SE509855C2 - Resonator - Google Patents

Description

509 sas 2 10 15 20 25 30 35 därvid genom interferens dämpa denna frekvens hos ljudet i huvudrö- ret.

Flertalet kända ljuddämpare kombinerar dock flera olika dämpningsmetoder för att åstadkomma dämpare vilka dämpar ljud inom ett så brett frekvensband som möjligt.

Ett exempel på en ljuddämpare som bygger på att införa strömningsmotstånd ges i skriften SE 441 205. Ljuddämparen som beskrivs i denna skrift utnyttjar riktningsändringar och olika över- gångstvärsnitt för strömningsflödet för att därigenom dämpa ljudet. l denna ljuddämpare använder man också vakar som vid sidan av hu- vudflödet liggande resonansvolymer. En nackdel med denna typ av dämpare är dock att det sker ett stort tryckfall över dämparen vilket leder till en onödigt hög energiförbrukning.

Exemplen på ljuddämpare som använder sig av interferens är många. I skrifterna GB 2 222 852 och DK 142 467 ges exempel på interferensdämpare som delar upp strömningsflödet i flera delar vilka vid återförenandet har färdats olika lång väg och därigenom ger dämpning av de ljudvågor som på grund av vägdifferensen befinner sig i motfas. I den sistnämnda skriften är det dock endast det akus- tiska flödet som delas upp, medan strömningsflödet förblir i princip odelat. Detta sker genom att ljuddämparen försetts med membran vilka kan överföra ljudvågor men väsentligen är ogenomsläppliga för det strömmande mediet. En nackdel med dessa dämpare är dock att dämpningsförrnågan är relativt dålig.

Dämpare med expansionsvolymer ges det exempel på i bl a DE 716 329, SU 1423 755, FR 2 261414 och DE 3 711 029. Dessa dämpare bygger dels på interferens genom att det bildas stående vå- gor i expansionsvolymerna, dels på att ljudvågorna reflekteras vid de plötsliga tvärsnittsförändringarna i strömningsrören. Flera av dessa beskrivna dämpare kombineras dessutom med andra dämpningsme- toder såsom absorbtion eller hastighetsspärrar. En nackdel med dessa dämpare är dock att expansionsvolymerna tar mycket utrymme i anspråk vilket gör dessa dämpare relativt stora och klumpiga.

En resonator ger en mycket god dämpning runt resonans- frekvensen. Exempel på resonansdämpare, resonatorer, ges i skrif- terna DE 760 362 och US 4 892 168. Resonatordämparen i DE 760 362 består av en stor runt om ett strömningsrör liggande volym vilken 10 15 20 25 30 35 3 509 ess står i förbindelse med detta strömningsrör via en eller flera öppningar.

En nackdel med denna resonator är dock att den liksom expansions- dämpama ovan, har en stor volym vilket ger ett dåligt utrymmesut- nyttjande. Strömningen förbi öppningarna in till resonansvolymen gör också att det, särskilt då strömningshastigheten hos det strömmande mediet är hög, lätt uppstår oönskade randeffekter och störningsfeno- men, vilka leder till att resonatom dämpar ljud mindre effektivt.

Denna sistnämnda nackdel har delvis överkommits i den i US 4 892 168 beskrivna resonatorn. I den här beskrivna ljuddämparen finns det separata in- och utledande öppningar till resonansvolymen, vari- genom ett mindre flöde kommer att ske genom denna volym. Därige- nom kommer ljuddämpningen för det förbi resonansvolymen ström- mande huvudsakliga flödet att störas mindre av störande effekter runt öppningarna. Nackdelen med att resonansvolymen tar mycket plats samtidigt som den inte på något effektivt sätt kan utnyttjas för annan dämpning kvarstår dock även för denna resonator.

Uppfinningens syjte Föreliggande uppfinning har till syfte att tillhandahålla en ljud- dämpare av resonatortyp som effektivt dämpar i synnerhet lägfre- kventa ljud.

