CN202100303U - 消声器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及噪音控制，提供了一种消声器，设置有至少一个包括隔板和螺旋结构的消声单元；隔板与壳体固定连接并轴向隔断腔体，设置有连通隔板两侧腔体的径向间歇；以平面螺旋线作为断面轮廓线，螺旋结构整体呈管状且任意断面形状与断面轮廓线相适应；螺旋结构固定于隔板出口一侧的侧面上，由螺旋结构、隔板、壳体包围构成螺旋消声腔，螺旋消声腔与隔板出口一侧的腔体相连通，声波经反射由开口进入螺旋消声腔。通过隔板实现扩张消声，通过螺旋结构增大反射几率并捕获声波，进而通过声波的分散、吸收、干涉抵消实现消声，频谱性能好，减小了扩张消声消声量对扩张比的依赖，径向尺寸小，结构性能好；气流呈直线或波浪线流动，空气动力性能好。

Description

消声器

技术领域

本实用新型涉及噪音控制，尤其是一种消声器。

背景技术

消声器是消减气流噪声的装置，将其安装在管道中或进、排气口上，在气流通过的同时对噪声具有一定的消减作用，其性能主要包括三个方面：一、消声性能，包括消声量的大小和频谱特性；二、空气动力性能，通常是用消声器入口和出口的全压差来表示；三、结构性能，是指其的外形尺寸、坚固程度、维护要求、使用寿命等。评价消声器的上述三个方面的性能，既互相联系又互相制约，从消声器的消声性能考虑，在所需频率范围内的消声量越大越好；但是同时必须考虑空气动力性能的要求。例如，汽车内燃机的排气消声器，如果阻损过大，会使功率损失增加、增加油耗，甚至影响车辆行驶。在兼顾消声器声学性能和空气动力性能的同时，还必须考虑结构性能的要求，不但要耐用，还应避免体积过大、安装困难等情况。

消声器的种类很多，但究其消声机理，主要包括如下三种：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器。其中，阻性消声器是一种吸收型消声器，其利用声波在多孔吸声材料中传播时，因摩擦将声能转化为热能而消声；抗性消声器不使用吸声材料，其依靠管道截面的突变或旁接共振腔等在声传播过程中引起阻抗改变而产生声能的反射、干涉及共振吸声来降低消声器向外辐射的声能，达到消声的目的；阻抗复合式消声器，是把阻性与抗性两种消声原理通过适当结构复合起来而构成的。由于阻性消声器及阻抗复合式消声器均加有吸声材料，这些吸声材料易被高温废气熔化、或被炭烟、油泥堵塞而使消声性能下降，因此，现有的内燃机排气消声器，主要采用抗性消声器。

对应上述利用管道截面的突然扩张或收缩造成通道内声阻抗突变的抗性消声器，称为扩张室式或膨胀室式，由管和室组成的，使沿管道传播的某些频率的声波通不过消声器而反射回声源去。

对应上述旁接共振腔的抗性消声器，称为共振腔式，是由管道壁开孔与外侧密闭空腔相通而构成的，管壁上小孔颈中的气柱类似活塞，具有一定的声质量；密闭空腔类似空气弹簧，具有一定的声顺；空气在小孔中振动与孔颈壁面存在着摩擦和阻尼作用，具有一定的声阻。这样声质量、声顺和声阻就在气流通道构成声振动系统，它们就象电学上电感、电容和电阻构成谐振电路一样。

现有抗性消声器，均由六种抗性消声单元组合构成，各单元的结构如图1由上至下、由左至右所示，依次为进口内插管、出口内插管、直通穿孔管、穿孔板、反向扩张、反向收缩。其中进口内插管、出口内插管、反向扩张、反向收缩均为扩张室式，进口内插管、出口内插管用于气流直线流动，反向扩张、反向收缩用于气流反向；直通穿孔管根据其穿孔情况，可以是扩张室式也可以是共振腔式；穿孔板则主要是为了降低气流流速、消除高速气流的喷注噪音；使用时，各单元直接串联或通过直管跨越其他单元进行串联。

