CN1202592A - 壁腔传声器防湍流罩 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外置于一ANC系统中的管道或风扇输出口的空腔,以便管道衬垫或多孔材料将管道的内腔与该空腔分隔开。一传声器设置在空腔内。多孔材料的隔层最好设置在空腔内,以便将空腔分隔成若干个小室以减小空腔内的内部流动再循环。

Description

壁腔传声器防湍流罩
已知在管道积极噪声控制(ANC)系统中的声传感技术领域中，由于存在于系统的输入或者误差传声器上的湍流的缘故，故抑制压力波动对于其消除噪声的能力是很关键的。这种所谓的“流动噪声”降低了介于感应与误差传声器之间的相关性，而相关程度直接涉及消除噪声可达到的程度。例如，在一前馈ANC系统中，要求感应误差传声器的0.99相关度达到20dB的消除量，而0.9的相关值则将消除量减小至10dB。关于设置的反馈通路(称之为“TCM”，对于紧密耦合的单极)，由于存在于输入传声器上的流动噪声量代表了倘若系统工作良好、可通过积极消除能达到的最低音量，因此它限制了系统的性能。另外，由传声器所感应的高幅低频流动波动会引起有害的扬声器的高幅移动以及系统的不稳定。倘若靠某一挡风板或者防护罩不能足够地抑制湍流，则只有将ANC系统从一般接近于风扇的高度湍流区移动至较平静的区域。事实上，这种方法增加了系统的总长和/或ANC系统管道尺寸的横截面大小，并且由于不能将传声器设置在风扇输出口的附近，因此该方法限制了产品的整体性。一种使用在标准的ANC、HVAC应用中的典型屏蔽流动的方法为使用一种设置在标准管道衬垫材料下的平镶式传声器。这种结构提供了一种成本低廉且有效的装置，以便抑制不想要的流动噪声。然而，在诸如接近于风扇出口所遇到的极端湍流的状况下，这种方法是难以胜任的。这样，由于需要将传声器与风扇出口相隔离，所以这个解决方法需要更长的系统长度。
本发明将一传声器设置在管道衬垫外侧的一空腔内，由此显著地改善性能，以便可将传声器设置在风扇的输出口，而同时又避免了有关湍流的问题。另外，可将传声器设置在位于一空腔内的一小室内，通过一块或多块多孔隔层将该空腔分隔成若干个小室，其中至少一个小室包含一传声器。
本发明的一个目的在于允许将传感器传声器设置在接近于极端湍流的区域中，同时又保持了介于输入口与误差传声器之间的较高的相关度。
本发明的另一个目的在于提供一种用于传声器的防湍流罩。
本发明的又一个目的在于提供一种适于设置在风扇输出口区域内的传声器防湍流罩。这些目的以及下文中将变得一目了然的其它目的将通过本发明来实现。
将一传感器传声器基本设置在ANC系统管道的管道衬垫外侧的空腔内。可在空腔内设置多孔材料的隔层以减小内部流动再循环。
图1是用于采用自适应前馈法的管道系统的一种ANC系统的示意图；
图2是用于采用配置反馈法的管道系统的一种ANC系统的示意图；
图3是本发明防湍流罩的第一实施例的剖视图；
图4是沿图3的线4-4剖切的剖视图；
图5是图3所示实施例相对于管道旋转90°的剖视图；
图6是本发明第二实施例的剖视图；
图7是本发明第三实施例的剖视图；
图8是本发明第四实施例的剖视图；
图9是本发明第五实施例的剖视图；
图10是表示介于两个处于同一横截面上、具有不同屏蔽流动的传声器之间的相关性的曲线图；
图11是对应于图5的、但具有两个传声器的剖视图；
图12是对应于图3的、但具有两个传声器的剖视图；
图13是表示介于有饰面的管道衬垫与无饰面的管道衬垫之间的相关性的曲线图；
图14是本发明第六实施例的剖视图；以及
