CN114495880A - 一种管道降噪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种管道降噪装置，包括反射体共振器、吸收体共振器以及连接管，所述反射体共振器包括第一环形腔体，所述连接管上开设有与所述第一环形腔体连通的第一缝隙；所述吸收体共振器包括第二环形腔体，所述第二环形腔体包覆在连接管的外部且与所述第一环形腔体间隔设置，所述连接管上开设有与所述第二环形腔体连通的第二缝隙，所述第二环形腔体内填充有吸音件；采用被动结构吸声原理，反射体共振器将频率与其共振频率相同或接近的入射声波进行反射，同时与吸收体共振器配合，将未吸收的波反射进行重复吸收；吸收体共振器将噪音的能量耗散，提升降噪能力。连接管的内部没有阻挡物，使得降噪的同时不影响通风性能。

Description

一种管道降噪装置
技术领域
本发明涉及管道消音领域，尤其是一种管道降噪装置。
背景技术
目前针对通风管道的噪声控制，主要采取管道外覆盖吸声材料、增加管道厚度以增强隔声性能、在管道内设置空气夹层或夹层中填充吸声材料等方式进行。但是通过增加隔声性能无法真正消除噪音，在管道的开口处同样会发出较大噪声，而且吸声材料针对较高频率噪声具有较好的效果，但是对于管道中一般的低频(2000赫兹以下)噪声，其吸收效果较弱。通过整条管道的结构改造和增加吸声材料的包裹、夹层等方式，需要大量使用吸声材料，会大幅增加管道制造成本、重量和体积，不利于实际应用。另外，也有针对特定的管道条件下实行主动消音。但是其消音结构往往较为复杂，需要包含背腔结构、扬声器、控制电路和电源等部分。这种设计虽然能够根据噪声频率准确进行消音，但是其结构复杂，难以维护，而且需要额外能耗，设置和运行维护成本和技术难度较高，因此不适合于大多数场景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种管道降噪装置，在不需改变圆形管道截面形状和通风性能的情况下降低噪声，易于安装、稳定性高且成本较低。
为了实现上述目的，本发明提供一种管道降噪装置，包括反射体共振器、吸收体共振器以及连接管，所述反射体共振器包括第一环形腔体，所述第一环形腔体包覆在连接管的外部，所述连接管上开设有与所述第一环形腔体连通的第一缝隙；所述吸收体共振器包括第二环形腔体，所述第二环形腔体包覆在连接管的外部且与所述第一环形腔体间隔设置，所述连接管上开设有与所述第二环形腔体连通的第二缝隙，所述第二环形腔体内填充有吸音件；所述连接管的第一端伸出所述反射体共振器构造为第一接头，所述连接管的第二端伸出所述吸收体共振器构造为第二接头。
本发明的有益效果是：采用被动结构吸声原理，反射体共振器将频率与其共振频率相同或接近的入射声波进行反射，防止声波透射，同时与吸收体共振器配合，将未吸收的波反射进行重复吸收；吸收体共振器主要作用是对频率与其共振频率相同或接近的入射声波能量吸收进入其腔体内，并将其能量耗散，提升降噪能力。连接管的内部没有阻挡物，使得降噪的同时不影响通风性能。
进一步，所述吸音件为采用蜜胺泡棉制成的环状体。蜜胺泡棉为多孔材料，能够吸收噪音。
进一步，所述第一环形腔体和所述第二环形腔体的横截面均为矩形。
进一步，所述连接管包括中间管段、第一边管和第二边管，所述中间管段的两端分别设置有第一端盖和第二端盖，所述第一接头为所述第一边管的第一端，所述第一边管的第二端设置有第一外圈，所述第一外圈通过第一侧板与所述第一边管相连，所述第一端盖、第一外圈以及第一侧板围合成所述第一环形腔体；所述第二接头为所述第二边管的第一端，所述第二边管的第二端设置有第二外圈，所述第二外圈通过第二侧板与所述第二边管相连，所述第二端盖、第二外圈以及第二侧板围合成所述第二环形腔体。将连接管分为三段能够更加方便的制作和装配安装。
进一步，所述第一外圈与所述第一边管同轴设置，所述第一侧板与所述第一边管的中心轴垂直布置，所述第二外圈与所述第二边管同轴设置，所述第二侧板与所述第二边管的中心轴垂直布置。
进一步，所述第一端盖的端面轴向向外延伸设置有与所述第一外圈装配的第一卡接沿，所述第二端盖的端面轴向向外延伸设置有与所述第二外圈装配的第二卡接沿。设置的第一卡接沿和第二卡接沿能够提升对接的稳定性。
