CN117351920A - 一种声致振动研究设备及其可调频率共振式消声器 - Google Patents

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CN117351920A CN202311500377.9A CN202311500377A CN117351920A CN 117351920 A CN117351920 A CN 117351920A CN 202311500377 A CN202311500377 A CN 202311500377A CN 117351920 A CN117351920 A CN 117351920A
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孙翀
李澧
周连生
倪明阳
隋永新
杨怀江
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Abstract

本发明公开一种可调频率共振式消声器,包括设置于设备主体上的主管路、与主管路的侧壁连通的支路管,主管路的内部用于传播声波,还包括与支路管连通的共振腔体,支路管用于将主管路中的部分声波引入共振腔体内,共振腔体用于产生与主管路内的声波频率相同的漏入波以进行抵消,且共振腔体为弹性腔体或形状记忆腔体,以通过形变改变容积。如此,由于共振腔体的弹性形变或记忆形变是一种纯机械结构层面的改变,不涉及电控系统,也不需要额外配置电气部件,对电磁环境没有特别要求,也不会产生电磁信号干扰调节结果,因此共振频率的调节方式更加简单,成本也更低,并且可靠性和精确性更高。本发明还公开一种声致振动研究设备,其有益效果如上所述。

Description

一种声致振动研究设备及其可调频率共振式消声器
技术领域
本发明涉及声学技术领域,特别涉及一种可调频率共振式消声器。本发明还涉及一种声致振动研究设备。
背景技术
消声器是一种用于抑制声激励和判断噪声因素对振动响应贡献强弱的关键设备。由于噪声频率分布不同,且结构对声激励的响应曲线受频率影响,因此在声致振动研究过程中,往往需要使用多个不同的消声器来控制消声效果的最佳频率,以便确定不同频率点的声致振动贡献。
如图1所示,图1为主管路上存在支路管时的声波传播情况。
在声致振动研究设备上的设备主体上设置有主管路,声波在主管路的内部通过空气传播。当主管路上连接有支路管时,支路管将对声波的传播形式造成影响。其中,设支路管的截面积为Sb,声阻抗为Zb,则由于截面处声压连续,因此有pi+pr=pt=pb。其中,i表示入射声的相关参数,r表示反射声的相关参数,t表示透射声的相关参数,b表示支路管声波的相关参数。同时,由于截面处体积速度连续,因此有S(ui+ur)=Sut+Sbub,式中S表示主管路的截面积,u表示空气微团的振动速度。如此可以推知反射声与入射声的声压幅值之比存在如下关系:
式中ρ0为空气密度,c0为空气中的声速。由此可以计算声强透射系数:
因此声强透射系数与支路管的声阻抗关系很密切。若将支路管替换为共振式消声器,则该结构可以简化为赫姆霍兹共鸣器。
如图2所示,图2为赫姆霍兹共鸣器的结构简图。
可见,不计声阻时声强透射系数为:
式中Vb为共振腔的容积,l为细管的长度,且当:
为零时,消声器发生共振,此时透射系数为0,且共振频率为:
可见,当消声器的尺寸固定后,其共振频率也随之固定。
由于共振式消声器的尺寸固定后,共振频率也固定,因此当研究不同频率的声致振动关系时,需要更换不同的消声器,大量的消声器会提升成本,同时反复的拆装更换操作会加速接口的磨损,影响装置的气密性。
为避免在研究过程中反复更换消声器,在现有技术中,主要通过调节消声器的共振频率的方式进行克服,而调节共振频率的技术主要有两类:
