CN116733787A - 一种三维复合超构消声器模块及消声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维复合超构消声器模块及消声器，消声器模块包括刚性的三维曲折空腔结构和位于空腔四周的多孔或纤维类材料。腔体结构由穿孔面板、多层盘绕腔及隔板组成。盘绕腔为多层级结构，每一层空腔由盘绕插板分隔成迷宫形的通道；空腔四周盘绕多孔或纤维材料具有高孔隙率。本发明利用多孔或纤维材料的高频消声特性与超构材料的低频消声特性，所设计的复合消声器兼具低频、宽频消声效果，可对低频单频噪声或宽频噪声进行衰减，同时相较于传统阻性消声器大量减少了多孔或纤维材料的使用，并且可作为消声器单元设计为阵列式消声器，可在变电站、矿场、冷却塔等具有风机系统且需要大面积消声降噪的实际生产生活中使用。

Description

一种三维复合超构消声器模块及消声器

技术领域

本发明属于管道消声降噪技术领域，具体涉及一种三维曲折空间的复合超构消声器。

背景技术

在变电站、冷却塔、隧道施工的工作中，由风机系统进行通风与散热，这些生产中大型器材工作的同时会产生大量噪声，并且风扇也会产生噪声，主要包括有旋转噪声与涡流噪声，这些噪声都会由风扇带出，会损伤人们听力，影响生活质量，长此以往，严重情况还可能会影响人们的身心健康。

针对这些大型系统噪声污染严重的问题，往往是在风机系统末端的排风扇使用消声器的方法进行噪声的衰减。由于结构简单、易于加工、安装方便的特性，一般以被动式消声器为主，其具有明显的经济性。针对变电站、冷却塔、隧道施工等需要大面积消声的工况下，可以将使用阵列消声器，将多个消声器单元通过桁架安装在消声管道中进行大面积噪声消除。但目前而言，被动式消声器主要以阻性消声器为主，消声单元主要由导流罩、护面层与多孔泡沫或纤维类材料阻性，其特点主要为高频消声效果较好，但300Hz以下低频噪声难以消除。而对人们来说，低频噪声往往又感知强、危害大；同时无论是变电站变压器的电磁噪声，还是冷却塔、隧道施工使用风机所产生的旋转与涡流噪声，都以低频噪声为主。目前消声器主要以高频消声为主，中低频及其宽频降噪一直是一个难以解决的问题，因此，如何对这些低频噪声进行消除，是实际的工程需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种三维复合超构消声器模块及消声器，能够对低频噪声进行针对性衰减，并能实现多频点宽带吸声。

为达到上述目的，本发明所述一种三维曲折空间的复合超构消声器模块，包括空腔结构和位于空腔外的吸声部，所述空腔结构包括多层依次连接的盘绕腔，第一层螺旋盘绕腔具有向外突出的突起段，所述突起段上布置有穿孔板，其余壁板都为硬刚性壁面；所述穿孔板上开设有若干通孔，每一层螺旋盘绕腔由插板分隔成螺旋形，最后一层螺旋盘绕腔中设置有隔板；相邻的螺旋盘绕腔之间具有分隔板，奇数层到偶数层之间的分隔板中心开口，偶数层到奇数层之间的分隔板末端开口。

进一步的，盘绕腔内部为螺旋形。

进一步的，插板包括依次连接的第一弧形板、连接板和第二弧形板，连接板为矩形，第一弧形板和第二弧形板的横截面均为圆弧，且两个圆弧同心设置，第一弧形板位于第二弧形板内侧。

进一步的，吸声部采用多孔或纤维类材料。

进一步的，吸声部外包覆有护面层。

进一步的，穿孔板上的通孔阵列布置。

进一步的，穿孔板的孔隙率为5％～15％。

进一步的，空腔结构的有效路径为待消声的声波波长的1/4。

一种三维复合超构消声器，包括多个阵列布置的消声器单元，所述消声器单元包括若干上述的消声器模块。

进一步的，述消声器模块隔板位置不同。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种三维曲折空间的复合超构消声器，结合多孔或纤维类材料良好的高频吸声特性与腔体超构材料的低频吸声特性，设计了兼具高低频吸声性能的复合消声器模块。所设计的复合消声器兼具低频、宽频消声效果，可对低频单频噪声或宽频噪声进行衰减，可根据噪声频率进行特定消声消除；并且该消声器低频单元具有可调性质，调节末端隔板位置可改变消声器低频消声频率，并可将其串联组合成为多频率点、宽频消声器。同时相较于传统阻性消声器大量减少了多孔或纤维材料的使用。