图15是沿图14的线15-15剖切的剖视图。
在图1和图2中，标号10总的表示例如一使用在空调分配系统内、并衬以一种诸如一英寸厚的玻璃纤维绝缘体之类的标准管道衬垫材料的管道。该管道衬垫材料最好是多孔性的，由于存在着诸如覆盖层或包覆层之类的饰面，因此又阻止流动通过。一种合适的材料为由Manville Fiber Glass Group出品的商标为Linacoustic的塑料涂覆的饰面玻璃纤维织物。上游风扇12主要由于驱动的空气动力学机理产生诸如后缘噪声之类的噪声，该噪声沿管道传播。一种近年来发展起来的用于控制该噪声的最低频率的有效方法为积极噪声控制，其中使用了一控制扬声器14，以便为了“消除”不想要的噪声而形成一种正负号相反的压力波动。这种消除是通过将声音反射回声源(即一纯抗式系统)，由控制扬声器14吸收声能，或者结合这两种机理来实现的。图1和图2所示为两种实现管道ANC(积极噪声控制)的基本方法，图1所示为自适应前馈法，图2所示为配置反馈法。关于图1所示的自适应前馈法，一感应传声器16检测传播的噪声，并通过一补偿延时信号的自适应DSP(数字信号处理器)控制器18前馈该信号，衰减声幅、管道波型(mode)、扬声器动力(dynamics)等，并且还向消除噪声的控制扬声器14提供一信号。一下游误差传声器20检测残留的噪声。来自于下游传声器20的信号被用来以一种使存在于误差传声器20上的残留噪声信号最小化的方式来适应DSP18的系数。图2所示的配置反馈法采用一检测风扇噪声和扬声器噪声的总和的传声器22，一模拟控制器24和一控制扬声器14。将来自传声器22的信号输入到模拟控制器24内，该模拟控制器连续调节控制扬声器14的输出以使由传声器22所检测的信号最小化。总之，图1所示的自适应前馈法比图2所示的反馈法具有更高的性能，只是采用自适应前馈法的系统的长度较长，并且其成本较高。
关于两种管道ANC系统中的任何一种系统，有利的是为使系统所需的空间最小化，可距离风扇的输出口尽可能近地来设置系统，(即使长度D最小化)，介于风扇12的输出口与最近的传声器16或22之间的距离。然而，在距离风扇输出口最近的区域内的湍流T是急剧的，并完全阻碍了采用这种对策。这种湍流波动可超出管道10内的平均流动速度的50％。由冲击在传声器16和22上的湍流结构所引起的压力波动产生一种与声压波动附加在一起的“流动噪声”信号。该流动噪声将限制可由ANC系统达到的所消除的噪声量。例如，倘若流动噪声低于声音噪声，则衰减将被限制至可在流动噪声层上方所检测的声音噪音的小部分。此外，倘若流动噪声高于声音噪声，则ANC系统将通过控制扬声器散播流动噪声，从而成为了噪声发生器，而不是噪声衰减器。为了增加ANC系统的衰减能力，可考虑以下四点方案：(1)将ANC系统顺流移动至一更平静的流动区，(2)先用电子仪器过滤来自于传声器16或传声器22的信号内的流动噪声，而后将其输入至控制器18或控制器24内，(3)使用一系列具有适当的信号调节的感应传声器，以便用电子仪器使流动引起的噪声与在管道10内传播的噪声相分离，以及(4)使用一围绕着传声器16、20与22的湍流抑制罩，以便相对于在管道10内传播的声音噪声信号的强度有选择地减弱位于传声器表面上的湍流能量的强度。使用一围绕着感应传声器的湍流抑制罩的方案(4)是所需的并且独特的方案，高性能屏蔽原理是本发明的主题。