由于共振腔式消声，当体系固有频率与声波频率发生共振时，消耗的声能最多，消声量最大；当偏离时，迅速下降，消声频带范围窄，且微孔易堵塞，因此在内燃机排气消声器中较少采用。现有的内燃机排气消声器，通常采用扩张室式单元并配合迷宫式气流路径，如图2所示即一种典型的摩托排气消声器。由于扩张室式消声的消声量大小由扩张比决定、消声频率特性由扩张部分的长度决定，因此为了获得大的消声量、好的频谱特性，现有内燃机排气消声器结构性均较差；扩张室式消声器由于通道截面的扩张和收缩，将会使阻力损失增大，特别是当气流速度较高时，空气动力性能会变坏，同时迷宫式气流路径同样会增大气阻，因此排气阻力大，空气动力性能差，内燃机排气背压高，导致内燃机功耗损失、油耗增加。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种在保证消声量、频谱特性的前提下，空气动力性能和结构性能更好的消声器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：消声器，包括由消声器壳体包围构成的腔体、分别位于腔体轴向两端的消声器入口和出口，腔体内设置有至少一个消声单元，气流路径上任意点的上游侧均位于该点的消声器入口侧、下游侧均位于该点的消声器出口侧；所述消声单元包括的隔板、螺旋结构；所述隔板是与壳体固定连接并轴向隔断腔体，隔板和壳体之间设置有连通隔板两侧腔体的径向间歇，所述隔板边缘包括与壳体对应并固定连接的外侧边缘、位于腔体内并对应径向间隙的内侧边缘；以由外至内盘绕的平面螺旋线作为断面轮廓线，所述螺旋结构整体呈管状且其任意断面的形状与断面轮廓线相适应；所述螺旋结构固定于隔板对应消声器出口一侧的侧面上，沿腔体轴向投影，所述螺旋结构的投影面位于隔板的投影面内；由螺旋结构、隔板、与隔板外侧边缘对应的壳体包围构成断面形状与断面轮廓线形状相适应的螺旋消声腔，由螺旋结构同与隔板外侧边缘对应的壳体之间的间隙构成连通螺旋消声腔和隔板下游侧腔体的螺旋消声腔开口，且螺旋消声腔开口位于声波经隔板下游侧相邻结构反射后的传播方向上。

进一步的，设置有至少两个消声单元，相邻隔板对应的径向间歇在沿腔体轴向的投影面内径向对称；径向间隙和螺旋消声腔开口沿隔板径向对称。

进一步的，所述螺旋结构沿隔板对应径向间隙的内侧边缘延伸，且在轴向投影面内，所述螺旋结构投影小于隔板投影且两者形状相适应。

进一步的，所述螺旋结构通过对应断面轮廓线最外起点的棱边固定在隔板对应径向间隙的内侧边缘上。

进一步的，所述螺旋结构的断面轮廓线为相邻边夹角均为90°的折线状方螺旋线。

进一步的，所述消声器入口包括接口管、接口管和壳体之间的锥形筒，所述锥形筒的筒腔内设置有垂直于腔体轴向的纵板，腔体通过纵板与锥形筒筒壁之间的间隙同接口管连通，且该间隙和相邻的隔板径向间隙错开。

进一步的，设置有至少两个纵板，各纵板间隔设置，且由接口管起各纵板高度递增。

本实用新型的有益效果是：现有扩张室式消声的消声量大小由扩张比决定、消声频率特性由扩张部分的长度决定。而本实用新型消声器的消声单元首先通过扩张室式消声，同时通过螺旋结构增大声波的反射几率及对声波的捕获，通过声波的分散、吸收、干涉抵消实现声波的衰减，螺旋结构的捕获机理有效保证了其消声的频谱性能，而消声量与扩张比无必然联系，可显著减小消声量对扩张比的依赖，能显著减小消声单元的径向尺寸，进而显著减小消声器的径向尺寸，消声器结构性能更好，而扩张比的减小还能减小气流的气阻，改善空气动力性能；隔板1固定于壳体并对腔体进行轴向隔断，根据各级消声单元径向间隙设置位置的不同，气流在腔体内呈直线、波浪形线流动，避免了迷宫式气体通道的设置，因此气阻进一步减小，空气动力性能进一步提高。