第一类技术主要通过在支路管上安装阀门以修改声阻抗性能,即通过调节阀门的闭合程度,改变支路管的声阻抗性能,从而影响共振频率。然而,通过阀门调节共振频率的技术要求支路管的尺寸必须在一定范围内,限制了对不同管路尺寸的适应性。并且,由于调节阀门主要影响支路管的声阻抗,该方案改变了阻抗性能,因此声阻无法忽视,导致改变了共振频率和声强透射系数的计算方法,使得对共振频率的变化规律分析更趋复杂。
作为改进,第二类技术主要通过在下游或消声器的出口处设计声压监测孔,以获得消声器的消声效果,再通过电控调节消声器的共振腔体积以改变共振频率,结合声压监测点数据进行反馈控制,直至获得预期的共振频率。然而,通过声压监测孔进行反馈控制的共振频率调节技术,虽然不影响声阻抗,但额外引入了电控系统,导致结构变得更加复杂,研究成本增加,且电磁信号可能会影响共振频率调节精度,导致对使用场景的电磁条件要求较高。
因此,如何在不影响支路管的声阻抗性能的基础上,方便、低成本地实现共振频率调节,同时精简结构,提高可靠性和调节精确性,是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调频率共振式消声器,能够在不影响支路管的声阻抗性能的基础上,方便、低成本地实现共振频率调节,同时精简结构,提高可靠性和调节精确性。本发明的另一目的是提供一种声致振动研究设备。
为解决上述技术问题,本发明提供一种可调频率共振式消声器,包括设置于声致振动研究设备的设备主体上的主管路、与所述主管路的侧壁连通的支路管,所述主管路的内部用于传播声波,还包括与所述支路管连通的共振腔体,所述支路管用于将所述主管路中的部分声波引入所述共振腔体内,所述共振腔体用于产生与所述主管路内的声波频率相同的漏入波以进行抵消,且所述共振腔体为弹性腔体或形状记忆腔体,以通过形变改变容积。
优选地,所述共振腔体包括可折叠伸缩的波纹侧壁,以及分别密封连接于所述波纹侧壁两端的底壁及顶壁,所述支路管与所述底壁连通或与所述顶壁连通。
优选地,还包括固定支撑件和活动调节件;
所述固定支撑件与所述主管路的外壁相连,所述底壁固定在所述固定支撑件上;
所述活动调节件与所述固定支撑件活动连接,且所述活动调节件相对于所述固定支撑件的运动方向为所述波纹侧壁的伸缩方向,以带动所述顶壁压缩或拉伸所述波纹侧壁。
优选地,所述活动调节件与所述固定支撑件形成滑动连接,且滑动方向为所述波纹侧壁的伸缩方向;
所述活动调节件上设置有紧固件,所述紧固件用于与所述固定支撑件形成可拆卸连接,以锁定所述活动调节件;
所述活动调节件与所述顶壁固定或抵接。
优选地,所述活动调节件与所述固定支撑件形成螺纹连接,且进给方向为所述波纹侧壁的伸缩方向;
所述活动调节件与所述顶壁抵接。
优选地,所述固定支撑件上开设有多个限位孔,各所述限位孔沿所述波纹侧壁的伸缩方向分布,且各所述限位孔均用于与所述紧固件形成插接配合。
优选地,所述固定支撑件为用于容纳所述共振腔体的下半部分的内套筒,所述活动调节件为用于容纳所述共振腔体的上半部分的外套筒,所述外套筒套接在所述内套筒外。
优选地,所述固定支撑件的底部连接有套管,所述套管用于包裹所述支路管。
优选地,所述内套筒的外壁面上设置有刻度,所述刻度沿所述波纹侧壁的伸缩方向布置,用于指示与当前所述内套筒及所述外套筒的相对位置关系对应的所述共振腔体的共振频率。
本发明还提供一种声致振动研究设备,包括设备主体和与所述设备主体相连的消声器,其中,所述消声器具体为上述任一项所述的可调频率共振式消声器。