Det är vidare ett syfte med föreliggande uppfinning att utforma resonansvolymen på sådant sätt att den samtidigt kan utnyttjas som expansionskammare och/ eller absorptionskammare.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att utforma ingången till resonansvolymen på ett sådant sätt att störningsfenomen, speciellt vid höga strömningshastigheter hos gasmediet, undvikes.

Uppfinningen har också till syfte att vara flexibel så att den enkelt kan avpassas för dämpning av olika förbestämda frekvenser, samt att den medför ett lågt tryckfall över ljuddämparen och därmed minskar energiförbrukningen.

Sammanfattning av uppfinningen Resonator med en resonansvolym för passiv ljuddämpning av lågfrekvent ljud i ett flöde, varvid flödet på åtminstone ett ställe är kortslutet varvid flödet delas upp i ett primärflöde och ett sekundär- flöde, där sekundärflödet leds genom kortslutningen och det av kort- 509 lO 15 20 25 30 35 855 slutningen avgränsade prímärflödet utgör resonansvolymen, k ä n - n e t e c k n a d av, att primärflödet sker genom ett strömningsrör samt att kortslutningen består av ett kortslutningsrör, vilket är kort i förhållande till våglängden hos det ljud som skall dämpas ut och vars diameter är mindre än diametern hos strömníngsröret.

Kort beskrivning av ritningarna F ig 1 är en vy över en resonator enligt föreliggande uppfinning i genomskärning koaxiellt med kammarvolymens axel.

Fig 2 är en vy över en resonator enligt föreliggande uppfinning i genomskärning vinkelrätt mot kammarvolymens axel.

Fig 3 är ett mätdiagram visande dämpningen för en resonator enligt föreliggande uppfinning.

Beskrivning av föredragna utföríngsforrner Ett föredraget utföringsexempel kommer nu att gås igenom mer i detalj med hänvisning till de bifogade ritningarna. Resonatorn be- står, vilket visas i fig 1, av en sluten cylindrisk kammarvolym 3, om- fattande en mantelyta 3a och två cirkulära och lätt utåtbuktande ändplattor Bb, 3c. In i kammarvolymen leder ett strömningsrör 1 i närheten av den ena ändplattan Sc, och väsentligen vinkelrätt mot mantelytan. På insidan av kammarvolymen har strömningsröret l en 90 graders rörkrök 10. Efter rörkröken 10 sitter en rak strömnings- hals 4, vilken leder ner i riktning mot den andra ändplattan 3b.

Strömningshalsen 4 mynnar i kammarvolymen. Strax intill denna mynning befinner sig mynningen på en andra strömningshals 5, vil- ken strömningshals är parallellt anordnad med den första ström- ningshalsen 4. Den andra strömningshalsen 5 är ansluten till en 180 graders rörkrök 11. Denna rörkrök är i sin tur sammankopplad med ett rör 2 vilket leder ut ur kammarvolymen 3. Mellan de båda rörkrö- karna 10, 1 1 leder ett kortslutningsrör 6. Kortslutningsröret 6 leder en del av strömningen en kortare väg genom resonatorn. l de mot ändplattorna vettande delarna av kammarvolymen finns absorb- tionsmaterial 7, 8 för dämpning av ljud med höga frekvenser. Detta material kan med fördel omsluta rörkrökarna 10, 11 och kortslut- ningsröret 6. Härigenom kan, genom att rörkrökarna 10, 1 1 och kortslutningsröret 6 är perforerade med små hål, absorption ske av 10 15 20 25 30 35 5 509 855 ljud med högre frekvenser även i dessa rördelar. För att inte få ett ytterligare kortslutningsflöde genom dessa perforeringar införs dock lämpligen en tvärvägg 13 mellan rörkrökarna 10 och 11, samt en mellanvägg 14 vinkelrätt mot cylinderaxeln nedanför de perforerade delarna av rören. Härigenom åstadkommes separata volymer 15, 16 vilket förhindrar läckströmmar på grund av perforeringen. På detta sätt styrs strömningen på ett kontrollerat sätt och de akustiska egen- skaperna år lättare att styra.

