CN115493017A - 一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于盘绕式背腔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，受尺寸限制问题。它包括圆柱状消声器本体和颈管；在圆柱状消声器本体的中心轴线处开设有中心圆柱形通风孔，消声器外壁、消声器内壁、上盖板和下盖板合围成亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔通过两道颈管与通风管相连通，通过两道分隔板将亥姆霍兹共振腔分为体积相同的两部分空腔，在亥姆霍兹共振腔内部设置若干隔板，其中共有若干道固定于消声器内壁上的均匀分布的内隔板，若干道固定于消声器外壁上的均匀分布的外隔板，内隔板与若干外隔板交错分布，构成盘绕式背腔。本发明适用于消声。

Description

一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器

技术领域

本发明创造属于噪声控制领域，尤其是涉及一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器。

背景技术

隔声是噪声控制中的主要技术措施之一。常用的隔声方式就是放置屏蔽物来改变从声源至接收者之间的传播途径上的噪声传播，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，传统方法已经效果甚微，这就使得人们急需一类优异的通风管道隔声方式。目前管道噪声传播控制主要有安装弹性接头、消声弯头、流孔板和管道消声器等方法。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控制要求。亥姆霍兹共振腔式消声器可以在低频对噪声传播进行抑制，结构简单，易加工，声学性能易于控制，具有良好的消声性能，故广泛应用于实际工程中来降低对应频段的噪音。但是因其共振频率取决于空腔及连接管的几何尺寸，通常受到空间几何尺寸的严格限制，为满足实际应用中进一步降低消声频率的需求，必须增大空腔体积或者连接管长度，但一些实际应用场合如船舶内部通风管路系统、内燃机进排气系统等空间布置十分紧凑，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很低。基于超材料亚波长控制思路，将亥姆霍兹共振腔的背腔通过盘绕折叠放置以延长声波传播路径。单一经典亥姆霍兹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。因此，需要全新设计一种消声器来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于盘绕式背腔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。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，包括圆柱状消声器本体、颈管(6)及固定于消声器内部的若干隔板；在圆柱状消声器本体的中心轴线处开设有中心圆柱形通风孔(1)，所述的圆柱状消声器本体包括消声器外壁(2)、消声器内壁(5)、上盖板(3)和下盖板(4)，消声器外壁(2)、消声器内壁(5)、上盖板(3)和下盖板(4)合围成亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔通过两道颈管(6)与中心圆柱形通风孔(1)连通，通过两道分隔板(7)将亥姆霍兹共振腔分为体积相同的两部分空腔，在亥姆霍兹共振腔内部设有若干隔板，其中共有若干道固定于消声器内壁上的均匀分布的内隔板(8)，若干道固定于消声器外壁上的均匀分布的外隔板(9)，每个内隔板和外隔板均为沿圆柱状消声器本体的径向布置，且厚度相同，每部分空腔内部的若干内隔板(8)与若干外隔板(9)交错分布，构成盘绕式背腔(10)；

当声波沿消声器轴向方向传播时，会通过狭长的颈管(6)进入消声器内部，并沿着盘绕式背腔(10)传播，颈部的空气和内部空间之间产生剧烈的共振作用损耗了声能。

更进一步的，亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：

式中，式中c为声速，S_k为颈管横截面积，V为背腔体积，l′_n为颈管的有效长度；

盘绕式背腔复合型亥姆霍兹共振腔计算公式为：

其中，R₁为中心圆柱形通风孔圆半径，R₂为消声器内壁圆半径，R₃为外隔板顶端圆半径，R₄为内隔板顶端圆半径，R₅为消声器背腔圆半径，R₆为消声器外壁圆半径，l为背腔长度，t₁为颈管宽度，t₂为隔板的厚度。

更进一步的，中心圆柱形通风孔圆半径R₁为15mm，消声器内壁圆半径R₂为20mm，消声器外壁圆半径R₆为37mm，外隔板顶端圆半径R₃为23.75mm，内隔板顶端圆半径R₄为31.25mm，消声器背腔圆半径R₅为35mm，颈管宽度t₁为1.5mm，背腔长度l为90mm，隔板的厚度t₂均为2mm，颈管宽度t₁为1.5mm。

