CN114550685B - 基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器 - Google Patents

基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，属于噪声控制领域。解决了现有通风型消声器隔声峰值频率较高，低频范围隔声量较低，受尺寸限制的问题。它包括背腔和折叠式粗糙颈管，所述折叠式粗糙颈管安装在背腔内，所述叠式粗糙颈管由四部分构成：一段直管与三段弯曲管，三段弯曲管与一段直管依次连接。本发明选取单一亥姆霍兹共振腔为基础，利用折叠颈管同时添加表面粗糙度使其保持其原有体积不变的前提下，降低隔声峰值频率，并且定义11个结构参数，选取特定几何结构进行组合，在保证完美通风的同时，实现制备低频隔声消声器的目的。

Description

基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器
技术领域
本发明属于噪声控制领域，特别是涉及一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器。
背景技术
隔声是噪声控制工程中的主要技术措施之一。传统的隔声方式就是用屏蔽物来改变从声源至接受者之间途径上的噪声传播，通常需要设置障碍物来反射或吸收声能，从而实现隔声目的。而对于管道消声需要在满足通风条件的前提下进行消声，传统方法已经不再适用，这就使得人们对管道消声进行了大量的研究。
目前管道噪声传播控制主要有布置弹性接头、安装消声弯头、安装流孔板和安装管道消声器等这几种方法。在上述的几种方法中，安装管道消声器是目前应用最广泛、效果最显著的方法。然而现有的管道消声器对于高频噪声有着良好的降噪效果，对于低频噪声而言却不尽人意，难以满足管道系统噪声的中低频宽带控制要求。共振腔式消声器可以在较低频带对噪声传播进行抑制，结构简单，易加工，声学性能易于控制，具有良好的吸声性能，故广泛应用于实际工程中来有效地降低感兴趣频率的噪音。但是其通常受到空间几何尺寸限制，因其共振频率取决于空腔、连接管的几何尺寸，为满足工程实际中进一步降低消声频率的需求，必须增大腔体容积或者连接管长度，而船舶内部通风管路系统、内燃机进排气系统等实际应用场合的空间布置十分紧凑，对设备外形尺寸的控制非常严格，期望通过增大共振器的尺寸来达到降低消声频率的可行性不是很大。基于超材料亚波长控制思路，将Helmholtz共振腔的颈管实现合理折叠放置可以提高空间利用率。单一经典Helmholtz共振腔想要实现低频隔声，需要保证有足够大的容腔体积，受空间几何尺寸限制实用性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，以解决现有通风型消声器隔声峰值频率较高，低频范围隔声量较低，受尺寸限制的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，包括背腔和折叠式粗糙颈管，所述折叠式粗糙颈管安装在背腔内，所述背腔为空心正方体结构，所述叠式粗糙颈管包括一段直管与三段弯曲管，三段弯曲管与一段直管依次连接；在连接时，首先第一段弯曲管与第二段弯曲管基于各自弯曲圆弧所在的对称面成平行镜像放置，两者各自的对称平面相距2rc，rc为颈管弯曲半径，两段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面；第三段弯曲管的首尾同时连接另外两段弯曲管的首部，使第三段弯曲管与另外两段弯曲管圆弧所在的对称面互相垂直，同时三段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面，但第三段弯曲管的整体与另外两段弯曲管相反放置，处于首尾处的圆环平面的另一侧；最后，将直管与其中一段弯曲管一端相连，调整颈管整体位置，使得直管能通过背腔连接孔与背腔构成整体；
更进一步的，亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure BDA0003487174950000021
式中，c＝340m/s为声速，Sh为颈管横截面积，V为背腔体积，l′n为颈管的有效长度；
根据公式，推导出粗糙折叠颈管结构的叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure BDA0003487174950000022
其中，a为正方体背腔的边长，rc为颈管弯曲半径，
Figure BDA0003487174950000023
为颈管的修正长度，rn为颈管半径，
Figure BDA0003487174950000024
为颈管的有效半径，lc为直管长度，φ为颈管面积与背腔底面积之比。
更进一步的，背腔长度a为50mm，颈管弯曲半径rc为12.5mm，颈管半径rn为4mm，直管长度lc为29.45mm。
更进一步的，折叠式粗糙颈管的粗糙度包括轴向粗糙度与径向粗糙度，颈管内壁用余弦函数表征，
笛卡尔坐标系下颈管的直管结构的内壁曲线函数为：
Figure BDA0003487174950000031
极坐标系下颈管的弯曲管结构的内壁曲线函数为：
Figure BDA0003487174950000032
其中，轴向粗糙度b为余弦函数周期，径向粗糙度δ为余弦函数幅值，dn为颈管内壁有效宽度。
更进一步的，轴向粗糙度b为4.9mm，颈管内壁有效宽度dn为6mm，径向粗糙度δ为1mm。
更进一步的，颈管壁厚为1mm。
更进一步的，背腔壁厚为1mm。
更进一步的，背腔连接孔外孔半径ra为2.71mm。
更进一步的，背腔连接孔内孔半径rb为3.83mm。
与现有技术相比，本发明所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的有益效果是：
