CN115780227A - 基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱及调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱及调频方法，以解决现有的声学效应舱结构固定，其谐振频率固定，导致其工作范围固定，适用范围小的技术问题。具体包括效应腔、声场激励件、谐振管以及驱动单元；效应腔为密封腔体；声场激励件密封安装在效应腔一侧，并与效应腔连通，用于激励效应腔内产生高声压级声场；谐振管为伸缩管，其一端与效应腔连通，另一端为开放端；驱动单元固定在效应腔的外壁上，其驱动端与谐振管的开放端连接，其驱动方向为谐振管的伸缩方向。

Description

基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱及调频方法

技术领域

本发明涉及声学效应舱，具体涉及一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱及调频方法。

背景技术

声学效应舱是在封闭空间内产生高声压级声波的实验装置，一方面可用于产生特定信号特征的标准声波，另一方面可用于开展特定频率高声压声波作用下的生物效应研究，尤其是低频声波生物效应的研究。当所需声波频率相对较低时，往往很难达到理想的声压级，需要借助亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔是封闭空间发声装置的典型谐振结构，由封闭腔体与谐振管组成，能够使得所需频率声波得到最大程度的增益，以达到提高声压级的目的。亥姆霍兹共振腔的谐振频率由腔体体积、谐振管直径及谐振管的长度共同决定。

现有的声学效应舱主要存在以下几方面的问题：(1)声学效应舱整体按照所需频率设计，一旦构建完成，其声波频率范围固定，无法调节；(2)固定结构的声学效应舱，其谐振频率固定，导致其工作频率范围窄，适用性较差；

(3)固定结构的声学效应舱限制了生物效应研究过程中声场参数和图像测量等多元资料的获取。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱及调频方法，以解决现有的声学效应舱结构固定，其谐振频率固定，导致其工作范围固定，适用范围小的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特殊之处在于：包括效应腔、声场激励件、谐振管以及驱动单元；

所述效应腔为密封腔体；

所述声场激励件密封安装在所述效应腔一侧，并与所述效应腔连通，用于激励效应腔内产生高声压级声场；

所述谐振管为伸缩管，其一端与所述效应腔连通，另一端为开放端；

所述驱动单元固定在所述效应腔的外壁上，其驱动端与所述谐振管的开放端连接，其驱动方向为谐振管的伸缩方向。

进一步地，所述谐振管包括N节依次首尾相互滑动连接的直管，N≥3；

N节所述直管直径沿谐振管伸展方向依次减小，第N节直管(33)的尾端为开放端。

进一步地，每节所述直管一端外壁上设有外环形凸起，另一端内壁上设有内环形凸起；

直径较大的直管套装在与之相邻且直径较小的直管一端外，并通过所述外环形凸起与内环形凸起相互卡滞限位；所述外环形凸起和与之接触的直管内壁间隙配合；所述内环形凸起和与之接触的直管外壁间隙配合。