本发明所提供的可调频率共振式消声器,主要包括主管路、支路管和共振腔体。其中,主管路设置在声致振动研究设备的设备主体上,在主管路的内部填充有气体,以供声波在主管路内进行传播。支路管设置在主管路上,并与主管路的侧壁连通,使得声波在主管路内传播时,也能够同时进入支路管内进行传播。共振腔体为核心部件,该共振腔体具体为密封腔体,内部同样填充有气体,并与支路管连通,使得进入到支路管内的声波能够沿着支路管最终进入到共振腔体内,而这部分声波在共振腔体内的传播过程中会带动共振腔体内部气腔的振动,进而产生新的声波,即漏入波,而当漏入波与进入共振腔体内的声波的频率相同时,即处于共振频率时,漏入波与进入共振腔体内的声波互相抵消,实现消声效果。重要的是,该共振腔体具体为弹性腔体或者形状记忆腔体,能够产生弹性形变或者记忆形变,从而通过形变的方式改变容积。
如此,本发明所提供的可调频率共振式消声器,在需要调节共振频率时,只需通过使共振腔体产生弹性形变或记忆形变的方式,改变共振腔体的容积,即可实现共振腔体的共振频率的调节,无需在支路管上安装阀门或对支路管进行其余操作,因此不会影响支路管的声阻抗性能,还能够提高对于不同尺寸的支路管的适应性;更重要的是,共振腔体的弹性形变或记忆形变,是一种纯机械结构层面的改变,不涉及电控系统,也不需要额外配置电气部件,对电磁环境没有特别要求,也不会产生电磁信号干扰调节结果,因此共振频率的调节方式更加简单,成本也更低,并且可靠性和精确性更高。
综上所述,本发明所提供的可调频率共振式消声器,能够在不影响支路管的声阻抗性能的基础上,方便、低成本地实现共振频率调节,同时精简结构,提高可靠性和调节精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为主管路上存在支路管时的声波传播情况。
图2为赫姆霍兹共鸣器的结构简图。
图3为本发明所提供的第一种具体实施方式的整体结构示意图。
图4为本发明所提供的第二种具体实施方式的整体结构示意图。
图5为图3中所示的固定支撑件上的刻度示意图。
其中,图3—图5中:
主管路—1,支路管—2,共振腔体—3,固定支撑件—4,活动调节件—5,紧固件—6;
波纹侧壁—31,底壁—32,顶壁—33;
限位孔—41,套管—42,刻度—43。
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。
请参考图3,图3为本发明所提供的第一种具体实施方式的整体结构示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中,可调频率共振式消声器主要包括主管路1、支路管2和共振腔体3。
其中,主管路1设置在声致振动研究设备的设备主体上,在主管路1的内部填充有气体,以供声波在主管路1内进行传播。
支路管2设置在主管路1上,并与主管路1的侧壁连通,使得声波在主管路1内传播时,也能够同时进入支路管2内进行传播。
共振腔体3为核心部件,该共振腔体3具体为密封腔体,内部同样填充有气体,并与支路管2连通,使得进入到支路管2内的声波能够沿着支路管2最终进入到共振腔体3内,而这部分声波在共振腔体3内的传播过程中会带动共振腔体3内部气腔的振动,进而产生新的声波,即漏入波,而当漏入波与进入共振腔体3内的声波的频率相同时,即处于共振频率时,漏入波与进入共振腔体3内的声波互相抵消,实现消声效果。重要的是,该共振腔体3具体为弹性腔体或者形状记忆腔体,能够产生弹性形变或者记忆形变,从而通过形变的方式改变容积。
如此,本实施例所提供的可调频率共振式消声器,在需要调节共振频率时,只需通过使共振腔体3产生弹性形变或记忆形变的方式,改变共振腔体3的容积,即可实现共振腔体3的共振频率的调节,无需在支路管2上安装阀门或对支路管2进行其余操作,因此不会影响支路管2的声阻抗性能,还能够提高对于不同尺寸的支路管2的适应性;更重要的是,共振腔体3的弹性形变或记忆形变,是一种纯机械结构层面的改变,不涉及电控系统,也不需要额外配置电气部件,对电磁环境没有特别要求,也不会产生电磁信号干扰调节结果,因此共振频率的调节方式更加简单,成本也更低,并且可靠性和精确性更高。