更进一步的，在每个分隔板(7)两侧布置的均是内隔板。

更进一步的，设置十道固定于消声器外壁(2)上的均匀分布的外隔板(9)，设置十二道固定于消声器内壁(5)上的均匀分布的内隔板(8)。

更进一步的，每个颈管与其最邻近的内隔板的夹角α均为15°，相邻两个内、外隔板的夹角β为30°。

更进一步的，两个分隔板(7)靠近相应侧的颈管布置。

更进一步的，所述上盖板(3)和下盖板(4)的厚度相同均为2mm。

更进一步的，颈管(6)开设在消声器内壁(5)上，颈管(6)贯通消声器内壁(5)的厚度方向。

更进一步的，两道颈管(6)对称布置。

与现有技术相比，本发明创造所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的有益效果是：

(1)本发明创造所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，添加隔板构成盘绕式背腔结构，在保证同等体积尺寸的前提下，大幅度降低隔声峰值频率。

(2)本发明创造所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，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665Hz降低到381Hz附近，降低约42％，且能保持一定的带宽，能够实现低频有效隔声。

(3)本发明创造所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，对材质没有具体要求，只需要固体刚性结构即能够实现。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的外形图；

图2为本发明创造实施例所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的透视图；

图3为本发明创造实施例所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的截面示意图；

图4为本发明创造实施例所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的各部分尺寸示意图；

图5为本发明创造实施例所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器的外壁厚尺寸示意图；

图6为一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器与同体积下经典共振器传输损耗对比图。

附图标记说明：

1、中心圆柱形通风孔；2、消声器外壁；3、上盖板；4、下盖板；5、消声器内壁；6、颈管；7、分隔板；8、内隔板；9、外隔板；10、盘绕式背腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图5所示，一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，包括圆柱状消声器本体、颈管6及固定于消声器内部的若干隔板；在圆柱状消声器本体的中心轴线处开设有中心圆柱形通风孔1，所述的圆柱状消声器本体包括消声器外壁2、消声器内壁5、上盖板3和下盖板4，消声器外壁2、消声器内壁5、上盖板3和下盖板4合围成亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔通过两道颈管6与中心圆柱形通风孔1相连通，通过两道分隔板7将亥姆霍兹共振腔分为体积相同的两部分空腔，在亥姆霍兹共振腔内部设有若干隔板，其中共有若干道固定于消声器内壁上的均匀分布的内隔板8，若干道固定于消声器外壁上的均匀分布的外隔板9，每个内隔板和外隔板均为沿圆柱状消声器本体的径向布置，且厚度相同，每部分空腔内部的若干内隔板8与若干外隔板9交错分布，构成盘绕式背腔10；分隔板7的厚度与内外隔板的厚度都相同；

当声波沿消声器轴向方向传播时，会通过狭长的颈管6进入消声器内部，并沿着盘绕式背腔10传播，颈部的空气和内部空间之间产生剧烈的共振作用损耗了声能。

亥姆霍兹共振腔共振频率公式为：

式中，式中c为声速，S_k为颈管横截面积，V为背腔体积，l′_n为颈管的有效长度；

盘绕式背腔复合型亥姆霍兹共振腔计算公式为：

其中，R₁为中心圆柱形通风孔圆半径，R₂为消声器内壁圆半径，R₃为外隔板顶端圆半径，R₄为内隔板顶端圆半径，R₅为消声器背腔圆半径，R₆为消声器外壁圆半径，l为背腔长度，t₁为颈管宽度，t₂为隔板的厚度。

具体可以为：中心圆柱形通风孔圆半径R₁为15mm，消声器内壁圆半径R₂为20mm，消声器外壁圆半径R₆为37mm，外隔板顶端圆半径R₃为23.75mm，内隔板顶端圆半径R₄为31.25mm，消声器背腔圆半径R₅为35mm，颈管宽度t₁为1.5mm，背腔长度l为90mm，所有隔板的厚度t₂均为2mm，颈管宽度t₁为1.5mm；所述上盖板3和下盖板4的厚度相同也均为2mm。

在每个分隔板7两侧布置的均是内隔板。设置十道固定于消声器外壁2上的均匀分布的外隔板9，设置十二道固定于消声器内壁5上的均匀分布的内隔板8。每个颈管与其最邻近的内隔板的夹角α均为15°，相邻两个内、外隔板的夹角β为30°。两个分隔板7靠近相应侧的颈管布置。