Kortslutningsröret bör företrädesvis vara kort relativt vågläng- den hos det ljud som skall dämpas. Kort avser dock här den akus- tiska längden, vilken inte sammanfaller med den faktiska längden, emedan de med hål perforerade delarna av röret kan försummas vid mätning av den akustiska längden. Den akustiska längden hos kort- slutningsröret 6 sammanfaller därmed väsentligen med den icke per- forerade delen 6a av detsamma. Kortslutningsröret bör också företrä- desvis ha en avsevärt mindre diameter än vad de andra fördelarna har, då det är efterstråvansvärt att en större del av flödet går förbi kortslutningsröret än genom detsamma. I utföringsexemplet har kortslutningsröret en diameter på ca 20 - 40 mm medan de övriga rören har en diameter på ca 100 - 150 mm. De övriga rören har med andra ord en diameter som är ca 4 gånger så stor som diametern hos kortslutningsröret. Dessa värden på dimensionerna hos de olika rören kan dock ändras för att optimera resonatorn för olika frekvenser och flöden. I utföringsexemplet är vidare strömningshalsarna ca 250 mm långa medan kammarvolymen är ca dubbelt så lång och med en dia- meter på ca 400 mm. Även dessa värden är dock varierbara för opti- mering av resonatorn.

Vid användande av resonatorn strömmar ett flöde in i resona- torn genom inströmningsröret 1. Vid den första rörkröken 10 avdelas en del av flödet, ett sekundärflöde, som går genom kortslutningsröret 6 direkt till den andra rörkröken 11. Den kvarvarande delen av flödet, primärflödet, leds dock vidare in i kammarvolymen via strömnings- halsen 4. Vid strömningshalsens 4 mynning strömmar primärflödet in i kammarvolymen 12 varvid kammarvolymen 12 fungerar som en expansionskammare och därigenom dämpar en del av ljudvågorna i flödet. Absorptíonsmaterialet som finns på åtminstone någon av kammarens väggar hjälper ytterligare till att dämpa ljudet, och i detta 509 855 10 15 20 25 30 fall huvudsakligen ljud med högre frekvens. Ut ur kammarvolymen leder sedan den andra strömningshalsen 5. Vid den därpå följande rörkröken 11 sammanstrålar primärilödet med det via kortslutnings- röret inkommande sekundärflödet. Då vägen för sekundärflödet ge- nom kortslutningsröret är rakare och kortare än den väg som primär- flödet strömmar, är sekundärflödet akustiskt sett huvudflödet medan primärflödet är huvudflödet strömningsmässigt. På grund av att se- kundärflödet är det akustiska huvudflödet kan man betrakta primär- flödet som en resonansvolym av Helmholzkaraktär. Helmholzresona- torn bygger på en vid sidan av det akustiska huvudflödet placerad resonansvolym, vilken kan betraktas som ett fjäder-massa-system och som vid vissa resonansfrekvenser fås att svänga och därigenom däm- par ljudvågorna i huvudflödet.

För en ideal Helmholzresonator gäller att reduktionstalet, dvs n; i (f/fo -fo /fY l där transmissionsfaktorn r är: cA = 47gr0A0le dämpningen, R kan skrivas: R=l0l0 l+ 2' och fuc.. A ”zff V16 där beteckningarna i ekvationema står för: c = ljudhastigheten A = grenröret till resonansvolymens area Ao= huvudrörets area 10 = grenröret till resonansvolymens längd lo plus en ändkorrek- tion IC V = kammarens volym f = frekvensen fo = resonansfrekvensen lc kan försummas då strömningshastigheten är hög.

Man ser därmed att för en Helmholzresonator gäller att reduktionen är störst för frekvenser omkring resonansfrekvensen medan dämp- ningen för frekvenser längre bort från denna frekvens snabbt avtar.

Detta beteende uppvisar också resonatorn enligt den föreliggande lO 15 20 25 30 35 7 509 855 uppfinningen, vilket kan ses i fig 3. I fig 3 visas dämpningen som funktion av frekvensen, och man kan se ett tydligt maximivärde för dämpningen vid en frekvens som svarar mot resonatorns resonans- frekvens.

Resonatorn i utföringsexemplet är företrädesvis gjord i något tåligt, styvt och hållbart men samtidigt billigt material, som exempel- vis plåt.