本发明提供的消声器，本发明相对于一般阻性消声器来说，高频吸声特性优异，低频具有可设计性与模块化特征，该消声器还可以作为消声单元组成阵列式消声器，可在计算器、变电站、矿场、冷却塔等具有风机系统且需要大面积消声降噪的实际生产生活中使用，进行大面积的消声作业，兼具经济性与实用性，具有良好的应用前景。

附图说明

为了方便理解本发明的技术方案和实施方式，以下对本发明实施例中所需的附图作简单说明，与下面具体实施方式一起用于解释本发明，并不对本发明构成限制。

图1a是本发明提供的一种三维曲折空间的复合超构消声模块轴测剖面图；

图1b是本发明提供的一种三维曲折空间的复合超构消声模块轴测透视图；

图2是超构复合消声模块第二层腔的轴测剖面图；

图3a是超构复合消声模块中消声腔体结构轴测透视图；

图3b是超构复合消声模块中消声腔体外形示意图；

图4是声波在超构消声腔体中传播路径示意图；

图5是腔体包覆的玻璃纤维棉示意图；

图6是组合的超构复合消声单元计算模型；

图7是组合的超构复合消声单元传输损失曲线；

其中：1：穿孔板；2：迷宫插板；3：隔板；4：护面层；5：分隔板；6：前面板；7：玻璃纤维棉；8：后面板。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，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中的具体含义。

本发明利用四分之一波长吸波原理并给出了具体结构，对低频噪声进行针对性衰减，并采用模块化组合的新设计思路以实现多频点宽带吸声。

本发明提供了一种三维曲折空间的复合超构消声器模块，包括：刚性的三维曲折空腔结构和位于空腔四周的多孔或纤维类材料。空腔结构由弧形穿孔板、周期性的多层螺旋盘绕腔及尾部隔板组合而成。空腔为多层级结构，每一层由盘绕插板分隔成螺旋形；四周盘绕多孔或纤维材料具有高孔隙率，将空腔包裹为圆形或方形等易于装配形状。

参照图1a和图1b，一种三维曲折空间的复合超构消声器模块，为四周为玻璃纤维棉与嵌入其中的三维曲折空间的腔体组成的复合结构，包括低频消声模块和低频消声模块四周环绕的玻璃纤维棉7，玻璃纤维棉外侧包覆有护面层4，用于约束固定玻璃纤维棉；消声器低频消声模块包括穿孔板1，用于分隔形成腔体、拓展声波在腔体中路径的有效长度的插板2，用于调整消声器有效长度从而控制消声频率的隔板3，层与层之间的带一个通孔的分隔板5，前面板6在第一层外部，后面板8在最后一层外部。

腔体外部形状为一段突起的弧形结构，突起段的弧形壁面布置有穿孔板1，其余壁板都为硬刚性壁面。

腔体内部为多层级连接的曲折空腔结构，内部设有插板2形成内部通道，增加路径长度，改变消声频率，层与层之间由通口的分隔板5隔开，利用通口使声波在层与层之间传播。在末端设有隔板3，用于调整消声器有效长度从而控制消声频率。分隔板5为圆形，第一层与第二层之间的分隔板5中心开口，在层级之间声波从中心传播。奇数层到偶数层之间的分隔板5应为中心开口，声波由从中心开口传播到下一层；偶数层到奇数层之间的分隔板应为末端开口，声波由末端开口传播到下一层。进一步地，为了方便工业制造、保持和整体结构一致，穿孔板1穿孔板是具有一定大小和排列方式的微小通孔的弧形面板，其孔径一般为1～3mm，板厚1～2mm，为保证腔体的消声能力，孔隙率一般取为5％～15％。

