CN107246527A - 一种能够回收噪声能量的管道消声装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供了一种能够回收噪声能量的管道消声装置，包括消声壳体和能量采集模块。消声壳体包括进出口法兰接头、连接管及膨胀声腔，能量采集模块包括PVDF压电薄膜、压板、短螺栓、引线接口、预紧装置、整流电路板及储能电容器。对于管道上游入射声波，一方面利用消声壳体与PVDF压电薄膜之间的耦合，达到反射噪声的目的，另一方面利用PVDF薄膜的压电效应，在振动时产生一定电荷量，并通过引线接口输出到整流电路板以及储能电容器，从而实现能量回收的功能。本发明具有结构简单，可靠性高，适用性强等优点。尤其在管道低频噪声控制方面有着显著特点，弥补了传统被动***在低频方面控制效果不佳的情况。
Description
技术领域
本发明属于低频管道噪声控制技术领域，涉及一种具有能量回收功能的管道消声装置。
背景技术
管道作为输送物质的通道和信息传输的介质，被广泛应用于空调通风、车船发动机进排气、燃气轮机等各个工程场合，管道噪声成为相关***噪声控制的重要方面，比如在汽车工业技术领域，管道噪声逐渐引起技术人员重视。随着我国汽车工业的蓬勃发展,汽车在给人们的出行带来很大方便的同时,其产生的强噪音却给司乘人员带来新的困扰。研究表明：汽车噪声不仅影响司乘人员的乘坐舒适性，而且容易引起驾驶员和乘客精神紧张、心情烦躁、疲劳和注意力不集中等心理反应，对人体健康造成危害的同时也为汽车的安全行驶埋下隐患。大量研究表明，乘用车内的噪声主要成分集中在200Hz以下的低频段，其严重影响汽车的乘坐舒适性，而低频噪声的主要来源是内燃机的排气噪声，排气噪声中基频噪声则最为突出，基频噪声是内燃机排气门开启时，缸内高压气体急剧喷出，冲击气门附近的排气管道使这一部分的空气压力产生巨变形成的压力波而激发出的噪声，因而，基频噪声的频率等于每秒的排气次数，因此，选择合适的消声装置对于控制车内的噪声具有重要的意义。尤其对于使用柴油机的货车和大型客车，其行驶过程中产生的轰鸣声，不仅对司乘人员造成不利影响，也会对周围的环境产生严重的噪声污染。选择合适的消声装置，不仅能降低汽车的噪声水平，而且能够提高汽车的动力性和燃油经济性，因而在节约能源的同时，也一定程度上减少了对环境的污染。
***是允许气流通过，却又能阻止或减小声音传播的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。目前，常用的消声技术有三种：被动消声、半主动消声和主动消声。被动消声技术在国内外研究均已比较成熟，主要有阻性消声、抗性消声和阻抗复合型消声三种方式，其成本低廉，应用十分广泛。阻性***对于中高频噪声具有良好的消声效果，但对于低频噪声的消声效果则较差；抗性***为了消除低频噪声，造成其尺寸偏大而不利于安装，而且，一定速度的气流遇到管道突然扩张或收缩时，气流会因脱体而产生涡流，使气流能量受到损失，并导致压力的下降。阻抗复合型***，既能消除中高频噪声，也能较好的控制低频噪声，因此具有较好的消声效果，但是其亦难以避免抗性***存在的天然不足。主动消声技术现在越来越受到人们的重视，其原理是：通过引入一个次级声源，产生与噪声相位相反的声波而使其相互抵消。大量试验和实践均表明主动消声技术具有良好的降噪效果，但是，当管道内的气流具有高温、强腐蚀性时，则对其暴露在气流恶劣环境下的元件如误差传声器和次级声源造成巨大挑战。而且，为了产生大功率低频次级声，次级声源的尺寸不可避免的偏大，对其自身的安装和应用亦造成一定不利影响。鉴于其***复杂，成本高昂，主动消声技术目前主要停留在实验室阶段，距离其大规模的应用还有较远的路程。半主动消声技术介于被动消声技术和主动消声技术之间，主要基于阻抗控制机理而设计的，通过改变***的结构，使声波之间发生相消性干涉，从而达到消声的目的。半主动消声技术不再引入次级声源，成本相对较低，通过对结构和控制***进一步的优化升级，能够取得良好的降噪效果，其将具有很高的实用价值。
现有的《充液管道低频鼓式主被动复合消声***》(专利号：CNIO6090521A)采用主动控制方法改变薄膜结构的振动形态，进而提高结构波反射能力。这种控制方法毕竟需要在原有***中增加次级力源、控制器和误差传感器等电子器件，进而使***变得昂贵，并且存在稳定性和需要定期专业人员进行维护等潜在问题。
作为重要的无源管道噪声控制技术，传统的阻性/抗性消声装置存在诸多不足，如消声频带较窄、低频消声效果较差、尺寸较大、结构复杂以及存在通流损失等。现有的《双谐振自调频***》(专利号：CN 103382874 A)，通过改变内插管穿孔面积以改变消声频段，这种***可实现在一定范围内的消声频率调节，但对低频噪声(<200Hz)效果并不明显，且存在较大的通流阻力。