综上所述,本实施例所提供的可调频率共振式消声器,能够在不影响支路管2的声阻抗性能的基础上,方便、低成本地实现共振频率调节,同时精简结构,提高可靠性和调节精确性。
在关于共振腔体3的一种具体实施例中,该共振腔体3具体呈圆筒状或矩形筒状等,主要包括波纹侧壁31、底壁32和顶壁33。其中,底壁32和顶壁33分别为共振腔体3的两个轴向端壁,而波纹侧壁31为共振腔体3的外圆面,底壁32和顶壁33分别连接在波纹侧壁31的轴向两端,并与波纹侧壁31连接形成密封结构,以保证共振腔体3的密封性。当然,为与支路管2连通,在底壁32或顶壁33上还开设有通孔,以与支路管2相连。重要的是,波纹侧壁31呈波纹管状,且具有弹性或形状记忆性,比如塑料材质、橡胶材质、软质金属材质等,或者镍钛合金、镍钛镓合金等形状记忆合金材质。如此设置,在需要改变共振腔体3的容积时,只需对底壁32或顶壁33施加沿轴向方向的拉力或压力,使得波纹侧壁31受拉或受压而产生弹性形变,进而实现波纹侧壁31的伸缩运动,通过改变共振腔体3的轴向长度的方式实现容积变化,同时实现共振频率调节,调节方式简单、方便且精确。
考虑到波纹侧壁31具有弹性,且刚度较低,没有外界硬性支撑,在实际使用过程中,可能会因为自身重力影响或通气时的气压作用等因素导致产生不必要的形变,进而可能偏离预先设置的轴向长度,导致容积在调节后出现偏差。针对此,本实施例中增设了固定支撑件4和活动调节件5。
其中,固定支撑件4设置在主管路1上,并与主管路1的外壁相连,具体呈一端开口的圆筒状或方筒状等,比如内套筒结构,主要用于容纳、支撑共振腔体3的下半部分,且共振腔体3的底壁32固定在固定支撑件4上,如此可使共振腔体3的底壁32被固定,无法被外力影响而对波纹侧壁31造成拉压作用。
活动调节件5与固定支撑件4形成活动连接,即活动调节件5能够相对固定支撑件4进行运动,且活动调节件5相对于固定支撑件4的运动方向为波纹侧壁31的伸缩方向,从而在活动调节件5的运动过程中,带动顶壁33对波纹侧壁31形成压缩或拉伸作用。同时,活动调节件5具体呈一端开口的圆筒状或方筒状等,比如外套筒结构,主要用于容纳、支撑共振腔体3的上半部分,并与共振腔体3的顶壁33形成连接或抵接。如此设置,由于共振腔体3的底壁32被固定支撑件4固定,仅有顶壁33能够对共振腔体3的波纹侧壁31形成拉压作用,因此通过活动调节件5在固定支撑件4上的相对运动,即可带动顶壁33对波纹侧壁31形成伸缩效果,并且由于固定支撑件4对底壁32的支撑固定作用,以及活动调节件5对顶壁33的支撑驱动作用,确保只有在活动调节件5相对固定支撑件4进行运动时,才能改变共振腔体3的容积,避免波纹侧壁31发生意外形变。
在关于固定支撑件4与活动调节件5的相对运动的第一种具体实施例中,该固定支撑件4与活动调节件5形成滑动连接,即活动调节件5能够在固定支撑件4上进行滑动运动。比如活动调节件5可滑动地套接在固定支撑件4外等,且活动调节件5的滑动方向为波纹侧壁31的伸缩方向,即共振腔体3的长度方向或轴向,实际应用中通常为垂向。同时,活动调节件5与顶壁33形成固定连接或者抵接在顶壁33的外侧面上。并且,在活动调节件5上还设置有紧固件6,该紧固件6主要用于与固定支撑件4形成可拆卸连接,以在活动调节件5进行滑动调节后,通过紧固件6与固定支撑件4的连接,将活动调节件5锁定在目标滑动位置处,从而使活动调节件5稳定保持在对应位置,进而使共振腔体3的容积稳定保持在目标值。