附图说明

图1是现有抗性消声器基本结构单元的示意图；

图2是现有抗性消声器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一隔板、螺旋结构的轴向结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的消声器，包括由消声器3壳体31包围构成的腔体5、分别位于腔体5轴向两端的消声器3入口和出口32，腔体5内设置有至少一个消声单元，气流路径上任意点的上游侧均位于该点的消声器入口侧、下游侧均位于该点的消声器出口32侧；所述消声单元包括的隔板1、螺旋结构2；所述隔板1是与壳体31固定连接并轴向隔断腔体5，隔板1和壳体31之间设置有连通隔板1两侧腔体5的径向间歇11，所述隔板1边缘包括与壳体31对应并固定连接的外侧边缘、位于腔体5内并对应径向间隙11的内侧边缘；以由外至内盘绕的平面螺旋线作为断面轮廓线，所述螺旋结构2整体呈管状且其任意断面的形状与断面轮廓线相适应；所述螺旋结构2固定于隔板1对应消声器3出口32一侧的侧面上，沿腔体5轴向投影，所述螺旋结构2的投影面位于隔板1的投影面内；由螺旋结构2、隔板1、与隔板1外侧边缘对应的壳体31包围构成断面形状与断面轮廓线形状相适应的螺旋消声腔21，由螺旋结构2同与隔板1外侧边缘对应的壳体31之间的间隙构成连通螺旋消声腔21和隔板1下游侧腔体5的螺旋消声腔21开口，且螺旋消声腔21开口位于声波经隔板1下游侧相邻结构反射后的传播方向上。

隔板1下游侧相邻结构根据消声单元在消声器内的位置、消声器结构的不同而不同，可以是消声器3端板35、下游侧相邻隔板1、下游侧相邻壳体31等。

其消声原理主要是：声波向前传播，经径向间隙11进行隔板1对应消声器3出口32一侧的腔体5内后，在向前传播的同时沿径向向外扩张形成截面突变；声波被隔板1下游侧相邻结构向后反射，进而在隔板1下游侧相邻结构之间、隔板1下游侧相邻结构和螺旋结构2之间被不断反射，进而分散、吸收、干涉抵消；螺旋消声腔21开口位于声波经隔板1下游侧相邻结构反射后的传播方向上，因此部分声波经反射后由开口进入螺旋消声腔21，声波在螺旋消声腔21内的反射几率大，且由于螺旋结构2的自封闭性，声波进入螺旋消声腔21后被不断反射、干涉抵消、吸收，再次传出的几率极小，从而实现对声波的捕获，捕获量的大小与消声单元、消声器的结构形式有关。

现有扩张室式消声的消声量大小由扩张比决定、消声频率特性由扩张部分的长度决定。而本实用新型消声器3的消声单元首先通过扩张室式消声，同时通过螺旋结构2增大声波的反射几率并对声波捕获，通过声波的分散、吸收、干涉抵消实现声波的衰减，螺旋结构2的捕获机理有效保证了其消声的频谱性能，而消声量与扩张比无必然联系，可显著减小消声量对扩张比的依赖，能显著减小消声单元的径向尺寸，进而显著减小消声器3的径向尺寸，消声器3结构性能更好，而扩张比的减小还能减小气流的气阻，改善空气动力性能；隔板1固定于壳体31并对腔体5进行轴向隔断，采用气流路径上任意点的上游侧均位于该点的消声器入口侧、下游侧均位于该点的消声器出口32侧，避免了气流的迂回流动，避免了迷宫式气流路径的采用，改善了空气动力性能。