本发明不仅允许将传声器16设置在与风扇12的输出口相关联的湍流T区内，而且还在使用传声器20和22的同时，提供附加的屏蔽。现在请参阅图3和图4，如图所示，外壳件30构成了具有一敞开侧的三维空腔32。该空腔沿图3中箭头所示的流动方向延伸，其中一个实施例的尺寸为二十英寸长，十英寸宽和三英寸深。另一个实施例的尺寸为十英寸长，五英寸宽和三英寸深。外壳件30具有一周边凸缘30-1，以便将外壳30固定至管道10上。通常与管道衬垫11的材料相同的、并且被饰面或者包覆的多孔材料34将空腔32分成小室32-1和32-2。因此，衬垫11和界定多孔材料34的隔层提供了通过饰面或包覆来增强的流动衰减。如图所示，传声器16设置上游小室32-1内，但也可将它设置在小室32-2内。开口10-1设置在管道10内，位于或接近于风扇12的输出口，其大小与外壳30的敞开侧相对应，并被管道衬垫11所覆盖，以便仅仅由管道衬垫11分隔管道10的内部与空腔32。外壳30通过螺钉38或任何其它合适的连接装置固定至管道10的外侧上。由于空气泄漏会引起流动噪声，而且该外壳必须是气密的，并且它必须起到抑制住声音的作用，因此如果需要或者想要的话，可在外壳30的凸缘与管道10之间设置一垫片或者密封件。
在运行中，风扇所产生的噪声很容易地穿过管道衬垫11进入到空腔32的小室32-1和32-2内，在那里噪声被传声器16所感应。管道衬垫11提供了对于流入空腔32内的湍流T的限制。另外，将空腔32分隔成小室32-1和32-2的多孔材料34衰减介于小室32-1和32-2之间的内部流动再循环。该内部流动再循环的衰减与开口10-1的有效尺寸有关，以便平均由湍流产生在衬垫处的噪声，同时该内部流动再循环的衰减便于湍流通过覆盖开口10-1的管道衬垫11的流动。作为隔层的多孔材料34有效减小了开口10-1的有效尺寸对于在空腔32中再循环流动的影响。
图5所示装置与图3和图4所示的装置相同，只是外壳30旋转了90°而已。再定位的结果为外壳30需要较短的用于放置的管道10的长度，开口10-1沿流动方向延伸一段更短的距离，小室32-1和32-2相对于管道10的长度处于同一位置上。图5所示装置的运行与图3和图4所示装置的运行相同。
在图6所示实施例中，由多孔材料34所构成的隔层被多孔材料隔层134-1和134-2所替换，以便将空腔32分隔成小室132-1、132-2和132-3，这三个小室小于相应的小室32-1和32-2。可令人满意地将传声器16设置在小室132-1、132-2和132-3中的任何一个小室内，但是当将其设置在小室132-2内时，在小室132-2的六个侧面中有三个侧面是由多孔材料制成的，而在小室132-1和132-3的六个侧面中只有两个侧面是由多孔材料制成。小室132-2内的多孔材料的附加侧面提供一种对于再循环流动影响的附加测量，如上所述，与小室32-1和32-2相比如较小的小室所检测。另外，图6所示装置的运行与图3和图4所示装置的运行相同。
在图7所示实施例中，管道10未被衬垫，以便开口10-1提供介于管道10的内部与空腔32之间的自由流通。因此，在外壳30内设置多孔材料111，该多孔材料延伸至空腔32内，以便封闭外壳30的另一敞开侧，该多孔材料还提供与管道壁10的内部相平齐的表面。然后，用形成一隔层的多孔材料234将空腔32分隔成小室232-1和232-2。不将传声器16完全设置在小室232-1内，该传声器16通过外壳30的一侧延伸，特别是通过其底部延伸，以便与其平齐，但是这在任何一个本发明的其它实施例中都是可行的，这些实施例另外可将传声器延伸至空腔内。另外，传声器必须对空腔32内的声音压力敏感，并且可将该传声器设置在空腔32的外侧，但是可通过一管子及其相似物与空腔32相流通。由于多孔材料111设置在外壳30内，假定外壳30的尺寸相同，则小室232-1和232-2将小于小室32-1和32-2，但是另一方面，图7所示装置的运行与图3和图4所示装置的运行相同。如果需要的话，可由多孔材料111单独或结合使用多孔材料234填满大部分或整个的空腔32。该方案可通过平镶式设置传声器16来加强。