具体的,以活动调节件5相对于固定支撑件4进行垂向滑动运动为例,当活动调节件5进行垂向朝下滑动时,活动调节件5的顶端面将带动共振腔体3的顶壁33进行同步垂向下移运动;当活动调节件5进行垂向朝上滑动时,若活动调节件5的顶端面与共振腔体3的顶壁33形成固定连接,则将带动顶壁33进行同步垂向上升运动;若活动调节件5的顶端面与共振腔体3的顶壁33形成抵接,则虽然不会带动顶壁33进行同步垂向上升,但在主管路1内的气压作用(相比于外界为正压)下,顶壁33仍然会垂向上升至与活动调节件5的顶端面保持抵接,达到同样的技术效果。
进一步的,为提高通过紧固件6对活动调节件5形成的锁定效果,本实施例中,紧固件6可以直接通过末端紧紧地抵接在固定支撑件4的外壁上,从而利用摩擦力实现对活动调节件5的锁定;还可以在固定支撑件4上开设多个限位孔41,并使各个限位孔41沿着波纹侧壁31的伸缩方向分布,比如沿垂向均匀分布等,各个限位孔41均用于与紧固件6形成插接配合,如此设置,在需要锁定活动调节件5的滑动位置时,只需将紧固件6插入对应的限位孔41内即可,锁定效果更加稳定可靠。一般的,紧固件6具体可采用螺栓、插销等。
如图4所示,图4为本发明所提供的第二种具体实施方式的整体结构示意图。
在关于固定支撑件4与活动调节件5的相对运动的第二种具体实施例中,该固定支撑件4与活动调节件5形成螺纹连接,即活动调节件5能够在固定支撑件4上进行螺旋运动,比如在固定支撑件4的外壁上设置有外螺纹,而在活动调节件5的内壁上设置有内螺纹,两者形成内外螺纹连接等,且活动调节件5的进给方向为波纹侧壁31的伸缩方向。同时,活动调节件5的顶端面抵接在顶壁33的外侧面上。具体的,以活动调节件5的进给方向为垂向为例,当活动调节件5旋紧并进行垂向朝下滑动时,活动调节件5的顶端面将带动共振腔体3的顶壁33进行同步垂向下移运动,且由于活动调节件5的顶端面仅与共振腔体3的顶壁33形成抵接,因此不会对共振腔体3输入扭矩,避免共振腔体3的波纹侧壁31产生扭转损坏;当活动调节件5旋松并进行垂向朝上滑动时,共振腔体3的顶壁33将在主管路1内的气压作用下进行垂向上升,直至与活动调节件5的顶端面保持抵接。
为便于实现固定支撑件4与主管路1之间的稳定连接,本实施例中,还在固定支撑件4的底部连接有套管42。具体的,该套管42包裹在支路管2外,对支路管2形成防护,且套管42的底部与主管路1相连。
如图5所示,图5为图3中所示的固定支撑件4上的刻度43示意图。
另外,考虑到在现有技术中,通过声压监测孔进行反馈控制的共振频率调节技术,基于反馈的调节方式也导致其可视性较差,需要依赖声压测量的结果评估,一旦电控系统发生故障则无法确定现有的共振频率。针对此,本实施例中增设了刻度43。具体的,根据共振频率的计算公式可知,当支路管2的截面积与长度固定、气体声速固定时,共振频率直接由共振腔体3的容积决定,且与共振腔体3的容积成反比,因此,根据活动调节件5在固定支撑件4上的相对位置即可计算此时内部共振腔体3的容积,进而计算出共振频率。如此,以标准状态下空气的声速作为参考,根据共振腔体3的容积计算出共振频率,按照反比规律在固定支撑件4的外壁上雕刻刻度43,比如刻在内套筒的外圆面上等,具体的,该刻度43沿波纹侧壁31的伸缩方向布置,比如沿垂向设置等,主要用于指示与当前内套筒及外套筒的相对位置关系对应的共振腔体3的共振频率。工作人员只需观察外套筒的底端端面对应的刻度43位置,即可快速估计此时共振腔体3的共振频率,将该频率乘以实际工况下声速与标准状态下声速的比值,即可获得比较准确的估计值。
