CN116386579A - 一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器 - Google Patents

Abstract

本发明属于噪声控制领域，公开了一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器。所述低频宽带通风管道消声器包括圆柱体外壳(1)、通风孔(2)及吸声单元(3)，所述圆柱体外壳(1)的中心设置通风孔(2)，所述通风孔(2)与圆柱体外壳(1)之间均匀设置吸声单元(3)，所述吸声单元(3)为环形；所述吸声单元(3)包括粗糙颈管(3‑1)与空腔(3‑2)，所述粗糙颈管(3‑1)的底端与空腔(3‑2)的顶端相连接，所述空腔(3‑2)设置在整个低频宽带通风管道消声器的下端。本发明用以解决现有通风型管道消声器吸声峰值频率较高，吸声峰值单一，低频范围内吸声系数较低的问题。

Description

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消 声器

技术领域

本发明属于噪声控制领域，具体涉及一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器。

背景技术

通风是在实际吸声应用中经常面临的问题，尤其是在需要气流的有限空间环境中，这在管道噪声控制及电子设备设计中都具有重要的实际意义。而一般的吸声结构为了实现良好的吸声效果，通常采用封闭结构而避免声波向外透射。这也就导致了普通吸声结构是以牺牲空气流通为代价的，通风和吸声两个功能很难在一个结构中兼顾。然而到目前为止，尽管通风在许多重要场景中的应用至关重要，但现有的吸声器制作方案必然会牺牲通风性能。对于共振型通风吸声结构，要想获得低频宽带高效吸声，所存在的结构尺寸大、吸声带宽窄及吸声效率低等问题仍需解决。宽带吸声是吸声的另一个焦点问题，采用阻尼结构和多单元并联时最常采用的方案。在结构中使用阻尼结构，如橡胶等材料，能够实现增大吸声带宽的目的。然而想要获得令人满意的吸声带宽，阻尼材料的性能仍需进一步改善。多单元并联结构是将多个具有连续吸声峰值的单元并列设置，通过单元之间的耦合在目标吸声频段内形成宽带吸声。这种多单元并联必然带来吸声面板面积随单元数量线性增加，致使结构表面阻抗变化，多单元耦合效果变差，吸声系数降低。另外过大的吸声面板面积也为实际应用带来了困难。在保持紧凑结构的高效通风的同时实现高效宽带吸声的机制仍有待探索。为解决上述问题，实现满足宽带通风且低频有效吸声的结构设计，我们将在基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的基础上利用优化结构参数及组合结构等方法设计低频宽带通风吸声器。实现通风条件下，具备优异低频吸声效果的同时还能做到宽带吸声的目标。

发明内容

本发明提供一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，用以解决现有通风型管道消声器吸声峰值频率较高，吸声峰值单一，低频范围内吸声系数较低的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述低频宽带通风管道消声器包括圆柱体外壳1、通风孔2及吸声单元3，所述圆柱体外壳1的中心设置通风孔2，所述通风孔2与圆柱体外壳1之间均匀设置多个吸声单元3，每个所述吸声单元3均为环形；

每个所述吸声单元3包括粗糙颈管3-1与空腔3-2，所述粗糙颈管3-1的底端与空腔3-2的顶端相连接，所述空腔3-2设置在整个低频宽带通风管道消声器的下端。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述圆柱体外壳的半径为50mm，高度为100mm。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述通风孔2的半径为R＝15mm。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述吸声单元3距离中心旋转对称轴的距离为Rc。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述粗糙颈管3-1的表面为标准的余弦线，所述粗糙颈管3-1的周期为b幅值为δ，颈管长度为l，相对宽度为d。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，相邻的两个所述粗糙颈管3-1错位放置，即相位相差90°。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述空腔3-2的背腔高度为h，所述空腔3-2的背腔宽度m，依据粗糙颈管3-1放置位置为：

m＝w+d+(k+1)δ。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述吸声单元3的个数为奇数时k为1，所述吸声单元3的个数为偶数时k为-1。

一种应用于管道的低频宽带通风管道消声装置，所述消声装置基于所述的基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器。

一种应用于管道的低频宽带通风管道消声装置，所述消声装置的消声器应用于半径为50mm的管道消音。

本发明的有益效果是：

本发明在保持体积相同前提下，实现降低吸声峰值频率，提高吸声带宽的目的。

本发明在保证同等体积尺寸的前提下，大幅度降低吸声峰值频率。

本发明对比传统共振器，在体积不变的前提下可以获得400～1200Hz范围内吸声系数能达到0.8以上，相对宽度达到800Hz的宽带吸收。并且所设计的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

图1的本发明的结构示意图。

图2的本发明的对称剖面图。

图3的本发明的单个吸声单元示意图。

图4的本发明与相同体积下光滑颈管亥姆霍兹共振器的吸声系数对比图。

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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供添加粗糙颈管亥姆霍兹共振器的复合型低频宽带通风管道消声器。当声波抵达外观为圆柱形的消声器上表面时，一部分入射声通过中心的通风孔产生透射声，达到通风需求；另一部分进入消声器产生共振消声。所提出的基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器如图1所示。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述低频宽带通风管道消声器包括圆柱体外壳1、通风孔2及吸声单元3，所述圆柱体外壳1的中心设置通风孔2，所述通风孔2与圆柱体外壳1之间均匀设置多个吸声单元3，每个所述吸声单元3均为环形；

所述吸声单元3为8个，具体包括，第一吸声单元3-11、第二吸声单元3-12、第三吸声单元3-13、第四吸声单元3-14、第五吸声单元3-15、第六吸声单元3-16、第七吸声单元3-17和第八吸声单元3-18。