进一步，所述第一外圈、第一端盖、第二端盖以及第二外圈的外沿均设置有至少两个对齐的固定块，所述固定块上开设有固定孔。将螺栓依次穿过第一外圈、第一端盖、第二端盖以及第二外圈的固定块，实现对装配后的零部件进行固定。
进一步，所述中间管段与第一边管间隔布置以形成所述第一缝隙，所述中间管段与所述第二边管间隔布置以形成所述第二缝隙。
进一步，所述第一缝隙与所述第二缝隙之间的距离为所述吸收共振器的共振频率所对应的声波波长的四分之一。
附图说明
图1为本发明实施例的爆炸图；
图2为本发明实施例的正视图；
图3为本发明实施例的剖视图；
图4为本发明实施例2中中间管段的尺寸图；
图5为本发明实施例2中第一边管的尺寸图；
图6为本发明实施例2的仿真和实验结果对比图；
图7为本发明实施例3的仿真和实验结果对比图；
图8为本发明实施例2中反射体共振器的等效物理模型；
图9为本发明实施例2中反射率的理论计算和仿真验证对比图；
图10为本发明实施例2中吸收率的理论计算和仿真验证对比图。
附图标记：中间管段100、第一端盖110、第一卡接沿111、第二端盖120、第二卡接沿121、第一边管200、第一外圈210、第一侧板220、第一接头230、第二边管300、第二外圈310、第二侧板320、第二接头330、第一环形腔体400、第一缝隙410、第二环形腔体500、第二缝隙510、固定块600。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
实施例1
本实施例具体涉及一种管道降噪装置，包括反射体共振器、吸收体共振器以及连接管，所述反射体共振器包括第一环形腔体400，所述第一环形腔体400包覆在连接管的外部，所述连接管上开设有与所述第一环形腔体400连通的第一缝隙410；所述吸收体共振器包括第二环形腔体500，所述第二环形腔体500包覆在连接管的外部且与所述第一环形腔体400间隔设置，所述连接管上开设有与所述第二环形腔体500连通的第二缝隙510，所述第二环形腔体500内填充有吸音件；所述连接管的第一端伸出所述反射体共振器构造为第一接头230，所述连接管的第二端伸出所述吸收体共振器构造为第二接头330。在安装时，将管道上待安装的部位断开，然后通过第一接头230和第二接头330将断开的管道连接起来，进而保证管道内的气流通过降噪装置，并依次通过第一环形腔体400和第二环形腔体500进行降噪。
上述实施方式的有益效果如下：采用被动结构吸声原理，反射体共振器将频率与其共振频率相同或接近的入射声波进行反射，防止声波透射，同时与吸收体共振器配合，将未吸收的波反射进行重复吸收；吸收体共振器主要作用是对频率与其共振频率相同或接近的入射声波能量吸收进入其腔体内，并将其能量耗散，提升降噪能力。连接管的内部没有阻挡物，使得降噪的同时不影响通风性能。
其中，吸音件为采用蜜胺泡棉制成的环状体。蜜胺泡棉为多孔材料，能够吸收噪音。
为了便于对第一环形腔体400和第二环形腔体500的共振频率进行调节，将第一环形腔体400和第二环形腔体500的横截面均优选为矩形。第一环形腔体400和第二环形腔体500的参数包括深度和宽度。
为了构造第一环形腔体400和第二环形腔体500，将所述连接管分为中间管段100、第一边管200和第二边管300，在中间管段100的两端分别设置有第一端盖110和第二端盖120，所述第一接头230为所述第一边管200的第一端，所述第一边管200的第二端设置有第一外圈210，所述第一外圈210通过第一侧板220与所述第一边管200相连，所述第一端盖110、第一外圈210以及第一侧板220围合成所述第一环形腔体400；所述第二接头330为所述第二边管300的第一端，所述第二边管300的第二端设置有第二外圈310，所述第二外圈310通过第二侧板320与所述第二边管300相连，所述第二端盖120、第二外圈310以及第二侧板320围合成所述第二环形腔体500。将连接管分为三段能够更加方便的制作和装配安装。第一环形腔体400和第二环形腔体500的深度即为外圈和边管外侧之间的间距，第一环形腔体400和第二环形腔体500的宽度即为外圈的宽度。
其中，所述第一外圈210与第一边管200优选同轴设置，所述第一侧板220与所述第一边管200的中心轴垂直布置，所述第二外圈310与所述第二边管300同轴设置，所述第二侧板320与所述第二边管300的中心轴垂直布置。