根据各级消声单元径向间隙11设置位置的不同，气流在腔体5内呈直线、波浪形线流动，避免了迷宫式气体通道的设置，因此气阻进一步减小，空气动力性能进一步提高。其中消声性能最好的，设置有至少两个消声单元，相邻隔板1对应的径向间歇11在轴向投影面内径向对称，径向间隙11和螺旋消声腔21开口沿隔板1径向对称，气流在腔体5内呈波浪形流动，保证了空气动力性能，而径向间隙11轴向两侧中下游侧为隔板1或端板35、上游侧为螺旋消声腔21的开口，能有效避免声波进行下一级消声单元，有效增大声波的反射和捕获几率。

根据消声器3使用场合的不同，隔板1和螺旋结构2可以采用不同的材料制成，比如采用金属板制成并构成抗性消声器、采用镶嵌吸声材料的金属板或直接采用吸声材料制成并构成阻抗复合消声器。当采用火山岩等多孔吸声材料时，通过螺旋结构2提高声波的反射几率，能显著提高吸声材料对声能的吸收效率；当采用金属材料时，螺旋结构2可看作一个发条式弹簧，通过螺旋结构2的弹性伸缩，能显著增强对声波的吸收，显著提高消声量。

上述螺旋结构2的形状呈管状，可以看作与由断面轮廓线沿垂直于断面轮廓线所在平面的轨迹线移动构成的立体形状相适应，其中断面轮廓线、轨迹线根据三维作图中通过移动平面图形并通过平面图形移动形成立体图形的原理进行定义，其中的断面轮廓线是与螺旋结构2断面的平面图形近似或一致的平面图形；轨迹线即形成立体形状过程中定义断面轮廓线移动路径的线。沿轨迹线的螺旋结构2各断面螺旋大小可以是一致的也可以是不一致。当各断面螺旋大小不一致时，能有效增加反射声波的分散几率，但该方式会进一步复杂化该消声单元的设计和制作。因此，最好的，沿轨迹线的螺旋结构2各断面螺旋大小一致。

上述螺旋结构2的大小、形状、设置位置均可以是根据实际的噪声频谱、声量等进行设置，如其轨迹线可以是V型、直线、弧形、折线、波浪等。最优的，所述螺旋结构2沿隔板1对应径向间隙11的内侧边缘延伸，且在轴向投影面内，所述螺旋结构2投影小于隔板1投影且两者形状相适应。螺旋结构2沿隔板1对应径向间隙11的内侧边缘延伸，因此螺旋消声腔21开口、径向间隙11分别位于螺旋结构2沿隔板1径向的两侧；螺旋结构2投影小于隔板1投影是为了保证螺旋结构2和壳体31之间的间隙，保证声波的进入；而两者形状相适应则能保证螺旋结构2在有限空间内的最大化，以保证螺旋消声腔21及其消声量的最大化。

螺旋结构2固定于隔板1的形式，可以通过螺旋结构2对应断面轮廓线最外圈端点的棱边及棱边附近的内表面、外表面焊接固定在隔板1上、采用同一金属板材通过轧制一体成型等。其中优选轧制一体成型，为了方便轧制，所述螺旋结构2通过对应断面轮廓线最外起点的棱边固定在隔板1对应径向间隙11的边缘上，此时，隔板1和螺旋结构2通过边缘部分连为一体，因此能有效保证一体轧制的实施；同时，螺旋结构2对应断面轮廓线最外圈端点的棱边距离隔板1外侧边缘最远，螺旋结构2的设置空间最大，方便螺旋结构2及螺旋消声腔21开口的设置，保证声波反射进行螺旋消声腔21的几率。