在图8所示实施例中，多孔材料334平行并间隔于管道衬垫11设置在空腔32内，以便在空腔32内形成一将该空腔分隔成小室332-1和332-2的隔层。小室332-1和多孔材料隔层334设置在空腔小室332-2与管道10的内部之间，从而提供一种相对于小室332-2减小的内部流动再循环的附加测量。因此，最好将传声器16设置在小室332-2内。图8所示实施例的运行与图3和图4所示实施例的运行基本相同。
在图9所示实施例中，外壳430在图示部分中具有三维的抛物面形状。由于抛物面形状，到达空腔432的短波长(即壁产生的湍流)噪声由外壳430的内表面反射至抛物面的焦点。这种短波长湍流压力波动的聚焦会进行更大的平均，从而使其影响最小化。较长波长的声能(即风扇噪声)保持基本不受反射面存在的影响。将传声器16设置在抛物面的焦点上，并最好设置在构成绝缘材料434、将空腔432分隔成小室432-1和432-2的隔层中。虽然如图所示为特定的抛物面形状，但还可为其它的诸如一个三维的椭圆形的一部分，噪声反射到其一焦点上。除聚焦湍流噪声及将传声器16设置在焦点上之外，图9所示实施例关于减小内部流动再循环的运行与图3和图4所示装置的运行基本相同。
图10示出了平镶式安装并体现本发明构思的壁腔防湍流罩的性能，该性能是通过介于两个位于一个二十五吨垂直装配空调机内的同一横截面上的相同屏蔽的传声器之间的相关性来表示的，该垂直装配空调机简称VPAC，正好位于风扇输出口的下游并转动90°(湍流值相当于体积平均速率的25-30％)。衬垫的加入可使20Hz以上的相关性显著增加，而对于20Hz以下的相关性则影响较小。外壳(20英寸X10英寸X3英寸)的加入大大提高了整个频带上的相关性，有着三块垂直定向的内隔层或者多孔材料隔层衰减了内部流动再循环，相关性甚至可进一步提高，尤其是在低频带上。
可对空腔32增加一个或多个附加的传声器，结合起来改善了从风扇测量的相关声能。例如，对于每一加倍数目的传声器/传感器而言，相关声能将以6dB的速率增加，而对于每一加倍数目的传声器/传感器而言，非相关声音，即湍流噪声将增加3dB。诸传声器/传感器应分隔一段比相关的湍流长度更长的距离。现在请参阅图11，它与图5相对应，只是它增加了一个设置在空腔32-2内的传声器16-1。由于传声器16和16-1离开风扇12的距离是相等的，因此将它们直接连接至加法器50。现在请参阅图12，它与图11相对应，只是外壳30顺时针方向旋转了90°。这样造成相对于风扇12而言，传声器16-1和小室32-2位于传声器16和小室32-1的下游。因此，在传声器16和16-1之间存在着一个延时Δτ，并且传声器16通过延时器60与加法器50相连，而传声器16-1直接与加法器50相连。
如上所述，管道衬垫11和隔层34，134-1，134-2，234，334以及434最好是由相同的材料、诸如玻璃纤维之类多孔的材料制成，并具有一饰面或包覆，使它更能阻止流动通过。图13所示为由于在玻璃纤维上存在一饰面层而增加了相关性。