为了增加端盖和外圈连接的稳固程度，在所述第一端盖110的端面轴向向外延伸设置有与所述第一外圈210装配的第一卡接沿111，所述第二端盖120的端面轴向向外延伸设置有与所述第二外圈310装配的第二卡接沿121。设置的第一卡接沿111和第二卡接沿121能够提升对接的稳定性。在所述第一外圈210、第一端盖110、第二端盖120以及第二外圈310的外沿均设置有至少两个对齐的固定块600，所述固定块600上开设有固定孔。将螺栓依次穿过第一外圈210、第一端盖110、第二端盖120以及第二外圈310的固定块600，实现对装配后的零部件进行固定。
中间管段100与第一边管200间隔布置以形成所述第一缝隙410，所述中间管段100与所述第二边管300间隔布置以形成所述第二缝隙510。第一缝隙410与所述第二缝隙510之间的距离为所述吸收共振器的共振频率所对应的声波波长的四分之一。
实施例2
参见图4-5，本实施例以具体的降噪参数设置对实施例1中的降噪装置进行更加具体的说明。设置参数如下：第一缝隙410和第二缝隙510的宽度为5mm，进深为3mm，其进深也即是连接管的壁厚；第一环形腔体400和第二环形腔体500的深度为40mm，宽度为15mm；第一缝隙410和第二缝隙510的间距为96mm；连接管的直径为100mm。
图6给出了对应本实施例中设置尺寸的环状吸声结构吸声性能的仿真(实线)和实验(星号)对比结果，可见结果与实验测试结果基本一致，可以在1170赫兹左右的频率实现接近100％的吸收率。
为了验证管道降噪装置的有效性，在本实施例中，依据时域耦合模理论，对通风管道旁侧耦合单个的环状亥姆霍兹共振器的模型进行建模，用以解释其工作的物理原理。
在通风管道中附加亥姆霍兹共振器的等效物理模型如图8所示。其中，s1|和s2+表示亥姆霍兹共振器左侧和右侧的入射波，s1-和s2-表示亥姆霍兹共振器左侧和右侧的反射波。根据时域耦合模理论，可以写出该模型的动力和输入-输出关系方程如下：
Figure BDA0003507287720000061
Figure BDA0003507287720000071
其中，ω0代表共振器的共振角频率，
Figure BDA0003507287720000072
代表吸声振动模态，
Figure BDA0003507287720000073
和
Figure BDA0003507287720000074
分别表示亥姆霍兹共振器的本征损耗特性和对外辐射特性，
Figure BDA0003507287720000075
和
Figure BDA0003507287720000076
则分别表示对共振器左侧和右侧的对外辐射特性，在该模型中，由于结构对称性，有：
Figure BDA0003507287720000077
而且满足：
Figure BDA0003507287720000078
由于在本实施例中，只研究单向声波入射的问题，所以定义s2+＝0。因此，由上述方程，可以推导出系统的传递系数t和反射系数r表达式如下：
Figure BDA0003507287720000079
其中，ω代表入射声波的角频率。根据上述方程，在ω＝ω0时，当亥姆霍兹共振器满足临界耦合条件
Figure BDA00035072877200000710
时，则有：r--0.5,t-0.5,A＝1-|r|2-|t|2＝0.5，符合单个吸收体的吸声性能上限性能。
而当不满足临界耦合条件时，令
Figure BDA00035072877200000711
则
Figure BDA00035072877200000712
可以忽略，所以有：r＝-1,t＝0,A＝1-|r|2-|t|2＝0，符合单个亥姆霍兹共振器作为反射体时的工作性能。
根据理论模型的公式进行建模，并与有限元仿真结果对照。通过使用本实施例中设置的参数，得到理论模型和仿真数据对比如图9和图10。其中，图9表示填充吸音件前的反射体的反射率曲线，图10表示填充吸音件之后的吸收体吸收率曲线。如图所示，该理论模型结果与仿真数据基本符合，表明该理论模型可以有效支持和解释本发明的工作原理。另外，理论模型中由于主要只考虑吸声相关的共振模态，其他阶共振模态被忽略，因此与仿真和后期的实验结果会有所偏差，但是并不影响主要的工作频率和性能预测，可以认为理论模型是准确有效的。
实施例3