(1)本发明选取单一亥姆霍兹共振腔为基础，利用折叠颈管同时添加表面粗糙度使其保持其原有体积不变的前提下，降低隔声峰值频率，并且定义11个结构参数，选取特定几何结构进行组合，在保证完美通风的同时，实现制备低频隔声消声器的目的。
(2)由于本发明添加结构，在保证相同体积不变的同时，大幅度降低隔声峰值频率，对比传统共振器，在相同体积的前提下可以使结构隔声峰值频率从246Hz降低到58Hz附近，实现低频隔声，如图12所示。并且本消声器对材质没有具体要求，只需要固体结构即可实现。
(3)本发明通过螺旋结构可在保持外体积相同，其他几何尺寸不变的前提下，实现降低隔声峰值频率，实现低频消声的目的。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是折叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振器结构图；
图2是亥姆霍兹共振器共背腔结构图；
图3是图2亥姆霍兹共振器背腔结构的三视图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图4是共振器折叠式粗糙颈管结构图；
图5是图4共振器折叠式粗糙颈管结构的三视图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图6是折叠式粗糙颈管的直管结构图；
图7是图6颈管的直管结构的三视图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图8是笛卡尔坐标系下颈管的直管结构的内壁曲线图；
图9是折叠式粗糙颈管的弯曲管结构图；
图10是图9颈管的弯曲管结构的三视图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图11是极坐标系下颈管的弯曲管结构的内壁曲线图；
图12是所设计的折叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振器与同体积下经典共振器传输损耗对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一、具体实施方式一，参见图1-12说明本实施方式，一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，包括背腔和折叠式粗糙颈管，所述折叠式粗糙颈管安装在背腔内，所述叠式粗糙颈管由四部分构成：一段直管与三段弯曲管，三段弯曲管与一段直管依次连接。
在连接时，首先第一段弯曲管与第二段弯曲管基于各自弯曲圆弧所在的对称面成平行镜像放置，两者各自的对称平面相距2rc，两段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面；第三段弯曲管的首尾同时连接另外两段弯曲管的首部，使第三段弯曲管与另外两段弯曲管圆弧所在的对称面互相垂直，同时三段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面，但第三段弯曲管的整体与另外两段弯曲管相反放置，处于首尾处的圆环平面的另一侧；最后，将直管与其中一段弯曲管一端相连，调整颈管整体位置，使得直管能通过背腔连接孔与背腔构成整体。所述叠式粗糙颈管形状类似三维一阶希尔伯特曲线，直管与弯曲管结构图如图6与图9所示，其三视图如图7与图10所示。
通过三视图3定义背腔的几何参数与三视图5定义折叠式粗糙颈管的几何参数，同时折叠式粗糙颈管由一段三视图7定义的直管与三段三视图10定义的弯曲管构成。所述叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振器由两部分组成：背腔与折叠式粗糙颈管，二者通过连接孔构成整体。其结构图分别如图2与图4所示，其三视图如图3与图5所示。
亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure BDA0003487174950000051
式中，c＝340m/s为声速，Sh为颈管横截面积，V为背腔体积，l′n为颈管的有效长度。根据公式，推导出粗糙折叠颈管结构的叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure BDA0003487174950000052
其中，a为正方体背腔的边长，rc为颈管弯曲半径，
Figure BDA0003487174950000061
为颈管的修正长度，rn为颈管半径，
Figure BDA0003487174950000062
为颈管的有效半径，lc为直管长度，φ为颈管面积与背腔底面积之比。
通过笛卡尔坐标系下颈管的直管结构的内壁曲线图8与极坐标系下颈管的弯曲管结构的内壁曲线图11引入颈管内壁粗糙度。
折叠式粗糙颈管的粗糙度由两部分组成：轴向粗糙度与径向粗糙度。颈管内壁用余弦函数表征。轴向粗糙度b为余弦函数周期，径向粗糙度δ为余弦函数幅值，dn为颈管内壁有效宽度。
其中笛卡尔坐标系下颈管的直管结构的内壁曲线图如图8所示。两条内壁曲线函数为：
Figure BDA0003487174950000063
极坐标系下颈管的弯曲管结构的内壁曲线图如图11所示。两条内壁曲线函数为：
Figure BDA0003487174950000064
在本实施方式中，轴向粗糙度b为4.9mm，颈管内壁有效宽度dn为6mm，径向粗糙度δ为1mm。
颈管壁厚为1mm，背腔壁厚为1mm，背腔连接孔外孔半径ra为2.71mm，背腔连接孔内孔半径rb为3.83mm。
颈管壁厚、背腔壁厚、连接孔以及粗糙度，都是描述尺寸结构时用到的数据，颈管壁厚和背腔壁厚壁厚主要是考虑3D打印的坚固程度，从整体结构的稳定性考虑优选1mm。
共计11个几何尺寸共同实现降低隔声峰值频率，定义整体几何尺寸为11个参数，分别为：