每个所述吸声单元3包括粗糙颈管3-1与空腔3-2，所述粗糙颈管3-1的底端与空腔3-2的顶端相连接，所述空腔3-2设置在整个低频宽带通风管道消声器的下端。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述圆柱体外壳的半径为50mm，高度为100mm。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述通风孔2的半径为R＝15mm。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述吸声单元3距离中心旋转对称轴的距离为Rc；所述中心旋转对称轴为通风孔2的轴心。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述粗糙颈管3-1的表面为标准的余弦线，所述粗糙颈管3-1的周期为b幅值为δ，颈管长度为l，相对宽度为d。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，相邻的两个所述粗糙颈管3-1错位放置，即相位相差90°，使得波峰与波谷紧邻。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述空腔3-2的背腔高度为h，所述空腔3-2的背腔宽度m，依据粗糙颈管3-1放置位置为：

m＝w+d+(k+1)δ。

一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，所述吸声单元3的个数为奇数时k为1，所述吸声单元3的个数为偶数时k为-1。

通过设计后的8个吸声单元并联组合，可以将多个连续的吸声峰值连成一片，形成宽带吸声的同时还能保持较高吸声峰值。

一种应用于管道的低频宽带通风管道消声装置，所述消声装置基于所述的基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器。

一种应用于管道的低频宽带通风管道消声装置，所述消声装置的消声器应用于半径为50mm的管道消音。

在进一步方案中，定义整体几何尺寸为11个参数，分别为：

在进一步方案中，通过仿真计算验证粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器的吸声性能。

本发明实现了在半径50mm、高100mm尺寸下，优化后的低频宽带通风消声器由8个分别位于439Hz、472Hz、531Hz、606Hz、702Hz、817Hz、957Hz以及1109Hz的相对连续的吸收峰连成一片，并组合在一起形成了400～1200Hz都吸声系数能达到0.8以上，相对宽度达到800Hz的宽带吸收。同时如图4所示，在未添加粗糙颈管的传统光滑颈管亥姆霍兹共振器消声器在相同的体积尺寸下，在500～1100Hz范围内吸声系数都能达到0.8以上，相较之下通过添加粗糙颈管亥姆霍兹共振器优化后的低频宽带通风消声器在体积不变的情况下，低频效果更优，由500Hz降低到400Hz，且吸声带宽更宽，由600Hz范围能吸声系数都能有0.8以上增加到800Hz的范围，实现了低频宽带通风消声的目的。

图1所示为基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，整体由中心的通风孔与消声器主体构成，当声波抵达外观为圆柱形的消声器上表面时，一部分入射声通过中心的通风孔产生透射声，达到通风需求；另一部分进入消声器产生共振消声。

基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器由图2所示的8个设计的吸声单元构成，图3所示的各个吸声单元的具体尺寸由表格定义的几何参数确定。预计8个设计的吸声单元并联组合，可以将连续的吸声峰值连成一片，在保持通风的同时形成宽带吸声。

对设计完成结构进行吸声性能计算，实现了在半径50mm，高100mm尺寸下，形成了400～1200Hz都吸声系数能达到0.8以上，相对宽度达到800Hz的宽带吸收。同时，相较于传统光滑颈管亥姆霍兹共振器，本发明在低频宽带通风管道消声器在体积不变的情况下，低频效果更优，由500Hz降低到400Hz，且吸声带宽更宽，由600Hz范围能吸声系数都能有0.8以上增加到800Hz的范围。

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，利用多个粗糙颈管亥姆霍兹共振器组合设计并优化。通过有限元对结构进行计算，仿真结构吸声效果，可以实现设计低频宽带通风管道消声器的目的。

Claims (10)

1.一种基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述低频宽带通风管道消声器包括圆柱体外壳(1)、通风孔(2)及吸声单元(3)，所述圆柱体外壳(1)的中心设置通风孔(2)，所述通风孔(2)与圆柱体外壳(1)之间均匀设置多个吸声单元(3)，每个所述吸声单元(3)均为环形；

每个所述吸声单元(3)均包括粗糙颈管(3-1)与空腔(3-2)，所述粗糙颈管(3-1)的底端与空腔(3-2)的顶端相连接，所述空腔(3-2)设置在整个低频宽带通风管道消声器的下端。

2.根据权利要求1所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述圆柱体外壳的半径为50mm，高度为100mm。

3.根据权利要求1所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述通风孔(2)的半径为R＝15mm。

4.根据权利要求1所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述吸声单元(3)距离中心旋转对称轴的距离为Rc。

5.根据权利要求1所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述粗糙颈管(3-1)的表面为标准的余弦线，所述粗糙颈管(3-1)的周期为b幅值为δ，颈管长度为l，相对宽度为d。

6.根据权利要求5所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，相邻的两个所述粗糙颈管(3-1)错位放置，即相位相差90°。

7.根据权利要求6所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述空腔(3-2)的背腔高度为h，所述空腔(3-2)的背腔宽度m，依据粗糙颈管(3-1)放置位置为：

m＝w+d+(k+1)δ。

8.根据权利要求1所述的低频宽带通风管道消声器，其特征在于，所述吸声单元(3)的个数为奇数时k为1，所述吸声单元(3)的个数为偶数时k为-1。

9.一种应用于管道的低频宽带通风管道消声装置，其特征在于，所述消声装置基于权利要求1-7任意一项权利要求所述的基于粗糙颈管亥姆霍兹共振器的低频宽带通风管道消声器。

10.根据权利要求9所述的低频宽带通风管道消声装置，其特征在于，所述消声装置的消声器应用于半径为50mm的管道消音。

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