本实施例还提供一种声致振动研究设备,主要包括设备主体和与设备主体相连的消声器,其中,由于该消声器采用了上述可调频率共振式消声器的实施例全部的技术方案,因此,本实施例所提供的声致振动研究设备同样具有上述实施例的技术方案所带来全部的技术效果,此处不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可调频率共振式消声器,包括设置于声致振动研究设备的设备主体上的主管路(1)、与所述主管路(1)的侧壁连通的支路管(2),所述主管路(1)的内部用于传播声波,其特征在于,还包括与所述支路管(2)连通的共振腔体(3),所述支路管(2)用于将所述主管路(1)中的部分声波引入所述共振腔体(3)内,所述共振腔体(3)用于产生与所述主管路(1)内的声波频率相同的漏入波以进行抵消,且所述共振腔体(3)为弹性腔体或形状记忆腔体,以通过形变改变容积。
2.根据权利要求1所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述共振腔体(3)包括可折叠伸缩的波纹侧壁(31),以及分别密封连接于所述波纹侧壁(31)两端的底壁(32)及顶壁(33),所述支路管(2)与所述底壁(32)连通或与所述顶壁(33)连通。
3.根据权利要求2所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,还包括固定支撑件(4)和活动调节件(5);
所述固定支撑件(4)与所述主管路(1)的外壁相连,所述底壁(32)固定在所述固定支撑件(4)上;
所述活动调节件(5)与所述固定支撑件(4)活动连接,且所述活动调节件(5)相对于所述固定支撑件(4)的运动方向为所述波纹侧壁(31)的伸缩方向,以带动所述顶壁(33)压缩或拉伸所述波纹侧壁(31)。
4.根据权利要求3所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述活动调节件(5)与所述固定支撑件(4)形成滑动连接,且滑动方向为所述波纹侧壁(31)的伸缩方向;
所述活动调节件(5)上设置有紧固件(6),所述紧固件(6)用于与所述固定支撑件(4)形成可拆卸连接,以锁定所述活动调节件(5);
所述活动调节件(5)与所述顶壁(33)固定或抵接。
5.根据权利要求3所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述活动调节件(5)与所述固定支撑件(4)形成螺纹连接,且进给方向为所述波纹侧壁(31)的伸缩方向;
所述活动调节件(5)与所述顶壁(33)抵接。
6.根据权利要求4所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述固定支撑件(4)上开设有多个限位孔(41),各所述限位孔(41)沿所述波纹侧壁(31)的伸缩方向分布,且各所述限位孔(41)均用于与所述紧固件(6)形成插接配合。
7.根据权利要求4或5所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述固定支撑件(4)为用于容纳所述共振腔体(3)的下半部分的内套筒,所述活动调节件(5)为用于容纳所述共振腔体(3)的上半部分的外套筒,所述外套筒套接在所述内套筒外。
8.根据权利要求7所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述固定支撑件(4)的底部连接有套管(42),所述套管(42)用于包裹所述支路管(2)。
9.根据权利要求7所述的可调频率共振式消声器,其特征在于,所述内套筒的外壁面上设置有刻度(43),所述刻度(43)沿所述波纹侧壁(31)的伸缩方向布置,用于指示与当前所述内套筒及所述外套筒的相对位置关系对应的所述共振腔体(3)的共振频率。
10.一种声致振动研究设备,包括设备主体和与所述设备主体相连的消声器,其特征在于,所述消声器具体为权利要求1-9任一项所述的可调频率共振式消声器。
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