CN111503410A - 一种赫姆霍兹型*** - Google Patents

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Abstract

本公开揭示了一种赫姆霍兹型***，包括：多个以阵列方式排列的共振腔室以及设置于每个共振腔室内的内插颈部，其中，每个共振腔室处于同一水平位置，且每个共振腔室之间设置有隔断；每个共振腔室的高度递增或递减排列；每个内插颈部的长度随所述共振腔室的高度递增或递减排列；每个内插颈部设有进气口和排气口，所述进气口与所述共振腔室的底端水平设置，所述排气口与所述共振腔室的顶端保持合适距离。本公开通过设置不同高度的共振腔室和不同长度的内插颈部，利用共振腔室自身的共振吸声作用，能够实现中低频范围内的一定宽度频带的声衰减目标。

Description

一种赫姆霍兹型***
技术领域
本公开属于机械噪声与环境噪声控制领域，具体涉及一种赫姆霍兹型***。
背景技术
在日常生产生活中，充斥着各式各样的机械设备噪声和交通噪声等，噪声严重影响着人们的活动，噪声不仅会使听力受损，甚至会引起人体各***的疾病；所以，噪声也被称为“致人死命的慢性毒药”。尤其是中低频噪声，由于其频率低、波长较长的特点，在空气中衰减慢且穿透能力强，对其的控制更是一项艰巨的挑战，一般采用加厚隔声屏障使其厚度大于波长的做法以达到隔声的目的。然而，对于管道来说，其内部有气体或者液体流动，不能采用上述方式，同时，管道周围有许多障碍物，对***的尺寸有一定的限制。对于列车送风管道来说，由于其位于列车顶部，空间非常狭窄，噪声在较宽频带内能量较大，现有的一些***受到该管道体积的限制，存在体积较大、隔声峰单一和频带较窄等缺点。
考虑到具体的工程应用背景，比如列车或者重型卡车的空调通风管道，轮轨噪声和空调压缩机产生的结构噪声通过送风管道其传递到舱室内，影响乘客乘车舒适性。由于通风管道的实际情况，适用于该种通风管道的***需满足三个要求：①在中低频(600-900Hz)较宽频带内对噪声进行衰减并满足TL≥5-6dB；②不能阻碍气流的流动，避免引起较大的压力损失；③应避免占用较大空间，尽量不改变原有管道结构。因而，对于***的设计的应用研究，应以此为指导方向。目前已有的管道***的研究中还存在以下几点问题：
1)大多数管道***属于外插颈部结构，共振频率与颈部长度、颈部面积以及腔体体积有关，为了满足低频共振的要求，一般将赫姆霍兹共振腔的腔体体积设计的比较大、颈部较长，导致在一些狭窄的地方无法使用，在实际工程应用上有比较大的限制。此外，其只能在共振频率点处有较强的声衰减能力，但是其消声频带相对较窄；
2)一些***的结构过于复杂，需要精确加工以保证共振频率的准确性，因而样件制作过程复杂且耗时，不利于实际工程应用；
3)许多***在管道内部设计有一定的结构，阻碍了气流的流动，造成了一定程度的压力损失。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种赫姆霍兹型***，通过在不同频率上移动声衰减区域以及对尺寸和材料参数进行调整，能够实现对不同频段的噪声进行消除。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种赫姆霍兹型***，包括：多个以阵列方式排列的共振腔室以及设置于每个共振腔室内的内插颈部，其中，
每个共振腔室处于同一水平位置，且每个共振腔室之间设置有隔断；
每个共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部的长度随所述共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部设有进气口和排气口，所述进气口与所述共振腔室的底端水平设置，所述排气口与所述共振腔室的顶端保持合适距离。
优选的，所述共振腔室与所述内插颈部粘结或一体成型。
优选的，所述共振腔室的高度为15mm-20mm。
优选的，所述内插颈部的长度为3mm-9.5mm。
优选的，所述内插颈部的端面形状为矩形或渐扩管形。
优选的，所述内插颈部位于所述共振腔室的中部或两侧。
优选的，所述共振腔室上部设置有多孔介质。
优选的，所述***的消声性能通过传递损失STL评价，具体通过下式：
Figure BDA0002435171270000031
