CN115214733A - 一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空调风道减振降噪技术领域，具体地说，涉及一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其包括顶板，顶板底部设有外壳，外壳内部形成共振腔，外壳底部设有底板；顶板正中心设有圆孔，圆孔向共振腔的内部延伸；底板正中心设有内嵌声学黑洞，内嵌声学黑洞包括厚度逐渐变薄的声学黑洞区域以及厚度均匀的延伸区域，延伸区域上设有阻尼层；顶板顶面设有吸音板，吸音板正中心设有通孔，所述通孔与圆孔对应。本发明能较佳地减振降噪。
Description
技术领域
本发明涉及空调风道减振降噪技术领域，具体地说，涉及一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置。
背景技术
随着轨道交通的快速发展以及列车运行速度的不断提高，列车在保证安全高效运行的同时，还需要尽可能地提供司乘人员以舒适的乘坐环境。
但是车内噪声水平随着车速的提高而提高，这直接影响了车内人员的乘坐舒适度。车内噪声来源众多，设备噪声中较为显著的便是空调噪声。空调系统产生的气流在风道中高速流动，在与风道内壁的反复摩擦过程中激励风道结构发生振动产生噪声，以及空调压缩机振动和送风机风扇旋转产生的噪声，这些噪声通过风口、风道壁板以及内饰板传到客室内部，影响客室内部声学环境。如何降低空调系统产生的噪声，成为了亟待解决的技术问题。
目前对于空调系统风道噪声的降噪方法主要有三，一是在风道内壁贴附吸声材料，二是优化风道结构，三是设置微穿孔消声板。
在风道内壁贴附吸声材料可以有效降低高频噪声，但是风道内噪声频带较宽，而吸声材料的作用频带较窄，无法降低中低频噪声；其次，风道壁板面积大，吸声材料用量大，降噪成本高；再者，风道规格形状大小不一，在转角处无法贴合风道内壁；最后，灰尘进入风道内会吸附于吸声材料表面造成堵塞，影响降噪效果。
优化风道结构可以改善空气的流速和流动特性，降低空气对风道的冲击，进而达到降低噪声目的。但是该方法不便于检修，且会影响风道正常运用，实际使用效果较差；其次存在一定局限性，因为风道结构、特性各不相同，需要针对不同风道实际情况具体分析，因此该方法不具有普遍性。
设置微穿孔消声板可以有效降低中低频噪声，但是板后需要配合空腔使用，受限于风道的结构和尺寸；其次，灰尘极易堵塞消声板的小孔，使其降噪效果变差，并且增加后续维护成本和难度。
此外，目前对于空调系统风道噪声的控制措施多集中在噪声传播路径控制方面，没有综合考虑风道自身因压缩机、送风机等工作时振动传递导致的声辐射，以及因湍流和气流激励风道产生的噪声。
发明内容
本发明的内容是提供一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其能够在较宽频带内降低轨道列车空调系统风道的振动和噪声，改善客室内部声学环境，提高乘坐舒适度。
根据本发明的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其包括顶板，顶板底部设有外壳，外壳内部形成共振腔，外壳底部设有底板；顶板正中心设有圆孔，圆孔向共振腔的内部延伸；底板正中心设有内嵌声学黑洞，内嵌声学黑洞包括厚度逐渐变薄的声学黑洞区域以及厚度均匀的延伸区域，延伸区域上设有阻尼层；顶板顶面设有吸音板，吸音板正中心设有通孔，所述通孔与圆孔对应。
作为优选，顶板、圆孔、外壳和底板构成了赫姆霍兹共振器。
作为优选，顶板、外壳和底板截面形状及尺寸相同，顶板、外壳和底板均为薄板结构。
作为优选，圆孔延伸部分的壁厚与顶板的厚度相等。
作为优选，顶板、圆孔延伸部分、外壳和底板均采用同一种材料制成，这种材料的特征阻抗大于空气，材料为金属、硬质塑料、陶瓷、树脂中的一种。
作为优选，顶板、圆孔延伸部分、外壳和底板通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割成型。
作为优选，吸音板采用碳纤维棉、三聚氰胺、聚酯纤维棉或玻璃丝绵材料。
作为优选，声学黑洞区域与底板的下表面之间的垂直距离自声学黑洞区域的内侧边缘向外侧边缘以指数形式h(r)＝ε(r-r0)m+h0逐渐递增，其中ε表示常数，指数m≥2，h0表示延伸区域与底板的下表面之间的垂直距离，r0表示延伸区域的半径，r表示声学黑洞区域上的任意位置与内嵌声学黑洞正中心的水平距离。
本发明具有如下技术效果：
1.本发明可在较宽频带内对风道内噪声进行控制，吸音材料可以吸收风道内高频噪声，赫姆霍兹共振器可以对风道内中低频噪声进行共振吸声；同时，声学黑洞还可以对风道的振动进行控制，进而降低因风道振动而产生的噪声；
2.本发明可以根据风道内噪声的显著频率设计赫姆霍兹共振器的结构参数，根据风道的振动特性设计声学黑洞的结构参数；