进一步地，所述驱动单元包括丝杠、移动滑块、驱动电机、电机控制单元以及伸缩引导环；

所述丝杠沿谐振管的伸缩方向设置；

所述移动滑块、螺纹套装在丝杠上；

所述驱动电机的输出轴与丝杠一端连接；

所述电机控制单元与所述驱动电机电连接；

所述伸缩引导环一端与所述谐振管的开放端连接，另一端与所述移动滑块连接。

进一步地，所述驱动单元还包括第一限位开关和第二限位开关；

所述第一限位开关和第二限位开关均固定设置在所述丝杠靠近谐振管的一侧；

所述第一限位开关与谐振管伸开的极限位置对应；

所述第二限位开关与谐振管收缩的极限位置对应。

进一步地，所述谐振管通过弯管与所述效应腔连通；

所述弯管一端通过第一法兰与所述效应腔连通，另一端通过第二法兰与谐振管连通；

所述驱动单元通过辅助支架安装在效应腔的外壁上。

进一步地，所述效应腔为矩形的密封腔体；

所述弯管设置在所述矩形的密封腔体的顶部；

所述弯管为度弯管，使得谐振管与所述矩形的密封腔体的顶面平行。

进一步地，所述效应腔侧壁上设有第一光学窗口及多个传感器测孔；

所述第一光学窗口用于观察效应腔的腔体内部；

所述传感器测孔内设有传感器安装组件；所述传感器安装组件包括法兰基座、可压缩内衬筒以及半圆筒状第一压块；

所述法兰基座包括第三法兰和半圆筒状第二压块；所述第三法兰安装在所述传感器测孔处，所述第二压块一端与所述第三法兰垂直固连，另一端向远离效应腔侧壁的方向伸出；

所述第一压块与第二压块开口相对，并与第二压块可拆卸连接，使得二者之间形成与第三法兰的中孔相通的安装孔；

所述可压缩内衬筒被压缩在所述安装孔内。

进一步地，所述效应腔包括腔本体及后盖；

所述声场激励件、传感器测孔、第一光学窗口、谐振管以及驱动单元均设置在腔本体侧壁上；

所述后盖包括后盖板和多个安装支撑杆；所述后盖板盖装在所述腔本体上与声场激励件相对的一侧；所述后盖板上设有第二光学窗口和过线孔，其外侧面上对称设有两个把手；多个所述安装支撑杆的一端分别与所述后盖板内侧面垂直连接，另一端伸入所述腔本体内，用于安装实验设备，并使得实验设备与所述第一光学窗口对应。

进一步地，所述后盖板通过快速紧定螺栓盖装在所述腔本体上；

所述安装支撑杆上设有紧定扳手缺口。

同时，本发明还提供了一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的调频方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、根据需求设置工作频率f，结合效应腔的腔内体积V以及谐振管的平均直径d计算所需谐振管的长度L；

步骤2、通过驱动单元控制谐振管进行伸展，直至其长度为L；

步骤3、将所述工作频率f传递给声场激励件，使其按照工作频率f工作，并在效应腔内产生频率为f的声波，所述声波在腔内体积为V的效应腔内达到高声压级。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的声学效应舱采用了能够伸缩的谐振管设置在效应腔外，并为谐振管的伸缩设置了驱动单元，这样一方面使得声学效应舱的谐振频率可调节，另一方面还可以拓宽声学效应舱的工作频带；此外，由于声学效应舱以谐振频率工作，因此会大幅增加效应腔内的声压级，同时极大提高了该声学效应舱的适用性。

2、本发明中的谐振管采用多层直管首尾套装，并通过设置在直管首尾两端的外环形凸起和内环形凸起相互卡滞限位，能够在达到伸缩长度要求的同时，最大限度的减小谐振管的占用空间，进而能够减小整个声学效应舱的占用空间。

3、本发明采用驱动电机驱动丝杠，进而驱动与丝杠上的移动滑块连接的谐振管进行伸缩，操作简单，移动滑块的运动位置精准，使得谐振管的长度能够精准控制，实现了声学效应舱谐振频率的精准控制。

4、本发明在效应腔上设置了多个传感器安装组件，还设置了第一光学窗口和第二光学窗口，极大丰富了效应腔内声场和效应物测量数据，为整个声学效应舱运行的监测和生物效应的深入研究提供了支撑。

5、本发明在后盖上设置了多个用于安装实验所需设备的安装支撑杆，并且安装支撑杆的端头与第一光学窗口对应，这样能够最大限度的利用第一光学窗口。

6、本发明提供的传感器安装组件采用第一压块以及带有第三法兰的第二压块共同压缩可压缩内衬筒形成，既保证了效应腔的密封性，又能确保安装在可压缩内衬筒内的传感器或线缆的安全。