其中，
Figure BDA0002435171270000032
为入射声能，
Figure BDA0002435171270000033
为透射声能，Pi为入射声压，Pt为透射声压，ρ0为管道内气体密度，c0为管道内气体声速。
优选的，所述共振腔室的共振频率为：
Figure BDA0002435171270000034
其中，Mb为管内声质量，Cb为腔体声容，l为颈部长度(l＝l0+1.2a)，Sb为颈部横截面积，Vb为声腔体积，π为圆周率。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、可以在550-1000Hz中频范围内出现较宽的声衰减区域，且TL≥10dB的频率带宽达到430Hz，实现了宽带高声衰减的效果。通过调整该单元结构的尺寸参数，还可以实现频率低于500Hz的低频范围内的声衰减目标；
2、采取改变内插颈部端面形状、改变内插颈部位置和添加多孔介质等方式进行结构改进，可以实现在低于1000Hz的频率范围里出现多个较宽的衰减频带，从而实现结构吸声特性的可调性和较宽频带声衰减目标；
3、本公开所设计的单元结构和改进单元结构的吸声特性与其结构腔体长度和高度、内插颈部的宽度和长度、质量块数目和大小之间都存在一定的变化规律，因而可有目的性、指导性的根据隔声目标进行结构尺寸的确定和结构改进。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种赫姆霍兹型***的结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的另一种赫姆霍兹型***；
图3是本公开一个实施例提供的另一种赫姆霍兹型***；
图4是本公开另一个实施例提供的一种赫姆霍兹型***；
图5是图1中复合板进行有限元分析的仿真模型示意图；
图6是图1中内插颈部阵列***基础单元结构尺寸示意图；
图7是图1所示***的有限元仿真传递损失曲线图；
图8是图1所示***的有限元仿真透射系数、吸声系数和反射系数曲线；
图9是图1所示***分别在600Hz、780Hz和950Hz处的声强流线图；
图10是图1至图4所示***的有限元仿真传递损失曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图10详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种赫姆霍兹型***，包括：每个共振腔室处于同一水平位置，且每个共振腔室之间设置有隔断；
每个共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部的长度随所述共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部设有进气口和排气口，所述进气口与所述共振腔室的底端水平设置，所述排气口与所述共振腔室的顶端保持合适距离。
本实施例提出一种新型的***结构，与现有的普通管道***不同的是：本实施例所提出的***在声波激励下，能够利用共振腔室自身的共振吸声作用，使得在568-992Hz的频段内有较宽作用频带(TL≥10dB的频段大于400Hz)，从而可以很容易实现中低频范围内的一定宽度频带的声衰减目标。本实施例具有占用空间少、基本不需要改变管道结构以及能够适用于中频范围内宽带声衰减的优点。
另一个实施例中，所述共振腔室与所述内插颈部粘结或一体成型。
本实施例中，共振腔室和内插颈部可以通过胶水粘结，或者也可以采用数控铣床加工而成或一体化打印形成，由于共振腔室的高度、内插颈部的长度、内插颈部的横截面尺寸以及内插颈部的位置对其声衰减量以及作用频带有一定的影响，为了保证制造的准确度，优选采用成熟的3D打印技术(误差为正负0.1mm)将整个结构一体化打印加工制成。
另一个实施例中，所述共振腔室的高度为15mm-20mm。
由于不同腔室高度和内插颈部长度的***共振频率不同，在共振频率处TL值最大，为了实现较宽频带的较大TL值，必须依靠在管壁阵列一定数量的结构使其共振频率稍微变化从而将各个峰值耦合起来，在本实施例的一个具体实施方式中，共振腔室设置为10个，按照15mm、16mm、16mm、17mm、18mm、18mm、19mm、19mm、19mm、20mm的高度依次从左到右排列，其中，高度为20mm的共振腔室对应552HZ的共振频率，高度为15mm的共振腔室对应942HZ的共振频率。
