路转换噪声的影响，次级声源10输出的反向噪声与管体25中的噪声进行中和过程中，可能会只会消除部分噪声。所以在另一实施例中，所述第一消声部1还包括至少一个误差传声器9；误差传声器9也可以是声音传感器。
在一优选的实施例中，误差传声器9安装在次级声源10位置或次级声源10的下游位置；
当至少一个误差传声器9安装在所述次级声源10位置时，至少一个误差传声器9用于接收所述次级声源10位置下游的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器12；
当至少一个误差传声器9安装在所述次级声源10的下游位置时，所述至少一个误差传声器9用于接收所述次级声源10的下游位置的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器12；
下游噪声信号由于已经经过了次级声源10进行降噪，所以误差传声器9在此处获取下游的噪声信号，并将下游噪声信号传递至控制器12，由控制器12根据下游噪声信号对上游噪声信号进行误差补偿。多次迭代后达到良好的降噪效果。
参考传声器8和误差传声器9均可以采用1/4寸传声器，次级声源10可以为8寸扬声器，当然也可根据实际管路尺寸及噪声情况进行调整。
多个参考传声器8沿气体流动方向依次设置，且多个参考传声器8分布在不同的气体流线上；多个误差传声器9沿气体流动方向依次设置，且多个误差传声器9分布在不同的气体流线上。
第二消声部21可以设置在次级声源10上游位置，用于首先通过吸声材料对管体25中的噪声进行吸收；误差传声器9检测的是第一消声部1和第二消声部21消除噪声以后的残留的声波信号，对残留声波信号进行检测以后补偿，修正的反向噪声会更准确。
在一实施例中，参阅图1、图2、图4所示，所述管体25外部包络有壳体4，所述壳体4与管体25之间具有环形的第一环腔所述第一环腔两端具有盖板2，所述第一环腔内径向地设置有多个隔板13，多个所述隔板13将所述第一环腔沿圆周方向均匀分割为多个相互密闭的容纳腔，通过保证腔室良好的密闭性，避免发生漏声现象；其中一个所述容纳腔中安装有所述控制器12和功率放大器11，其余每个所述容纳腔中均安装有一个所述次级声源10，每个所述次级声源10的发声部均与所述管体25内腔连通。第一消声部1位置处的管体25和第二消声部21位置处的管体25可以是一体式的圆管，可以是两个组合式的圆管单元5。
在一具体的实施例中，参考传声器8、误差传声器9和次级声源10均示例性的设置为两个，隔板13设置有三个，相互之间间隔120度，将第一环腔均匀分割成三个相互密闭的容纳腔，每个容纳腔中的管体25侧壁上均开设有圆形接口，三个圆形接口的接口面的夹角呈120度均布，其中一个接口用于安装挡板6，挡板6上安装有衬板7，功率放大器11与控制器12安装在衬板7上，另外两个接口面用于安装次级声源10。控制器12采用“四进两出”的系统，“四进”是分别连接两个参考传声器8和两个误差传声器9，接收四路信号进入控制器12内部，计算得到次级声源10需要输出的反向噪声信号；“两出”是两路次级声源10信号送给功率放大器11，由功率放大器11将信号放大后输送给两个次级声源10。
在另一实施例中，参阅图1至图3所示，所述管体25内腔还安装有内芯31，所述内芯31通过支撑架35与管体25内壁连接；
所述内芯31包括沿气体流动方向依次连接的头部32、芯体34和尾部33，所述参考传声器8安装在所述头部32，所述误差传声器9安装在所述尾部33。方便在管体25内部安装参考传声器8和误差传声器9。头部32和尾部33可以是半球形、锥形、半椭圆形等形状，可以减小风阻。内芯31优选的设置在管体25的轴线位置。芯体34两端分别与头部32和尾部33通过螺丝连接固定，或者通过现有技术中的其他连接方式进行固定。
参阅图1、图5所示支撑架35可以根据内芯31的长度设置有多个。支撑架35用以固定内芯31在管体25的中轴线上，两个支撑架35的三个脚固定在管体25内壁，可以通过顶丝固定。
内芯31可以为空腔结构，所述内芯31的内腔中填充有吸声材料36，内芯31外壁开设有多个第一通孔；当风速较高时，内芯31中的吸声材料36可过滤气流流动产生的二次噪声，从而在高速气流下提高噪声源采样的准确性，进一步提升低频消声性能。
内芯31的外壁具有多个所述第一通孔构成穿孔板，管体25也可以采用微穿孔板，微穿孔板的小孔作为第一通孔，每个第一通孔最小处的孔径为2-3mm，本实施例示例性的设置为2.5mm，穿孔率大于20％，其他实例可根据实际的风速情况选择适合孔径和穿孔率的穿孔板或穿孔板。
为了在内芯31中方便安装固定参考传声器8和误差传声器9，头部32和尾部33内填充的吸声材料36可以是巴斯夫棉，容重为8-10kg/m3；芯体34内填充的吸声材料36可以是玻璃棉，容重为18-22kg/m3。
在一实施例中，参阅图1所示，第二消声部21包括吸声材料26，所述管体25外部包络有外壳24，所述外壳24与管体25之间具有环形的第二环腔，所述第二环腔两端具有盖板22，所述第二环腔中填充有吸声材料26，且所述第二环腔位置处的管体25侧壁上开设有多个第二通孔。为保证透声的同时管道内的气流流动更加顺畅，减少气流湍流的流动产生二次噪声，管体侧壁具有多个第二通孔，所述第二通孔为变径孔，孔的最小处的直径大于等于0.02mm；优选的，第二通孔的最小处孔径在0.02-0.05mm，第二环腔位置处的管体侧壁的穿孔率为8％～10％。其他实例可根据实际的风速情况选择适合孔径和穿孔率的穿孔板或微穿孔板。
外壳24与壳体4可以是一体式圆环形结构，方便整合整个系统，外形流畅，结构紧凑。