3.本发明可以根据风道内部结构和空间，对赫姆霍兹共振器的结构和尺寸进行设计，更加有效利用风道内的空间，且不影响风道正常工作；
4.通过将不同结构和尺寸的赫姆霍兹共振器进行组合排列，可以拓宽共振吸声的频率范围，并获得不同效果的共振吸声性能；
5.通过引入多个不同结构参数的声学黑洞，可以实现较宽频带振动的吸收；同时，在声学黑洞的上表面贴附有阻尼层，加强了吸振效果。
附图说明
图1为本发明提供的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置的结构展开示意图；
图2为图1中底板结构的区域分布示意图；
图3为图1中减振降噪装置的外部尺寸示意图；
图4为图1中减振降噪装置的剖面示意图；
图5为本发明提供的一种根据风道内部结构和空间设计的减振降噪装置结构示意图；
图6为图5中减振降噪装置在空调风道内部的安装示意图；
图7为本发明提供的一种超薄型减振降噪装置结构示意图；
图8为图7中减振降噪装置在空调风道内部的安装示意图；
其中：1顶板，2圆孔，3外壳，4底板，5吸音板，6内嵌声学黑洞，7阻尼层，8共振腔。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例
如图1-4所示，本实施例提供了一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其包括顶板1，顶板1和底板4的形状及尺寸相同，均为长方形薄板结构，长宽分别为a、b，厚度分别为t1、t2；圆孔2位于顶板1的正中心，半径为rc。外壳3位于顶板1和底板4之间，外壳3的截面为空心矩形，空心矩形截面外侧长宽分别为a、b，内侧长宽分别为a-2t1、b-2t1；外壳3厚度与顶板1厚度一致为t1，外壳3高度为c；外壳3与顶板1和底板4紧密连接，在内部形成共振腔8，连接方式可为胶水粘接或者激光焊接等。圆孔2位于顶板1的正中心，向共振腔8的内部延伸，深度为lc，圆孔2延伸部分厚度与穿孔顶板1厚度一致为t1。吸音板5位于顶板1的上表面，形状及尺寸与顶板1相同，长宽分别为a、b，厚度为t3；吸音板5的正中心开有与顶板1相同形状及尺寸的通孔，半径为rc，所述通孔与圆孔2对应。内嵌声学黑洞6位于底板4的正中心，通过去除底板4的自身材料形成；内嵌声学黑洞6包含厚度逐渐变薄的声学黑洞区域61以及厚度均匀的延伸区域62。厚度均匀的延伸区域62半径为r0，其与底板4的下表面之间的垂直距离为h0。声学黑洞区域61为一个圆环结构，小半径与延伸区域62半径相等为r0，大半径为r1；其与底板4的下表面之间的垂直距离为h(r)＝ε(r-r0)m+h0(m≥2)，其中ε表示常数，r表示声学黑洞区域61上的任意位置与内嵌声学黑洞6正中心的水平距离；在r＝r0处，垂直距离h(r)＝h0；在r＝r1处，垂直距离h(r)＝t2。阻尼层7位于延伸区域62的上表面，为一个半径为r0的圆柱体结构，厚度为t4。
所述声学黑洞区域61和延伸区域62直接连接，在加工制作过程中两部分同时完成。例如，可以通过对一个长宽分别为a和b、厚度为t2的长方形薄板结构进行铣削得到，或者通过3D打印、模具注塑等先进加工手段直接一体成型。
本实施例提供的内嵌声学黑洞6是一种类似于透镜的陷波器，利用了弯曲波在变厚度结构中的传播特性：当该结构的厚度按照一定幂函数减小时，弯曲波的相速度和群速度也相应减小；在理想情况下，当该结构的边缘厚度减小为零时，结构中的波速也可减小为零，此时波不会发生反射，所有波动能量都会集中在该结构的边缘位置。因此，本实施例通过将带有声学黑洞结构的底板4贴附在空调风道内部壁面，使得底板4中的波动能量聚集在内嵌声学黑洞6的区域内；并在声学黑洞边缘位置的延伸区域62表面粘贴阻尼层7，可以实现高效的能量吸收以及减振降噪目的。
所述阻尼层7为一圆形垫片结构，其半径与延伸区域62半径相等为r0，厚度为t3。所述阻尼层7粘附于延伸区域62的上表面。所述阻尼层7通常选取高分子聚合物制成，例如环氧树脂、聚硫橡胶和塑胶材料等，其材料损失因子远大于内嵌声学黑洞6的材料损失因子。
顶板1、圆孔2、外壳3和底板4构成了赫姆霍兹共振器。通过调整圆孔2的尺寸(具体为圆孔2的半径和深度)、共振腔8的尺寸(具体为共振腔8的体积)，可以使赫姆霍兹共振器获得不同频率的共振吸收峰。
通过调整内嵌圆孔2的尺寸(具体为圆孔2的半径和深度)，可以使赫姆霍兹共振器获得不同效果的共振吸声性能。
本实施例通过将顶板1、圆孔2、外壳3和底板4进行组合，构成了连接管内嵌式赫姆霍兹共振器，并在内部形成了共振腔8。根据Rayleigh的Sondhauss公式可以得到赫姆霍兹共振器的共振频率为：
其中，c0为空气中声速；Ac为内嵌圆孔2的横截面积，Ac＝πrc 2；V为共振腔8的体积，V＝(a-2t1)(b-2t1)c-π(rc+t1)2lc；
根据公式(1)，可以发现通过调整赫姆霍兹共振器的部分参数可以改变其共振频率：增大共振腔8的体积V、减小圆孔2的半径rc、增大圆孔2的深度lc可以降低赫姆霍兹共振器的共振频率。利用这一特点，可以针对风道内噪声的显著频率，通过调整赫姆霍兹共振器的参数，使其在噪声显著频率处获得共振吸收峰。