颈管6开设在消声器内壁5上，颈管6贯通消声器内壁5的厚度方向。两道颈管6对称布置。

下面给出一种具体示例：

本申请的盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其由两相同的盘绕背腔亥姆霍兹共振腔旋转对称放置组成，通过颈管与中心通风管连通，定义复合型亥姆霍兹消声器整体几何尺寸为11个参数，如图4和图5所示，几何参数如下表分别为：

对设计完成结构进行传输损耗计算，实现了在直径74mm、长94mm尺寸下的盘绕式背腔的复合型亥姆霍兹消声器，通过仿真计算验证盘绕式背腔的复合型亥姆霍兹消声器隔声性能，得出本申请的结构的隔声峰值频率在381Hz处，相较于传统共振腔，等体积的条件下隔声峰值由665Hz降为381Hz，如图6所示，降低约42％，且能保持一定的带宽，能够实现低频有效隔声；说明盘绕式背腔结构能极大地降低隔声峰值频率。

盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器通过表格定义的几何参数确定；共计11个几何尺寸共同实现降低隔声峰值频率。

隔声峰值频率降为381Hz，隔声峰值能达到33.5dB；通过组合结构实现了低频有效隔声，且仍能保持一定带宽的效果。

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，利用盘绕式背腔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。

以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造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创造的原理和实际应用，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创造。

Claims (10)

1.一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：包括圆柱状消声器本体、颈管(6)及固定于消声器内部的若干隔板；在圆柱状消声器本体的中心轴线处开设有中心圆柱形通风孔(1)，所述的圆柱状消声器本体包括消声器外壁(2)、消声器内壁(5)、上盖板(3)和下盖板(4)，消声器外壁(2)、消声器内壁(5)、上盖板(3)和下盖板(4)合围成亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔通过两道颈管(6)与中心圆柱形通风孔(1)相连通，通过两道分隔板(7)将亥姆霍兹共振腔分为体积相同的两部分空腔，在亥姆霍兹共振腔内部设有若干隔板，其中共有若干道固定于消声器内壁上的均匀分布的内隔板(8)，若干道固定于消声器外壁上的均匀分布的外隔板(9)，每个内隔板和外隔板均为沿圆柱状消声器本体的径向布置，且厚度相同，每部分空腔内部的若干内隔板(8)与若干外隔板(9)交错分布，构成盘绕式背腔(10)；

当声波沿消声器轴向方向传播时，会通过狭长的颈管(6)进入消声器内部，并沿着盘绕式背腔(10)传播，颈部的空气和内部空间之间产生剧烈的共振作用损耗了声能。

2.根据权利要求1所述的一种基于盘绕式背腔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：

式中，式中c为声速，S_k为颈管横截面积，V为背腔体积，l′_n为颈管的有效长度；

盘绕式背腔复合型亥姆霍兹共振腔计算公式为：

其中，R₁为中心圆柱形通风孔圆半径，R₂为消声器内壁圆半径，R₃为外隔板顶端圆半径，R₄为内隔板顶端圆半径，R₅为消声器背腔圆半径，R₆为消声器外壁圆半径，l为背腔长度，t₁为颈管宽度，t₂为隔板的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：中心圆柱形通风孔圆半径R₁为15mm，消声器内壁圆半径R₂为20mm，消声器外壁圆半径R₆为37mm，外隔板顶端圆半径R₃为23.75mm，内隔板顶端圆半径R₄为31.25mm，消声器背腔圆半径R₅为35mm，颈管宽度t₁为1.5mm，背腔长度l为90mm，隔板的厚度t₂均为2mm，颈管宽度t₁为1.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：在每个分隔板(7)两侧布置的均是内隔板。

5.根据权利要求1所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：设置十道固定于消声器外壁(2)上的均匀分布的外隔板(9)，设置十二道固定于消声器内壁(5)上的均匀分布的内隔板(8)。

6.根据权利要求5所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：每个颈管与其最邻近的内隔板的夹角α均为15°，相邻两个内、外隔板的夹角β为30°。

7.根据权利要求1所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：两个分隔板(7)靠近相应侧的颈管布置。

8.根据权利要求3所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：所述上盖板(3)和下盖板(4)的厚度相同均为2mm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：颈管(6)开设在消声器内壁(5)上，颈管(6)贯通消声器内壁(5)的厚度方向。

10.根据权利要求9所述的一种基于盘绕式背腔亥姆霍兹共振腔的通风管道消声器，其特征在于：两道颈管(6)对称布置。

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