需要说明的是，共振腔室的数量可以设置为大于10，且能够在一定程度上使得作用频带更宽、消声量更大，但数量增多会导致占据更大空间，这就与本公开所适用的场景(即狭窄空间)相违背，另外，共振腔室设置为10个可以实际满足工程需求，因此，结合实际使用效果来看，本实施例优选10个作为共振腔室的排列数量。
特别需要说明的是，***的共振频率由共振腔室的体积以及内插颈部的长度和横截面积决定，为了保证550-1000Hz范围内宽频吸声，本实施例将共振腔室的高度设置为上述数值范围，如果超出这个范围，则不能保证共振频率落在550-1000Hz。
另外，还需要说明的是，共振腔室的形状可以设置为正方形、矩形，或者根据实际使用场合切割为圆形、正六边形等几何规则形状。
另一个实施例中，所述内插颈部的长度为3mm-9.5mm。
本实施例中，内插颈部的长度与共振腔室的高度一一对应，分别设置为3mm、4mm、5mm、5mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、9.5mm，即高度为15mm的共振腔室中的内插颈部的长度为3mm，高度为20mm的共振腔室中的内插颈部的长度为9.5mm。
能够理解，每个单元的共振频率由共振腔室的体积以及内插颈部的长度和横截面积所决定，为了保证500-1000Hz范围内宽频吸声，每个单元的共振频率在该范围内分散开，因此内插颈部的长度设置为3mm-9.5mm的范围，如果超出这个范围，则不能保证共振频率落在500-1000Hz之内。
结合前一实施例，本公开需要先确定目标频率，然后确定***工作原理，然后确定共振腔体的尺寸和内插颈部的尺寸，如果目标频率发生了变化，在作用原理不变的前提下，尺寸的范围也会变化。
本公开提供一种针对上述实施例的改进，如图2所示，一个实施例中，将内插颈部的端面形状由现有的矩形变为渐扩管形。
本实施例中，将内插颈部的端面形状由现有的矩形变为渐扩管形后，与内插颈部的端面形状为矩形相比(图10中实线表示未做任何改进的TL曲线)，其TL曲线大于10dB的频段在高频处变宽了近30Hz(见图10中点划线所示曲线)。
需要说明的是，声音的频率越低，其波长就越长，越难以控制，本实施例通过改变内插颈部的端面形状使得TL曲线向低频处有一定程度的移动，对于声衰减的作用更有利。
本公开还提供另一种改进，如图3所示，一个实施例中，将内插颈部的位置由共振腔室中部改为设置在靠近共振腔室的侧端。
本实施例中，将内插颈部的位置由共振腔室中部改为设置在靠近共振腔室的左侧或右侧后，与内插颈部置于共振腔室中部相比(图10中实线表示未做任何改进的TL曲线)，其TL曲线大于10dB的频段向低频方向有一定移动(见图10中短划线所示曲线)。
通过调整内插颈部在共振腔室中的位置，能够取得和上述实施例一致的技术效果，此处不再赘述。
本公开还提供另一种改进，如图4所示，一个实施例中，在共振腔室上部设置多孔介质。
本实施例中，在共振腔室上部设置多孔介质后，与未设置多孔介质相比(图10中实线表示未做任何改进的TL曲线)，其TL曲线大于10dB的起始频率向低频方向有一定的移动(见图10中长划线所示曲线)。
下面，采用大型商用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.4的声-固耦合频域分析模块建立***的有限元仿真模型，对本公开所述管道***的吸声特性进行分析。
如图5所示，有限元仿真模型由入射声腔11和管道***单元结构13两部分组成。当平面声波从平面波辐射面10入射，经过管道内部空气11和管道***，从平面波辐射面12出射，此时内部空气域中包含入射声压Pi、反射声压Pr和透射声压Pt，因而据此可计算该***的传递损失STL，如下式所示。
Figure BDA0002435171270000091
其中，
Figure BDA0002435171270000092
为入射声能，
Figure BDA0002435171270000093
为透射声能，ρ0为管道内气体密度，c0为管道内气体声速。