另外，在噪声能量回收方面现有研究工作十分少见，现有的《能够回收噪声能量的汽车吸隔声装置》(专利号：CN IO5406573 A)是通过亥姆霍兹共振器放大外场噪声，进而通过压电薄膜对声能量进行采集。《基于能量收集的噪声抑制装置》(专利号：CN 204559435U)采用穿孔板以及配合摩擦发电机对外场环境噪声抑制及收集，而对于管道噪声能量回收方面国内外研究几乎没有。
本发明将一段刚性管道壁面替换为PVDF压电薄膜形成一种膜式结构***，一方面利用管道壁面阻抗的不连续性来达到反射声波的目的，能实现较宽低频范围内管道下游的消声作用，另一方面利用PVDF薄膜的压电效应进行管道噪声能量回收。相比于传统的被动***技术，这种新型***具有更好的低频宽带消声特性和良好的通流特性，且结构简单，容易实现，并能够回收管道上游入射声波。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术在低频管道噪声控制方面的局限性同时实现噪声能量的回收问题，提供了一种能够回收噪声能量的管道消声装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本消声装置利用管道壁面阻抗变化来达到反射噪声的目的，包括消声壳体和能量采集模块。技术方案中所述的消声壳体由进出口法兰接头、连接管及膨胀声腔组成，即传统的膨胀腔***结构。能量采集模块主要由PVDF压电薄膜、引线接口、预紧装置、整流电路板及超级电容器组成。
技术方案中所述的消声壳体中，进出口法兰接头与连接管粘结而成，上下两个膨胀声腔与连接管分别由6组M5的螺栓紧固，并通过密封条密封，以减少噪声泄露，以及膨胀声腔下表面所开的通孔应在安置导线好后通过泡沫进行密封。
技术方案中所述的连接管为等厚度、矩形管状结构件，上下表面部分结构已被切割掉，成镂空状，用以配合膨胀声腔以及PVDF压电薄膜的安装，两侧内表面铣有条形卡槽，用以镶嵌预紧装置滑块以及橡胶块。
技术方案中所述的能量采集模块由PVDF压电薄膜、引线接口、压板、短螺栓、预紧装置、整流电路板及超级电容器组成。其中，PVDF压电薄膜一端通过短螺栓、压板紧固于连接管左侧切割截面处，另一端通过预紧螺栓、压板、滑块以及橡胶块紧固于连接管右侧。压电薄膜左端部内外两侧面制成引线接口，并连接导线，通过膨胀声腔底部的通孔，分别接入整流电路板的两输入端,整流电路板的两输出端与超级电容器连接。
技术方案中所述的引线接口包括空心铆钉、聚酯薄膜片、压接端子、绝缘边界以及引线。PVDF压电薄膜与压接端子通过空心铆钉进行穿透连接，薄膜另一侧通过聚酯薄膜片进行加固绝缘，引线与压接端子焊接而成导出，这样一方面保证引线与屏蔽线连接方便，另一方面可以保证电荷信号的传输受到尽量少的干扰。
技术方案中所述的预紧装置包括压板、预紧螺栓、滑块以及橡胶块。其中，预紧螺栓贯穿压板、PVDF压电薄膜、滑块以及橡胶块，滑块与橡胶块镶嵌在连接管内壁卡槽中(过盈配合)，旋转螺栓时，压缩橡胶块，可实现预紧PVDF压电薄膜的功能。
本发明达到有益效果如下：
本发明所述的能够回收噪声能量的管道消声装置，能够在低频较宽频带范围内对管道下游噪声进行衰减，同时可以将大部分噪声能量转化为电能并储存起来。PVDF压电薄膜的应用既能够用来在管道中反射上游声波，又可以产生电荷量，同时还可以减少管道通流损失。另外PVDF压电薄膜具有良好的机械强度和韧性，对湿度、温度和化学物质表现出很高的压电稳定性，因此本发明的消声装置的寿命以及可靠性都有保障。
相比于传统的膨胀腔***，本发明能够在较小尺寸下，取得较好低频降噪效果，且加工工艺简单，经济成本小，可靠性高，易于安装布置。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的膨胀声腔剖面图及俯视图；
图3为本发明所述的能量采集模块中桥式整流电路的结构原理图；
图4为本发明PVDF压电薄膜引线接口示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做更详细的说明：
如图1所示，本发明为一种能够回收管道噪声能量的消声装置，包括消声壳体以及能量采集模块。消声壳体包括粘结在连接管2两端的进出口外接管法兰1，以及通过螺栓连接的上下膨胀声腔3，其构造见图2。能量采集模块由PVDF压电薄膜4、引线接口8、压板9、短螺栓10、预紧装置(11-13)、整流电路板6及储能电容器7组成。PVDF薄膜4左端由压板9紧固于连接管左侧切割面，右端经预紧螺栓11，通过滑块12以及橡胶块13对薄膜进行预紧。PVDF压电薄膜4左端部制成引线接口8，并引出两根导线5通过整流电路板6以及储能电容器7对输出电荷进行整流存储。为了获得较大的噪声反射量，PVDF压电薄膜两侧面在本发明中并未约束，处于自由释放状态，为保证管道的密封性，对应连接管两侧面切割出0.2mm宽的凹槽，薄膜绝缘边界可镶嵌其中且可保持相对自由状态。为保证两根导线5与PVDF压电薄膜4输出端上下表面之间牢固连接，制作专门的引线接口8，使用空心铆钉8-6和压接端子以进行穿透连接，并通过聚酯薄膜片8-5进行加固绝缘，并在PVDF压电薄膜的同一表面同一方向引出如图4所示。