Den ovan beskrivna utföringsformen av den föreliggande upp- finningen har fördelarna att den effektivt kan dämpa ljud även då det strömmande mediet har en hög strömningshastighet. Detta sker ge- nom att en stor del av flödet leds genom resonansvolymen varvid dels störningseffekter vid öppningarna till resonansvolymen undvikes, dels resonansvolymen samtidgt kan användas för andra dämpningstekni- ker, såsom till expansionskammare, till att inrymma absorberande material eller dylikt, för att därigenom förbättra dämpningen över ett stort frekvensområde. Detta sker genom att strömningsröret är kort- slutet varvid den mellanliggande delen av strömningsröret utgör reso- nansvolymen hos resonatorn. Vidare kan resonatorn enligt förelig- gande uppfinning genom förändring av dimensionerna hos ström- ningsrören, kortslutningsrören, kammarvolymen osv enkelt anpassas för att ge effektiv dämpning vid olika ljudfrekvenser. Resonatorn enligt föreliggande uppfinning medför också ett mycket lågt tryckfall, vilket leder till en lägre energiförbrukning.

Flera varianter av den ovan beskrivna utföringsformen av före- liggande uppfinning är möjliga. Resonansvolymen som utgörs av en del av strömningsröret behöver inte utnyttjas för andra typer av dämpning. Om så ändock sker behöver dessa andra typer av dämp- ning inte heller omfatta absorption och expansion, utan andra typer av dämpningstekniker kan användas för att dämpa ljudet i det strörnninngsflöde som sker genom resonansvolymen. Ej heller behö- ver, i fallet med en resonansvolym, strömningshalsarna mynna när- liggande varandra, utan mynningarna kan vara placerade var som helst i resonansvolymen och på valfritt avstånd ifrån varandra. Vidare kan, såsom redan omtalats, dimensionerna på de i resonatorn enligt föreliggande uppfinning ingående komponenterna givetvis förändras för att optimera resonatorn för olika tillämpningsområden och för dämpning av ljud med olika frekvenser. Dessa och andra närliggande 509 855 varianter av den föreliggande uppfinningen måste anses ligga klart inom ramen för uppflnningen, såsom den anges av de bifogade pa- tentkraven.

Claims (9)

lO 15 20 25 30 35 9 i soaåsss PATENTKRAV

1. Resonator med en resonansvolym för passiv ljuddämpning av lågfrekvent ljud i ett flöde, varvid flödet på åtminstone ett ställe är kortslutet varvid flödet delas upp i ett primärílöde och ett sekundär- flöde, där sekundärflödet leds genom kortslutningen och det av kort- slutningen avgränsade primärflödet utgör resonansvolymen, k ä n - n e t e c k n a d av, att primärflödet sker genom ett strömníngsrör (4, 5) samt att kortslutningen består av ett kortslutningsrör (6), vilket är kort i förhållande till våglängden hos det ljud som skall dämpas ut och vars diameter är mindre än diametern hos strömningsröret.

2. Resonator enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av , att primärflödet är större än sekundärflödet.

3. Resonator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av , att strömningsröret (4, 5) inom det kortslutna avsnittet av detsamma leder in till respektive ut ifrån en sluten kammarvolym (12), vilken volym fungerar som en expansionskammare.

4. Resonator enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av , att kammarvolymen (12) på åtminstone någon av sina väggar är klädd med absorbtíonsmaterial (7) för dämpning av ljud med högre frekvens.

5. Resonator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den är tillverkad i plåt.

6. Resonator enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av , att strömningsröret (4, 5) har en åtminstone 3 gånger större diameter än kortslutningsröret (6).

7. Resonator enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av, att den främst är avsedd för dämpning i förbrän- ningsmotorsystem.

8. Resonator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att kortslutningsröret (6) är krökt och perforerat med hål för att göra den akustiska längden kortare.

9. Resonator enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d av , att kortslutningsröret åtminstone runt den del av detta som är perforerat med hål, omges av absorbtíonsmaterial (7) för därnpning av ljud med högre frekvens.