除第一层带有穿孔板1过渡外，后面每层声传播通道形状一致，声波在奇数层由四周向中间传播，在偶数层由中间向四周传播。

进一步地，曲折空腔内部布置的插板2厚度为1～2mm，便于工业加工。

进一步地，消声腔内部通道形状为螺旋形状。

进一步地，整个消声单元空腔有效长度计算由以下方式计算：

假设横截面积为S、长度为L管道中的流体在x＝0处由活塞驱动开口，管道在x＝L处封闭。开口由一平面波传播，则管道中的任意一点声阻抗Z(x)为：

其中，ρ₀空气密度，c₀声速，e为自然对数，j为虚数单位，其值为P_i和P_r为入射声压与反射声压幅值，k为声波波数。

将x＝0带入上式得到：

再将x＝L带入上式中，得到该处声阻抗：

通过欧拉公式，上式可以写成：

再将Z(L)与Z(0)的计算式联立，消除P_i，P_r，得到输出声阻抗Z(L)和输入声阻抗Z(0)之间关系：

对于末端封闭口来说，其声阻抗趋于无穷，即Z(L)→∞，再根据上式可得：

声阻抗可写成声阻与声抗之和的形式：

Z＝R+jX

其中，R和X分别是阻抗的实部与虚部。当声抗为0时，结构将会发生共振，对于一端开口一端封闭的管道来说，即为：

当cotkL＝0时，电抗为0，此时发生谐振，即：

kL＝(2n-1)π/2 n＝1,2,3,...

波数k＝2π/λ，因此上式可以写成：

L＝(2n-1)/4n＝1,2,3,...

通过上式知，当管长为声波波长的1/4时，结构发生共振，此时腔体的声损耗效果最好。

因此，设计的三维曲折空腔的有效长度为声波波长的1/4时，能对这个波长的噪声进行有效耗散。

进一步地，消声腔四周由多孔或纤维类材料环绕包覆，例如玻璃纤维棉、三聚氰胺泡沫等，在布置多孔或纤维类材料同时不遮挡穿孔板1与流道的接触；

进一步地，本发明通过单频消声模块吸声设计，可以进行多消声模块组合得到复合超构消声器，以实现管道多频率点、宽带噪声控制。

实施例1

本发明提供了一种三维曲折空间的超构复合消声器实施例，图1a和图1b为本发明中含190Hz单频消声模块与玻璃纤维棉的复合消声器单元实施例的轴测剖视图。

参见图1a、图1b和图2，该消声器单元由单频消声模块与玻璃纤维棉7组成。其中，消声模块由穿孔板1、插板2、隔板3、分隔板5、前面板6和后面板8组成，玻璃纤维棉外层由护面层4包覆约束，依靠这些结构所盘绕而成的螺旋形状的曲折腔体对低频单频噪声进行衰减。插板2为螺旋形，包括依次连接的第一弧形板、连接板和第二弧形板，连接板为矩形，第一弧形板和第二弧形板的横截面均为圆弧，且两个圆弧同心设置，第一弧形板位于第二弧形板内侧，第一弧形板的圆心角为270°，第二弧形板的圆心角为315°。

190Hz消声模块可以看作由两层曲折腔连接而成，第一层有穿孔板存在，且体积大于第二层的曲折腔体，第二层迷宫形腔的形状与第一层一致，层与层之间由带圆形通孔的隔板5连接。其中，在第一层中，带圆形通孔的隔板声波由四周向中心传播，再由中心开口进入下一层，在第二层中由中心向四周传播，按照需要可增加第三、四及后续层数进一步降低消声频率。如图2所示，最后一层末端的方形隔板3的位置的布置可改变消声腔的有效长度，从而调控消声频率。对于这样一个两层结构的190Hz消声腔，整个消声腔体的轴测图如图3a所示，其声传播路径如图4所示。

除了穿孔板1外，将上述190Hz消声模块四周用玻璃纤维棉7包裹，形成一个阻抗复合式消声模块。在该实施例的有限元计算中，忽略壁厚，消声器模块其第一层截面尺寸为一个6cm直径的圆形螺旋腔与一个大径为10cm，小径为6cm的四分之一圆环组成，四分之一圆环是穿孔板1段与腔体的连接过渡段，后续每层截面尺寸都是6cm直径的圆形螺旋腔，每一层厚度都为2cm，其内部分隔插板形状如图1、图2所示；穿孔板1为一个10cm直径的四分之一弧形板，面积为π×10cm×2cm×1/4，穿孔率为10％，孔径为2mm，板厚2mm。