如图7所示，参照实施例2，本实施例中对多组降噪装置的组合进行了仿真和实验测量验证，其吸收曲线在图7中。在实施例2单组吸收结构基础上，额外增加两组工作频率不同的吸声结构后，可见其在650-1250赫兹范围内形成90％以上的吸声效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种管道降噪装置，其特征在于，包括：
反射体共振器，所述反射体共振器包括第一环形腔体(400)，所述第一环形腔体(400)包覆在连接管的外部，所述连接管上开设有与所述第一环形腔体(400)连通的第一缝隙(410)；
吸收体共振器，所述吸收体共振器包括第二环形腔体(500)，所述第二环形腔体(500)包覆在连接管的外部且与所述第一环形腔体(400)间隔设置，所述连接管上开设有与所述第二环形腔体(500)连通的第二缝隙(510)，所述第二环形腔体(500)内填充有吸音件；以及，
所述连接管，所述连接管的第一端伸出所述反射体共振器构造为第一接头(230)，所述连接管的第二端伸出所述吸收体共振器构造为第二接头(330)。
2.根据权利要求1所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述吸音件为采用蜜胺泡棉制成的环状体。
3.根据权利要求1所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述第一环形腔体(400)和所述第二环形腔体(500)的横截面均为矩形。
4.根据权利要求1所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述连接管包括中间管段(100)、第一边管(200)和第二边管(300)，所述中间管段(100)的两端分别设置有第一端盖(110)和第二端盖(120)，所述第一接头(230)为所述第一边管(200)的第一端，所述第一边管(200)的第二端设置有第一外圈(210)，所述第一外圈(210)通过第一侧板(220)与所述第一边管(200)相连，所述第一端盖(110)、第一外圈(210)以及第一侧板(220)围合成所述第一环形腔体(400)；所述第二接头(330)为所述第二边管(300)的第一端，所述第二边管(300)的第二端设置有第二外圈(310)，所述第二外圈(310)通过第二侧板(320)与所述第二边管(300)相连，所述第二端盖(120)、第二外圈(310)以及第二侧板(320)围合成所述第二环形腔体(500)。
5.根据权利要求4所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述第一外圈(210)与所述第一边管(200)同轴设置，所述第一侧板(220)与所述第一边管(200)的中心轴垂直布置，所述第二外圈(310)与所述第二边管(300)同轴设置，所述第二侧板(320)与所述第二边管(300)的中心轴垂直布置。
6.根据权利要求4所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述第一端盖(110)的端面轴向向外延伸设置有与所述第一外圈(210)装配的第一卡接沿(111)，所述第二端盖(120)的端面轴向向外延伸设置有与所述第二外圈(310)装配的第二卡接沿(121)。
7.根据权利要求4所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述第一外圈(210)、第一端盖(110)、第二端盖(120)以及第二外圈(310)的外沿均设置有至少两个对齐的固定块(600)，所述固定块(600)上开设有固定孔。
8.根据权利要求4所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述中间管段(100)与第一边管(200)间隔布置以形成所述第一缝隙(410)，所述中间管段(100)与所述第二边管(300)间隔布置以形成所述第二缝隙(510)。
9.根据权利要求1或4所述一种管道降噪装置，其特征在于：所述第一缝隙(410)与所述第二缝隙(510)之间的距离为所述吸收共振器的共振频率所对应的声波波长的四分之一。
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