参数 意义 尺寸(mm)
α 背腔长度 50
t<sub>1</sub> 颈管壁厚 1
t<sub>2</sub> 背腔壁厚 1
r<sub>c</sub> 颈管弯曲半径 12.5
r<sub>n</sub> 颈管半径 4
l<sub>c</sub> 直管长度 19.45
r<sub>a</sub> 背腔连接孔外孔半径 2.71
r<sub>b</sub> 背腔连接孔内孔半径 3.83
b 轴向粗糙度 4.9
d<sub>n</sub> 颈管内壁有效宽度 6
δ 径向粗糙度 1
对设计完成结构进行传输损耗计算，实现了在50×50×50mm尺寸下，隔声峰值频率降为58.3Hz，隔声峰值能达到58dB。通过组合结构实现了低频隔声的目的。
本发明提供添加粗糙折叠颈管结构的叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹消声器，通过连接孔将背腔与粗糙折叠颈管组合而成。其中亥姆霍兹共振腔整体结构如图1所示，隔声峰值频率在58.3Hz处，其由图2所示背腔与图4所示折叠式粗糙颈管两部分构成为复合型亥姆霍兹共振腔，相较于传统共振腔，等体积的条件下隔声峰值由246Hz降为58Hz，说明折叠式粗糙颈管结构能极大地降低隔声峰值频率。
本发明通过仿真计算验证折叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振器隔声性能。
本结构所使用材料无特定要求，可以使用任意刚性材料都能达到理想效果。
综上所述，利用折叠式粗糙颈管对亥姆霍兹共振腔隔声峰值频率进行优化，通过有限元对结构进行计算，仿真结构隔声效果，可以实现设计低频隔声消声器。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (9)

1.一种基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：包括背腔和折叠式粗糙颈管，所述折叠式粗糙颈管安装在背腔内，所述背腔为空心正方体结构，所述叠式粗糙颈管包括一段直管与三段弯曲管，三段弯曲管与一段直管依次连接；
在连接时，首先第一段弯曲管与第二段弯曲管基于各自弯曲圆弧所在的对称面成平行镜像放置，两者各自的对称平面相距2rc，rc为颈管弯曲半径，两段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面；第三段弯曲管的首尾同时连接另外两段弯曲管的首部，使第三段弯曲管与另外两段弯曲管圆弧所在的对称面互相垂直，同时三段弯曲管首尾处的圆环处于同一平面，但第三段弯曲管的整体与另外两段弯曲管相反放置，处于首尾处的圆环平面的另一侧；最后，将直管与其中一段弯曲管一端相连，调整颈管整体位置，使得直管能通过背腔连接孔与背腔构成整体。
2.根据权利要求1所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：
亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure FDA0003487174940000011
式中，c＝340m/s为声速，Sk为颈管横截面积，V为背腔体积，l′n为颈管的有效长度；
根据公式，推导出粗糙折叠颈管结构的叠式粗糙颈管的复合型亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：
Figure FDA0003487174940000012
其中，a为正方体背腔的边长，rc为颈管弯曲半径，
Figure FDA0003487174940000013
为颈管的修正长度，rn为颈管半径，
Figure FDA0003487174940000014
为颈管的有效半径，lc为直管长度，φ为颈管面积与背腔底面积之比。
3.根据权利要求2所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：背腔长度a为50mm，颈管弯曲半径rc为12.5mm，颈管半径rn为4mm，直管长度lc为29.45mm。
4.根据权利要求2所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：折叠式粗糙颈管的粗糙度包括轴向粗糙度与径向粗糙度，颈管内壁用余弦函数表征，
笛卡尔坐标系下颈管的直管结构的内壁曲线函数为：
Figure FDA0003487174940000021
极坐标系下颈管的弯曲管结构的内壁曲线函数为：
Figure FDA0003487174940000022
其中，轴向粗糙度b为余弦函数周期，径向粗糙度δ为余弦函数幅值，dn为颈管内壁有效宽度。
5.根据权利要求4所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：轴向粗糙度b为4.9mm，颈管内壁有效宽度dn为6mm，径向粗糙度δ为1mm。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：颈管壁厚为1mm。
7.根据权利要求2或3或4或5所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：背腔壁厚为1mm。
8.根据权利要求2或3或4或5所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：背腔连接孔外孔半径ra为2.71mm。
9.根据权利要求2或3或4或5所述的基于折叠式粗糙颈管亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：背腔连接孔内孔半径rb为3.83mm。
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