将图3b所示的消声腔外周除穿孔板外包覆消声玻璃纤维棉，在不额外增加结构长度情况下形成一个截面尺寸为10cm直径的复合超构消声器，该复合超构消声模块如图1所示，包覆的玻璃纤维棉布置如图5所示。复合消声吸声腔仅仅穿孔板1与流道接触，极大保留了玻璃纤维棉与流道接触面积，使得玻璃纤维棉的消声性能很大程度保留。为了获得宽频的消声效果，将超构复合消声模块隔板位置进行调整，一共6个不同隔板位置，第1个消声模块无隔板，第2个消声模块隔板距离腔体末端45°，第3个消声模块的隔板距离腔体末端90°，以此类推，每次远离腔体末端45°，第6个消声模块隔板距离腔体末端225°。将上述6个消声模块为一组，每组布置3个共18个串联在14cm×14cm的管道中，轴向对齐组成一个整体的消声器单元，利用有限元软件进行数值计算，得到传输损失曲线。传输损失定义为入口声压与出口声压比值的函数，单位为dB，评价一个消声器消声性能时传输损失越大越好。

计算模型如图6所示，声波由入射端进入，经过消声器单元后由出口进入完美匹配层，完美匹配层用于模拟消声末端的声完美吸收。通过计算，将传输损失曲线与同样尺寸的阻性消声器对比，结果如图7所示，可以看出消声器单元在190Hz～230Hz的低频范围内之间表现出多处强消声特征，消声峰最高消声量达50dB以上，最低20dB，消声频段与设计基本一致，在后续频率依然具有多个高阶消声峰。消声器单元在2000Hz以内，由于减少了玻璃纤维棉的使用，增加了超构消声模块，提高了低频单频的消声效果，其他频率的传输损失相应的降低了；在2000Hz之后由于多个高阶消声峰存在，超构复合消声器单元的消声量反而比玻璃棉含量更多的阻性消声器要高。从消声曲线上可以看出，三维曲折空间可以针对低频单频噪声进行有效消声，多个单频消声模块组合能够对宽频进行消声，并且在减少了玻璃纤维棉体积情况下，由于存在高阶共振在高频甚至能够比同尺寸阻性消声器消声效果更好。

并且，该消声器单元可作为消声单元设计成为阵列式消声器，可以针对大尺寸、多噪点或宽带的噪声进行消声设计，具有良好的市场前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，包括空腔结构和位于空腔外的吸声部，所述空腔结构包括多层依次连接的盘绕腔，第一层螺旋盘绕腔具有向外突出的突起段，所述突起段上布置有穿孔板(1)，其余壁板都为硬刚性壁面；所述穿孔板上开设有若干通孔，每一层螺旋盘绕腔由插板(2)分隔成螺旋形，最后一层螺旋盘绕腔中设置有隔板(3)；相邻的螺旋盘绕腔之间具有分隔板(5)，奇数层到偶数层之间的分隔板(5)中心开口，偶数层到奇数层之间的分隔板末端开口。

2.根据权利要求1所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述盘绕腔内部为螺旋形。

3.根据权利要求1或2所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述插板(2)包括依次连接的第一弧形板、连接板和第二弧形板，连接板为矩形，第一弧形板和第二弧形板的横截面均为圆弧，且两个圆弧同心设置，第一弧形板位于第二弧形板内侧。

4.根据权利要求1所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述吸声部采用多孔或纤维类材料。

5.根据权利要求1或4所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述吸声部外包覆有护面层(4)。

6.根据权利要求1所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述穿孔板(1)上的通孔阵列布置。

7.根据权利要求1所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述穿孔板(1)的孔隙率为5％～15％。

8.根据权利要求1所述的一种三维复合超构消声器模块，其特征在于，所述空腔结构的有效路径为待消声的声波波长的1/4。

9.一种三维复合超构消声器，其特征在于，包括多个阵列布置的消声器单元，所述消声器单元包括若干权利要求1所述的消声器模块。

10.根据权利要求9所述的一种三维复合超构消声器，其特征在于，所述消声器模块隔板位置不同。