进一步的，所述螺旋结构2的断面轮廓线为相邻边夹角均为90°的折线状方螺旋线，方螺旋相比其他螺旋，设计计算、制作最方便；方螺旋的折边数量根据消声器的应用场合、消声单元级数、消声器大小、制作工艺进行设定，采用轧制一体成型时，最好的包括四至六条折边，其中四条折边是为了构成至少一个完整的圈，而超过六条则会显著增加制作工艺的复杂性。

为了增强消声器3的高频性能，控制进入腔体5的气流速度，保证消声器3的消声性能，所述消声器3入口包括接口管33、接口管33和壳体31之间的锥形筒34，所述锥形筒34的筒腔内设置有垂直于腔体5轴向的纵板4，腔体5通过纵板4与锥形筒34筒壁之间的间隙同接口管33连通，且该间隙和相邻的隔板1径向间隙11错开。通过纵板4避免由接口管33进入的气体直接冲入腔体5，和径向间隙11错开，通过高频声波的声影区提高高频的消声性能。为了保证气流速度的控制效果，最好的，设置有至少两个纵板4，各纵板4间隔设置，且由接口管33起各纵板4高度递增。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例一

如图3、图4所示，一种用于摩托车的内燃机排气消声器，包括由消声器3壳体31包围构成圆柱形腔体5、消声器3入口、消声器3出口32，沿腔体5轴向在腔体5内设置有五级消声单元，所述消声单元包括隔板1、螺旋结构2。

隔板1是不完整圆形平板，其边缘包括圆弧形的外侧边缘及圆弧两端之间弦构成的内侧边缘，隔板1垂直于腔体5轴向设置并轴向隔断腔体5，隔板1通过其圆弧形外侧边缘与壳体31固定连接、通过弦构成的内侧边缘和壳体31之间的径向间隙11构成气道，相邻隔板1对应的径向间歇11在轴向投影面内径向对称，气流路径呈波浪形。

以由外至内盘绕的平面方螺旋线作为断面轮廓线，断面轮廓线包括五条边且相邻边夹角均为90°，螺旋结构2整体呈管状并与由断面轮廓线沿垂直于断面轮廓线所在平面的直线状轨迹线移动构成的立体形状相适应。具体的说，螺旋结构2沿隔板1对应径向间隙11的内侧边缘延伸，也即轨迹线是与隔板1内侧边缘平行的直线。

螺旋结构2和隔板1通过同一不锈钢板材轧制而成，即螺旋结构2通过对应断面轮廓线最外起点的棱边固定在隔板1对应径向间隙11的内侧边缘上。沿腔体5轴向投影，螺旋结构2的投影面位于隔板1的投影面内，螺旋结构2投影小于隔板1投影且两者形状相适应，沿轨迹线的螺旋结构2各断面螺旋大小一致，为了避免螺旋结构2和壳体31的干涉，截去了部分轨迹线两端对应的螺旋结构2，也即截去了螺旋结构2远离径向间隙11且与壳体31相邻的两角。

螺旋结构2位于隔板1对应消声器3出口32一侧的侧面上，螺旋结构2对应断面轮廓线最外圈第一条折边的外侧壁22与径向间隙11相邻、对应断面轮廓线最内圈最后一条折边的内侧壁23位于外侧壁22远离径向间隙11的一侧。由螺旋结构2、隔板1、与隔板1外侧边缘对应的壳体31包围构成断面形状与断面轮廓线形状相适应的螺旋消声腔21，由螺旋结构2同与隔板1外侧边缘对应的壳体31之间的间隙构成螺旋消声腔21的开口，螺旋消声腔21开口和径向间隙11沿隔板1径向对称，螺旋消声腔21经开口与隔板1轴向两侧中出口32一侧的腔体5相连通，开口位于声波经隔板1下游侧相邻隔板1、壳体31、消声器端板35反射后的传播方向上。