现在请参阅图14和图15，构成空腔532的壳体或凸出物110-1可与管道或风扇输出口110成为一体。由于壳体110-1内仅仅需要一个用于电连接到分别位于小室532-1和532-2内的传声器16和16-1的开口，因此该实施例的主要优点在于其气密度。另外，壳体110-1的材料与管道或风扇输出口110的材料相同，该壳体具有相同的抑制声音/噪音的能力。图14和图15所示实施例直接与图12和旋转90°后的图11所示实施例相对应，但是图3-9所示实施例也可使它们的外壳与管道成为一体，而不用改变其基本功能。因此，不需要示出修改的图3-9所示实施例以使它们的外壳与管道或风扇输出口成为一体，这是因为没有提供附加的信息与指示。
虽然已描述并图示出了本发明的较佳实施例，但是那些本技术领域中的熟练人员将发现其它的变化。例如，可形成更多的小室，这些小室可具有不等的尺寸和/或不同的取向。另外，传声器只需要对该空腔内的声压敏感即可，而不必将传声器实际设置在该空腔内。空腔的尺寸相对于传声器和隔层的尺寸而言较小，这样是较有利的。本发明的范围仅仅由所附的权利要求来加以限定。

Claims (15)

1.一种管道积极噪声消除系统包括一产生噪声的风扇(12)和一其中具有流动湍流的风扇输出口，空气分配装置包括所述风扇输出口并至少部分的由管道(10)构成，并具有一壁和一内腔，一防湍流罩的特征在于：
装置构成一具有一开口端的空腔(32；432；532)；
所述装置构成一接近于所述管道设置的空腔，以便所述开口端与所述壁内的开口相对应；
流动衰减装置(11；111)设置在所述内腔与所述空腔之间；
至少设置一个对所述空腔内的声压敏感的声音感应装置(16；16-1)，所述声音感应装置通过所述流动衰减装置与所述内腔相隔离。
2.如权利要求1所述的防湍流罩，其特征在于，所述流动衰减装置仅仅是一位于所述内腔与所述至少一声音感应装置之间的实际隔层。
3.如权利要求1所述的防湍流罩，其特征在于，所述流动衰减装置至少部分地填充所述空腔。
4.如权利要求1所述的防湍流罩，其特征在于，所述空腔被分隔成若干个小室。
5.如权利要求4所述的防湍流罩，其特征在于，所述至少一声音感应装置至少部分地设置在所述若干个小室中的一第一小室(332-2)内，所述若干个小室中的一第二小室(322-1)设置在所述若干个小室中的所述第一小室与所述内腔之间。
6.如权利要求4所述的防湍流罩，其特征在于，所述至少一声音感应装置(16)设置在所述若干个小室中的一个小室内。
7.如权利要求6所述的防湍流罩，其特征在于，还包括一第二声音感应装置(16-2)，该第二声音感应装置至少部分地设置在所述若干个小室中的一第二小室内。
8.如权利要求7所述的防湍流罩，其特征在于，所述若干个小室中的所述第一小室设置在所述若干个小室中的所述第二小室的上游。
9.如权利要求4所述的防湍流罩，其特征在于，所述空腔具有三维抛物面形状。
10.如权利要求4所述的防湍流罩，其特征在于，流动衰减装置用于将所述空腔分隔成若干个小室。
11.如权利要求10所述的防湍流罩，其特征在于，所述至少一声音感应装置设置在所述的、将所述空腔分隔成若干个小室的流动衰减装置内。
12.如权利要求1所述的防湍流罩，其特征在于，所述外壳具有抛物面形状。
13.如权利要求12所述的防湍流罩，其特征在于，所述至少一声音感应装置设置在将所述空腔分隔成若干个小室的流动衰减装置内。
14.如权利要求1所述的防湍流罩，其特征在于，所述外壳及由此形成的所述空腔的形状是为了便于将声音反射至一焦点。
15.如权利要求14所述的防湍流罩，其特征在于，所述至少一声音感应装置设置在所述焦点上。
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