本发明对PVDF压电薄膜的边缘绝缘处理尤为重要，这里可使用丙酮和酒精作为腐蚀剂，对裁剪下的PVDF压电薄膜的边缘进行非金属化处理，以避免边缘厚度方向上发生短路，为了防止引线以及导电银胶流动触及上下电极引发短路现象，在边缘非金属化处理后，在压电薄膜四周粘贴绝缘胶带。整流电路板6的电路是由四个整流二极管组成的桥式整流电路,可将压电薄膜产生的交流电转化为直流电,为储能元件供电如图3所示。
本发明中对于传播到管道下游的声波声压PD可表示为
PD＝PI-PR-PQ
***的传递损失可表示为
其中，PI为上游入射声波，PR为反射声波声压，PQ是PVDF压电薄膜转化为电能量的部分入射声压。对于这种管道薄膜***，反射声波声压可表示为
上式中ψm(y)表示管道宽度方向上模态函数，ρ0，h，cm分别表示空气密度，管道高度以及模态声速，H表示阶跃函数算子，v是薄膜表面振速分布。v对于PR的大小有着决定性作用，因此可根据管道薄膜***最优消声量选取合适PVDF压电薄膜的密度，杨氏模量以及预紧力以达到最优的反射效果。对于PQ，本发明利用第一类压电方程的正压电效应，PVDF压电薄膜的电荷输出是其所有方向上的应变在极化方向上作用响应
Q＝∑dijEεjS
其中，E—PVDF压电薄膜弹性模量(N/m2)；
εj—应变(j＝1，2，3)；
S—PVDF压电薄膜的有效电极覆盖面积(m2)；
dij—压电常数(C/N)。
可以看出PVDF压电薄膜电荷输出量与其有效电极覆盖面积以及应变成正比，因此适当的选取具有较大杨氏模量的PVDF压电薄膜或增加薄膜有效电极面积对能量回收有明显的增益。
Claims (7)
1.一种能够回收噪声能量的管道消声装置，由消声壳体和能量采集模块组成，其特征在于：消声壳体由进出口法兰接头、连接管及膨胀声腔组成；能量采集模块包括PVDF压电薄膜、压板、短螺栓、引线接口、预紧装置、整流电路板及储能电容器；引线接口包括空心铆钉、聚酯薄膜片、压接端子、绝缘边界以及引线；预紧装置包括压板、预紧螺栓、滑块以及橡胶块。
2.根据权利要求1所述的一种能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的消声壳体具体包括：
进出口法兰接头与连接管粘结而成；上下两个膨胀声腔与连接管分别由6组M5的螺栓紧固，并通过密封条密封；膨胀声腔下表面所开通孔在安置导线完成后通过泡沫进行密封。
3.根据权利要求1所述的一种能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的连接管具体包括：
连接管上下表面部分结构被切割掉，成镂空状；连接管两侧内表面铣有条形卡槽，薄膜绝缘边界镶嵌于卡槽中并保持相对自由状态；预紧装置滑块以及橡胶块镶嵌在条形卡槽中。
4.根据权利要求1所述的一种能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的能量采集模块具体包括：
PVDF压电薄膜左端部内外两侧面制成引线接口并连接导线，导线穿过膨胀声腔底部的通孔，分别接入整流电路板的两输入端；整流电路板的两输出端与超级电容器连接。
5.根据权利要求1所述的一种能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的PVDF压电薄膜具体包括：
使用丙酮和酒精对裁剪下的PVDF压电薄膜的边缘进行非金属化处理；PVDF压电薄膜一端通过短螺栓、压板紧固于连接管左侧切割截面处，另一端通过预紧装置紧固于连接管右侧；PVDF压电薄膜左端部内外两侧面制成引线接口。
6.根据权利要求1所述的一种能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的预紧装置具体包括：
预紧装置中的预紧螺栓贯穿压板、PVDF压电薄膜、滑块以及橡胶块采用过盈配合的方式镶嵌在连接管内壁卡槽中；通过旋转螺栓、压缩橡胶块预紧PVDF压电薄膜。
7.根据权利要求1所述的能够回收噪声能量的管道消声装置，其特征在于，所述的引线接口具体包括：
PVDF薄膜一侧通过空心铆钉与压接端子进行穿透连接，另一侧通过连接聚酯薄膜片进行加固绝缘；引线通过与压接端子焊接引出，并在在PVDF压电薄膜的同一表面同一方向引出。
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