为了进一步提高空气动力性能，同时保证消声器3良好的频谱特性，沿气流方向各消声单元对应的径向间隙孔径递减。

所述消声器3入口包括接口管33、接口管33和壳体31之间的锥形筒34，所述锥形筒34的筒腔内设置有垂直于腔体5轴向并间隔设置的五个纵板4，由接口管33起各纵板4高度递增，腔体5通过各纵板4与锥形筒34筒壁之间的间隙同接口管33连通，且该间隙和相邻的隔板1径向间隙在轴向投影内径向对称。

依据空气、声波传播方式的不同，在保证消声性能的同时，提高了空气动力性能、结构性能。根据工程实验，在保证消声性能的接近的前提下，由于空气动力性能的提高，油耗能降低15％左右；对比图2，由于无需采用迷宫式气体路径，且抗性消声单元对扩张比要求小，因此整体结构小，结构性能显著提高。

Claims (7)

1.消声器，包括由消声器(3)壳体(31)包围构成的腔体(5)、分别位于腔体(5)轴向两端的消声器(3)入口和出口(32)，腔体(5)内设置有至少一个消声单元，其特征在于：

气流路径上任意点的上游侧均位于该点的消声器入口侧、下游侧均位于该点的消声器出口(32)侧；

所述消声单元包括的隔板(1)、螺旋结构(2)；

所述隔板(1)是与壳体(31)固定连接并轴向隔断腔体(5)，隔板(1)和壳体(31)之间设置有连通隔板(1)两侧腔体(5)的径向间歇(11)，所述隔板(1)边缘包括与壳体(31)对应并固定连接的外侧边缘、位于腔体(5)内并对应径向间隙(11)的内侧边缘；

以由外至内盘绕的平面螺旋线作为断面轮廓线，所述螺旋结构(2)整体呈管状且其任意断面的形状与断面轮廓线相适应；

所述螺旋结构(2)固定于隔板(1)对应消声器(3)出口(32)一侧的侧面上，沿腔体(5)轴向投影，所述螺旋结构(2)的投影面位于隔板(1)的投影面内；由螺旋结构(2)、隔板(1)、与隔板(1)外侧边缘对应的壳体(31)包围构成断面形状与断面轮廓线形状相适应的螺旋消声腔(21)，由螺旋结构(2)同与隔板(1)外侧边缘对应的壳体(31)之间的间隙构成连通螺旋消声腔(21)和隔板(1)下游侧腔体(5)的螺旋消声腔(21)开口，且螺旋消声腔(21)开口位于声波经隔板(1)下游侧相邻结构反射后的传播方向上。

2.如权利要求1所述的消声器，其特征在于：设置有至少两个消声单元，相邻隔板(1)对应的径向间歇(11)在沿腔体(5)轴向的投影面内径向对称；径向间隙(11)和螺旋消声腔(21)开口沿隔板(1)径向对称。

3.如权利要求1所述的消声器，其特征在于：所述螺旋结构(2)沿隔板(1)对应径向间隙(11)的内侧边缘延伸，且在轴向投影面内，所述螺旋结构(2)投影小于隔板(1)投影且两者形状相适应。

4.如权利要求3所述的消声器，其特征在于：所述螺旋结构(2)通过对应断面轮廓线最外起点的棱边固定在隔板(1)对应径向间隙(11)的内侧边缘上。

5.如权利要求1、2、3或4所述的消声器，其特征在于：所述螺旋结构(2)的断面轮廓线为相邻边夹角均为90°的折线状方螺旋线。

6.如权利要求1、2、3或4所述的消声器，其特征在于：所述消声器(3)入口包括接口管(33)、接口管(33)和壳体(31)之间的锥形筒(34)，所述锥形筒(34)的筒腔内设置有垂直于腔体(5)轴向的纵板(4)，腔体(5)通过纵板(4)与锥形筒(34)筒壁之间的间隙同接口管(33)连通，且该间隙和相邻的隔板(1)径向间隙(11)错开。

7.如权利要求6所述的消声器，其特征在于：设置有至少两个纵板(4)，各纵板(4)间隔设置，且由接口管(33)起各纵板(4)高度递增。

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