定义入射声压为1Pa，频率扫描频段为100Hz-1200Hz，步长为10Hz。有限元仿真得到***的传递损失曲线如图7所示。以10dB作为标准，从图7中可以发现一个568-992Hz的吸声频段，带宽为430Hz，其中在735-850Hz处还有一个声衰减的峰值频段，传递损耗达到了20dB以上。从图8可以看出，在作用频段内***的吸声系数较高(接近0.9)，为了进一步揭示其背后的吸声机理，分别计算提取***在传递损失曲线开始频率600Hz、结束频率920Hz和峰值点780Hz处的声能量流曲线图，如图9所示。从图9中可以明显发现，在600Hz处，声流流向结构右侧的腔室，此时体积最大的右侧单元结构处于共振状态，声能量转化为热能并被消耗掉；在780Hz处，声波进入处于***阵列单元中间位置的腔室，此时声波与中间腔室发生共振，对声波能量的消耗能力达到最大；在950Hz处，声波进入左侧较小体积的腔室，左侧单元结构处于共振状态，声能量转化为腔室内的热能并被消耗掉，单元结构处于共振状态。从图9可以看出，在较高的传递损失频带内(568Hz-992Hz)，声衰减产生的原因均是由于不同尺寸的腔室处于共振频率，声波在该频段进入腔室内部，从而使声能转化为腔室内的粘性热能并进一步消耗掉，出现较高的传递损失。
需要了解的，通过理论计算，可以得到不同尺寸的共振腔室的共振频率，如下式所示：
Figure BDA0002435171270000101
其中，Mb为管内声质量，Cb为腔体声容，l为颈部长度(l＝l0+1.2a)，Sb为颈部横截面积，Vb为声腔体积，π为圆周率，ρ0为管道内气体密度，c0为管道内气体声速。
对于结构中部某一腔室来说，代入相关尺寸，取内插颈部长度l＝6mm，通过下式可以计算得到：
Figure BDA0002435171270000111
共振频率为759Hz，此时中心位置的共振腔处于共振状态，传递损失达到最大，处于图7传递损失曲线的峰值频率735-850Hz频率范围内。
尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (9)

1.一种赫姆霍兹型***，包括：多个以阵列方式排列的共振腔室以及设置于每个共振腔室内的内插颈部，其中，
每个共振腔室处于同一水平位置，且每个共振腔室之间设置有隔断；
每个共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部的长度随所述共振腔室的高度递增或递减排列；
每个内插颈部设有进气口和排气口，所述进气口与所述共振腔室的底端水平设置，所述排气口与所述共振腔室的顶端保持合适距离。
2.根据权利要求1所述的***，其中，优选的，所述共振腔室与所述内插颈部粘结或一体成型。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述共振腔室的高度为15mm-20mm。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述内插颈部的长度为3mm-9.5mm。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述内插颈部的端面形状为矩形或渐扩管形。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的***，其中，所述内插颈部位于所述共振腔室的中部或两侧。
7.根据权利要求1所述的***，其中，所述共振腔室上部设置有多孔介质。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述***的消声性能通过传递损失STL评价，具体通过下式：
Figure FDA0002435171260000011
其中，
Figure FDA0002435171260000021
为入射声能，
Figure FDA0002435171260000022
为透射声能，Pi为入射声压，Pt为透射声压，ρ0为管道内气体密度，c0为管道内气体声速。
9.根据权利要求1所述的***，其中，所述共振腔室的共振频率为：
Figure FDA0002435171260000023
其中，Mb为管内声质量，Cb为腔体声容，l为颈部长度(l＝l0+1.2a)，Sb为颈部横截面积，Vb为声腔体积，π为圆周率。
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