例如，消声系统外形尺寸可以为Φ550mm×910mm，管体25尺寸可以为Φ120mm×800mm，对应的通风管路直径可以为Φ300mm。整个消声系统为圆柱形结构，将第一消声部1、第二消声部21和内芯31集成于一体。
第二环腔内部填充的吸声材料26可以是玻璃棉，容重为18-22kg/m3。
根据在模拟舱段的测试结果表明，本公开中的通风管路复合消声系统可有效降低全频带噪声和低频线谱噪声，降噪频带可达20Hz-10kHz。在管内流速为5m/s的条件下，降噪量可达30dB(A)以上；在管内流速为10m/s的条件下，降噪量可达25dB(A)以上。
本公开中的通风管路复合消声系统具体工作方法是；上游位置通过第二消声部21首先吸收中频和高频的噪声；参考传声器8拾取通风管路复合消声系统的上游段的管路噪声信号，并将信号传递给控制器12，控制器12经过处理计算后产生反向噪声信号，反向信号输入给功率放大器11放大后，由次级声源10产生反向噪声与原有噪声进行抵消。抵消后的声信号由下游端的误差传声器9拾取，并将信号传递给控制器12，控制器12对信号进行进一步处理，以产生反向信号传递给次级声源10，多次迭代后达到良好的降噪效果。通过组合消声方式，第二消声部21可以消除中频和高频的噪声，第一消声部1可以消除低频噪声；通过第一消声部1和第二消声部21配合，无需大量的吸声材料去吸取低频噪声，整个系统相比较小，第一消声部1主要只需处理低频噪声，功率也较低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种通风管路复合消声系统，其特征在于，包括：
管体，用于通过气体；
安装于所述管体的第一消声部，用于获取所述管体上游噪声的上游噪声信号，并根据所述上游噪声信号在气体下游输出与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声；
安装于所述管体的第二消声部，所述第二消声部包括吸声材料，吸声材料用于吸收所述管体中的中频噪声和/或高频噪声。
2.如权利要求1所述的通风管路复合消声系统，其特征在于，所述第一消声部包括：
至少一个参考传声器，安装于所述管体的气体上游段，用于获取管体上游噪声的上游噪声信号；
控制器，与至少一个参考传声器连接，用于接收所述上游噪声信号，将所述上游噪声信号转换为与所述上游噪声信号波形相反的反向噪声信号；
功率放大器，与所述控制器连接，用于将所述反向噪声信号放大；
至少一个次级声源，与所述功率放大器连接，所述次级声源安装于所述管体的气体下游段，用于根据所述反向噪声信号输出反向噪声。
3.如权利要求2所述的通风管路复合消声系统，其特征在于，所述第一消声部还包括：
至少一个误差传声器，与所述控制器连接，所述误差传声器安装在所述次级声源位置或次级声源下游位置；
当所述至少一个误差传声器安装在所述次级声源位置时，所述至少一个误差传声器用于接收所述次级声源位置的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器；
当所述至少一个误差传声器安装在所述次级声源的下游位置时，所述至少一个误差传声器用于接收所述次级声源的下游位置的下游噪声信号，将下游噪声信号传递至控制器；
所述控制器还根据下游噪声信号对所述上游噪声信号进行误差补偿。
4.如权利要求3所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：多个参考传声器沿气体流动方向依次设置，且多个参考传声器分布在不同的气体流线上；
多个所述误差传声器沿气体流动方向依次设置，且多个所述误差传声器分布在不同的气体流线上。
5.如权利要求4所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述管体内腔中安装有内芯，所述内芯通过支撑架与管体内壁连接；
所述内芯包括沿气体流动方向依次连接的头部、芯体和尾部，所述参考传声器安装在所述头部，所述误差传声器安装在所述尾部。
6.如权利要求5所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述内芯为空腔结构，所述内芯的内腔中填充有吸声材料，所述内芯外壁开设有多个第一通孔。
7.如权利要求3所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述管体外部包络有外壳，所述外壳与管体之间具有环形的第一环腔，所述第一环腔两端具有盖板，所述第一环腔内径向地设置有多个隔板，多个所述隔板将所述第一环腔沿圆周方向均匀分割为多个相互密闭的容纳腔，其中一个所述容纳腔中安装有所述控制器和功率放大器，其余每个所述容纳腔中均安装有一个所述次级声源，每个所述次级声源的发声部均与所述管体内腔连通。
8.如权利要求2所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述第二消声部设置在次级声源上游位置。
9.如权利要求1-5任意一项所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述管体外部包络有外壳，所述外壳与管体之间具有环形的第二环腔，所述第二环腔两端具有盖板，所述第二环腔中填充有吸声材料，且所述第二环腔位置处的管体侧壁开设有多个第二通孔。
10.如权利要求9所述的通风管路复合消声系统，其特征在于：所述第二通孔为变径孔，第二通孔的最小处的直径大于等于0.02mm，第二环腔位置处的管体侧壁的穿孔率为8％～10％。
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