附图说明

图1是本发明基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的实施例结构示意图之一；

图2是本发明基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的实施例结构示意图之二；

图3是本发明实施例中的谐振管局部结构解析图，图中A’为A处的放大图，B’为B处的放大图；

图4是本发明实施例中的谐振管完全伸展时的状态图；

图5是本发明实施例中的谐振管完全收缩时的状态图；

图6是本发明基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的实施例分解图；

图7是本发明实施例中传感器安装组件的分解图；

图8是本发明基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的实施例使用流程图。

附图标号：

1-效应腔、2-声场激励件、3-谐振管、4-驱动单元、5-第一光学窗口、6-传感器安装组件、7-后盖、31-弯管、32-第一节直管、33-第N节直管、34-伸缩引导环、41-丝杠、42-移动滑块、43-驱动电机、44-辅助支架、45-第一限位开关、46-第二限位开关、61-法兰基座、62-可压缩内衬筒、63-第一压块、71-把手、72-快速紧定螺栓、73-第二光学窗口、74-过线孔、75-安装支撑杆。

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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，结合图1和图2所示，包括效应腔1、声场激励件2、谐振管3以及驱动单元4；

效应腔1为矩形的密封腔体，可一体成型也可由多块板拼接而成；效应腔1包括腔本体及后盖7；声场激励件2密封安装在腔本体一侧，并与腔本体内部连通，用于激励效应腔1内产生高声压级声场；腔本体外侧板上设有第一光学窗口5和多个传感器测孔，第一光学窗口5用于观察腔本体内部；腔本体顶板上偏后位置安装谐振管3，并平行安装驱单元4，腔本体后侧开口处密封安装可开启的后盖7，腔本体与后盖7之间设有密封圈，可保证后盖7安装后的密封性。

结合图3至图5所示，谐振管3为伸缩管，谐振管3包括弯管31和N节依次首尾相互滑动连接的直管，N≥3；谐振管3通过弯管31与与效应腔1连通；具体的，弯管31一端通过第一法兰与腔本体顶板上圆形开口配合连通，其内径等于圆形开口直径，弯管31另一端通过第二法兰与第一节直管32一端密封紧固连通，该第二法兰可以是边缘法兰；弯管31的入口平面和出口平面垂直，即90度弯管，能够使谐振管3的伸缩方向旋转90°，与效应舱1的长度方向平行，最大限度减少整个声学效应舱的占用空间；第一节直管32内径与弯管31内径相等，两者通过边缘法兰紧固连接，中间设置密封圈确保密封连接；第N节直管33远离第N-1节直管的一端，即第N节直管33的尾端为开放端；N节直管直径沿谐振管3伸展方向依次减小。每节直管一端外壁上设有外环形凸起，另一端内壁上设有内环形凸起；直径较大的直管套装在与之相邻且直径较小的直管一端外，并通过外环形凸起与内环形凸起相互卡滞限位；外环形凸起和与之接触的直管内壁间隙配合；内环形凸起和与之接触的直管外壁间隙配合，以确保谐振管3在伸展时能够一节一节伸出；伸缩引导环34一端的内圆柱面套装在第N节直管33开放端的外，并通过径向螺栓紧固，伸缩引导环34另一端为引导柄，用于与驱动单元4的驱动端固连，驱动单元4的驱动方向为谐振管3的伸缩方向。

驱动单元4整体与谐振管3平行设置，固定在腔本体顶板上，驱动单元4包括驱动电机43、伸缩引导环34、第一限位开关45、第二限位开关46、丝杠41、螺纹套装在丝杠41上的移动滑块42以及电机控制系统；丝杠41沿谐振管3的伸缩方向设置；驱动电机43的输出轴与丝杠41一端连接；伸缩引导环34一端与谐振管3的开放端连接，另一端与移动滑块42连接。电机控制系统控制驱动电机43转动丝杆41，丝杠41带动移动滑块42沿丝杠41滑动，进而带动与移动滑块42固连的伸缩引导环34直线运动，引导谐振管3伸展或收缩；第一限位开关45和第二限位开关46均固定设置在丝杠41靠近谐振管3的一侧；第一限位开关45与谐振管3伸开的极限位置对应；第二限位开关46与谐振管3收缩的极限位置对应。第一限位开关45确保移动滑块42运动到谐振管3伸展极限位置(即伸展至最长)不再运动，第二限位开关46确保移动滑块42运动到谐振管3收缩极限位置(即收缩至最短)不再运动；辅助支架44安装在效应腔1的外壁上，用于辅助支撑丝杠41的悬臂部分，确保驱动单元4运行时的稳定性，同时，确保移动滑块42的运行方向为谐振管3的伸缩方向。