为了保证所述赫姆霍兹共振器的共振吸声效果，本实施例的顶板1、圆孔2、外壳3和底板4采用同种材料制成，并且这种材料需要满足能够与空气形成巨大阻抗不匹配。所述材料可为金属、硬质塑料、陶瓷和树脂等其中一种。本实施例的顶板1、圆孔2、外壳3和底板4可以通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割等工艺成型。
本实施例的赫姆霍兹共振器为长方体形状，也可以为圆柱体、正方体或其他多边体形状，也可以根据风道内部结构和空间，对赫姆霍兹共振器的结构和尺寸进行定制化设计，以充分利用风道空间，且不影响风道正常工作。
本实施例提供的赫姆霍兹共振器只能实现一个频率的共振吸收峰，通过将多个不同结构和尺寸的赫姆霍兹共振器进行组合排列，可以获得多个不同频率的共振吸收峰，进而可以拓宽共振吸声的频率范围，并且获得额外的共振吸声性能。
吸音板5采用碳纤维棉、三聚氰胺、聚酯纤维棉和玻璃丝绵材料，其吸声性能可以通过阻抗管测量得到。
本实施例根据风道内部结构和空间，提供一种具有两个共振吸收频率的空调风道减振降噪装置，具体结构如图5所示，其在风道中的安装情况如图6所示。该装置主要是由左右两个赫姆霍兹共振器以及中间两个赫姆霍兹共振器组成，每个共振器的顶板覆盖吸声材料，底板设置声学黑洞结构。本实施例提供的减振降噪装置整体厚度为95mm(包括5mm的吸声材料)，其他尺寸与风道内部尺寸一致。该装置可以在169Hz和255Hz频率处提供共振吸收峰值。
本实施例还提供一种具有两个共振吸收频率的超薄型空调风道减振降噪装置，具体结构如图7所示，其在风道中的安装情况如图8所示。该装置主要是由左右两个赫姆霍兹共振器以及中间一个赫姆霍兹共振器组成，每个共振器的顶板覆盖吸声材料，底板设置声学黑洞结构。本实施例提供的超薄型减振降噪装置整体厚度为30mm(包括5mm的吸声材料)，其他尺寸与风道内部尺寸一致。该装置可以在238Hz和338Hz频率处提供共振吸收峰值。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：包括顶板(1)，顶板(1)底部设有外壳(3)，外壳(3)内部形成共振腔(8)，外壳(3)底部设有底板(4)；顶板(1)正中心设有圆孔(2)，圆孔(2)向共振腔(8)的内部延伸；底板(4)正中心设有内嵌声学黑洞(6)，内嵌声学黑洞(6)包括厚度逐渐变薄的声学黑洞区域(61)以及厚度均匀的延伸区域(62)，延伸区域(62)上设有阻尼层(7)；顶板(1)顶面设有吸音板(5)，吸音板(5)正中心设有通孔，所述通孔与圆孔(2)对应。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：顶板(1)、圆孔(2)、外壳(3)和底板(4)构成了赫姆霍兹共振器。
3.根据权利要求2所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：顶板(1)、外壳(3)和底板(4)截面形状及尺寸相同，顶板(1)、外壳(3)和底板(4)均为薄板结构。
4.根据权利要求3所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：圆孔(2)延伸部分的壁厚与顶板(1)的厚度相等。
5.根据权利要求4所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：顶板(1)、圆孔(2)延伸部分、外壳(3)和底板(4)均采用同一种材料制成，这种材料的特征阻抗大于空气，材料为金属、硬质塑料、陶瓷、树脂中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：顶板(1)、圆孔(2)延伸部分、外壳(3)和底板(4)通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割成型。
7.根据权利要求6所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：吸音板(5)采用碳纤维棉、三聚氰胺、聚酯纤维棉或玻璃丝绵材料。
8.根据权利要求7所述的一种宽频带轨道列车空调风道减振降噪装置，其特征在于：声学黑洞区域(61)与底板(4)的下表面之间的垂直距离自声学黑洞区域(61)的内侧边缘向外侧边缘以指数形式h(r)＝ε(r-r0)m+h0逐渐递增，其中ε表示常数，指数m≥2，h0表示延伸区域(62)与底板(4)的下表面之间的垂直距离，r0表示延伸区域(62)的半径，r表示声学黑洞区域(61)上的任意位置与内嵌声学黑洞(6)正中心的水平距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20221021 |