如图6所示，后盖7包括后盖板和四个安装支撑杆75；后盖板盖装在腔本体上与声场激励件2相对的一侧；后盖板上设有第二光学窗口73和过线孔74，其外侧面上对称设有两个把手71，后盖板两端分别设有一个紧固螺栓快速安装豁口，可与快速紧定螺栓72配合，使紧后盖板固安装在腔本体开口处，快速紧定螺栓72基座通过螺栓紧固于腔本体两侧板上，快速紧定螺栓72可绕基座转轴向外转动，可实现后盖7快速拆装。四个安装支撑杆75通过螺纹安装于后盖板内侧面四角处，用于安装实验所需设备、传感器以及固定效应物等，安装支撑杆75后端与后盖板内侧面垂直连接，前端伸入腔本体内，安装支撑杆75长度使得后盖7紧固后，安装支撑杆75前端超越第一光学窗口5，即与第一光学窗口5对应，以求最大限度使用第一光学窗口5，且安装支撑杆75上设有紧定扳手缺口。

如图7所示，传感器测孔内设有传感器安装组件6；过线孔74内设有过线组件，传感器安装组件6与过线组件结构相似，本实施例一传感器安装组件6为例进行介绍。传感器安装组件6包括法兰基座61、可压缩内衬筒62以及半圆筒状第一压块63；法兰基座61包括第三法兰和半圆筒状第二压块；第三法兰安装在传感器测孔处，实现与腔本体的配合安装，并通过螺栓紧固，第二压块一端与第三法兰垂直固连，另一端向远离效应腔1侧壁的方向伸出；第一压块63与第二压块开口相对，并与第二压块可拆卸连接，使得二者之间形成与第三法兰的中孔相通的安装孔；可压缩内衬筒62为圆筒状结构，采用可压缩材质制作，其与法兰基座61的中心孔同轴；第一压块63截面圆弧角度小于180°，内外径尺寸与第二压块内外径一致，第一压块63和第二压块通过四根螺栓紧固，由于第一压块63截面圆弧角度小于180°，故可以对可压缩内衬筒62进行压缩，实现对穿入可压缩内衬筒62中的传感器或线缆的密封。

如图8所示，本发明实施例还提供了一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的调频方法，具体如下:

首先在工控机(即电机控制单元)显示界面根据需求设置工作频率f，软件结合输入的腔本体体积V、谐振管3的直径d等参数按照谐振频率计算公式计算出所需谐振管的长度L，并根据谐振管长度L计算处出所需驱动电机43的运动参数，并将驱动电机43的参数传给电机控制单元，以控制驱动电机43按照设计参数运动，进而带动丝杠41和移动滑块42运动，驱动谐振管3伸展至所需的谐振管长度，如达到第一限位开关45的位置，第一限位开关45将信息返回驱动电机，令其停止运动，防止运动系统损坏；驱动电机43同时设置了手动控制开关，可手动操作控制谐振管3的伸缩长度。最初设置的工作频率f另一方面传递给声场激励件2的控制系统，控制声场激励件2按照设定频率工作，腔本体内产生设定频率的声波，并结合谐振结构增益设定频率的声波，达到较高的声压级。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：包括效应腔(1)、声场激励件(2)、谐振管(3)以及驱动单元(4)；

所述效应腔(1)为密封腔体；

所述声场激励件(2)密封安装在所述效应腔(1)一侧，并与所述效应腔(1)连通，用于激励效应腔(1)内产生高声压级声场；

所述谐振管(3)为伸缩管，其一端与所述效应腔(1)连通，另一端为开放端；

所述驱动单元(4)固定在所述效应腔(1)的外壁上，其驱动端与所述谐振管(3)的开放端连接，其驱动方向为谐振管(3)的伸缩方向。

2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述谐振管(3)包括N节依次首尾相互滑动连接的直管，N≥3；

N节所述直管直径沿谐振管(3)伸展方向依次减小，第N节直管(33)的尾端为开放端。

3.根据权利要求2所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：每节所述直管一端外壁上设有外环形凸起，另一端内壁上设有内环形凸起；

直径较大的直管套装在与之相邻且直径较小的直管一端外，并通过所述外环形凸起与内环形凸起相互卡滞限位；所述外环形凸起和与之接触的直管内壁间隙配合；所述内环形凸起和与之接触的直管外壁间隙配合。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述驱动单元(4)包括丝杠(41)、移动滑块(42)、驱动电机(43)、电机控制单元以及伸缩引导环(34)；

所述丝杠(41)沿谐振管(3)的伸缩方向设置；

所述移动滑块(42)、螺纹套装在丝杠(41)上；

所述驱动电机(43)的输出轴与丝杠(41)一端连接；

所述电机控制单元与所述驱动电机(43)电连接；

所述伸缩引导环(34)一端与所述谐振管(3)的开放端连接，另一端与所述移动滑块(42)连接。

5.根据权利要求4所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述驱动单元(4)还包括第一限位开关(45)和第二限位开关(46)；

所述第一限位开关(45)和第二限位开关(46)均固定设置在所述丝杠(41)靠近谐振管(3)的一侧；

所述第一限位开关(45)与谐振管(3)伸开的极限位置对应；

所述第二限位开关(46)与谐振管(3)收缩的极限位置对应。

6.根据权利要求5所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述谐振管(3)通过弯管(31)与所述效应腔(1)连通；

所述弯管(31)一端通过第一法兰与所述效应腔(1)连通，另一端通过第二法兰与谐振管(3)连通；

所述驱动单元(4)通过辅助支架(44)安装在效应腔(1)的外壁上。

7.根据权利要求6所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述效应腔(1)为矩形的密封腔体；

所述弯管(31)设置在所述矩形的密封腔体的顶部；

所述弯管(31)为90度弯管，使得谐振管(3)与所述矩形的密封腔体的顶面平行。

8.根据权利要求7所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述效应腔(1)侧壁上设有第一光学窗口(5)及多个传感器测孔；

所述第一光学窗口(5)用于观察效应腔(1)的腔体内部；

所述传感器测孔内设有传感器安装组件(6)；所述传感器安装组件(6)包括法兰基座(61)、可压缩内衬筒(62)以及半圆筒状第一压块(63)；

所述法兰基座(61)包括第三法兰和半圆筒状第二压块；所述第三法兰安装在所述传感器测孔处，所述第二压块一端与所述第三法兰垂直固连，另一端向远离效应腔(1)侧壁的方向伸出；

所述第一压块(63)与第二压块开口相对，并与第二压块可拆卸连接，使得二者之间形成与第三法兰的中孔相通的安装孔；

所述可压缩内衬筒(62)被压缩在所述安装孔内。

9.根据权利要求8所述的基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱，其特征在于：所述效应腔(1)包括腔本体及后盖(7)；

所述声场激励件(2)、传感器测孔、第一光学窗口(5)、谐振管(3)以及驱动单元(4)均设置在腔本体侧壁上；

所述后盖(7)包括后盖板和多个安装支撑杆(75)；所述后盖板盖装在所述腔本体上与声场激励件(2)相对的一侧；所述后盖板上设有第二光学窗口(73)和过线孔(74)，其外侧面上对称设有两个把手(71)；多个所述安装支撑杆(75)的一端分别与所述后盖板内侧面垂直连接，另一端伸入所述腔本体内，用于安装实验设备，并使得实验设备与所述第一光学窗口(5)对应。

10.一种基于亥姆霍兹共振腔的自动调频声学效应舱的调频方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据需求设置工作频率f，结合效应腔(1)的腔内体积V以及谐振管(3)的平均直径d计算所需谐振管(3)的长度L；

步骤2、通过驱动单元控制谐振管(3)进行伸展，直至其长度为L；

步骤3、将所述工作频率f传递给声场激励件(2)，使其按照工作频率f工作，并在效应腔(1)内产生频率为f的声波，所述声波在腔内体积为V的效应腔(1)内达到高声压级。

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