CN112901887A - 一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置 - Google Patents

一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置 Download PDF

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张文平
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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，包括上游扬声器、下游扬声器、耦合电路，噪声控制的主管段包括上游的进气管段、中部的消声管段、下游的出口管段，消声管段分别设置上游扬声器和下游扬声器，上游扬声器和下游扬声器通过耦合电路相连，消声管段上设置可沿管壁横向平移的滑轨，下游扬声器安装在滑轨上。本发明可以克服传统H‑Q管固定结构，消声频带单一的缺点。并且利用电声耦合特性，创造主、旁管路间的声程差，提高消声装置的灵活性，缩小结构尺寸。

Description

一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置
技术领域
本发明涉及的是一种噪声控制装置，具体地说是管道噪声控制装置。
背景技术
管道噪声控制方法，主要分为主动控制和被动控制两种。主动控制方法主要利用声波相互叠加的原理进行噪声控制，***的结构比较复杂，需要一定时间才能达到***稳定，适用的工作场景比较受限。被动控制方法已经发展多年，得到广泛的应用，其可以有效消除中高频噪声。根据噪声控制原理，若将被动控制装置应用于低频噪声控制，则其消声频带较窄，且装置的尺寸受到声波波长的限制，通常尺寸较大。
Herschel-Quincke(H-Q)管是较典型的低频、被动控制消声装置，其利用声音在主管路与旁通管路之间传播的声程差，使得声音在主、旁管路交汇处的声波存在相位差从而达到消声效果。公开的专利CN101956884A描述了一种可调节H-Q管旁通管路的半主动式装置，拓宽了传统H-Q管装置的有效吸声带宽，使消声装置在中低频都有较好的吸声效果，但是这种装置将传统H-Q管路复杂化，添加了控制器等器件，使得消声装置体积变大，且可变长的复杂旁支管路的密封性也是工程中的难题。若将H-Q管用于低频噪声控制时，其低频性能受到旁支管路长度的限制，即若要消除低频噪声，旁支管路的长度必须很长。
发明内容
本发明的目的在于提供在特定频带消声效果的一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，其特征是：包括上游扬声器、下游扬声器、耦合电路，噪声控制的主管段包括上游的进气管段、中部的消声管段、下游的出口管段，消声管段分别设置上游扬声器和下游扬声器，上游扬声器和下游扬声器通过耦合电路相连，消声管段上设置可沿管壁横向平移的滑轨，下游扬声器安装在滑轨上。
本发明还可以包括：
1、滑动滑轨调整上游扬声器、下游扬声器间的间距，使得上游扬声器、下游扬声器间间距与共振频率相匹配，即间距等于共振频率对应的半波长。
2、噪声进入主管段后分为两路，第一路直接经上游的进气管段、中部的消声管段传递到下游扬声器处，第二路到达上游扬声器表面引起振膜振动，产生感应电动势，下游扬声器因通有感生电流而发声，两路声波在下游扬声器处汇合，产生相消干涉。
3、上游扬声器和下游扬声器外部均布置密封背腔。
本发明的优势在于：本发明可以克服传统H-Q管固定结构，消声频带单一的缺点。并且利用电声耦合特性，创造主、旁管路间的声程差，提高消声装置的灵活性，缩小结构尺寸。
附图说明
图1为下游扬声器处两路声波交汇叠加的示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为当两个扬声器间距离为1m时装置的传递损失。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置包括主管段、上游扬声器3、背腔2、进气管段1、耦合电路4、下游扬声器5、背腔6、侧板7、出口管段8、限位块9。
入射声波从主管段的上游1进入消声管段之后，从下游管段8传出，入射声波的幅值被降低。其中靠近上游管段处有一个动圈扬声器3布置在主管道的侧面，动圈扬声器背面有一密闭背腔2，通过耦合电路4将上游扬声器与下游扬声器5相连。下游扬声器5安装在一个可移动的侧板7上，侧板可沿着管壁的滑轨作横向平移运动。上下游扬声器均可更换，针对不同的噪声源特性可选择与之最适配的扬声器，即噪声源的峰值频率对应于选用扬声器的共振频率。消声装置属于被动消声装置，***无外部能量的输入。两个或多个动圈扬声器沿管道内噪声的传递方向顺次放置。扬声器组之间通过耦合电路进行连接。扬声器组的位置参数和耦合电路参数可调，从而实现对不同频带噪声的覆盖。
两个扬声器通过耦合电路相连，两扬声器构成与主管路段并联的等效旁通管段，1进口管段和出口管段8分别位于主管段两端。噪声进入主管段后分为两路，一路到达扬声器3表面引起振膜振动，产生感应电动势，进而在两个耦合的扬声器回路内形成感生电流，下游扬声器5因通有感生电流而发声，另一路直接通过主管段传递到下游扬声器5处。两路声波最终在下游扬声器5处汇合，由于两路声波的传递相位不同，会产生相消干涉，最终汇合后向下游传播的噪声降低(如附图1所示)。与此同时，下游动圈扬声器5被安装在一个可沿滑轨滑动的侧板7上。因此，下游扬声器5的位置是可调的，这提供了另外一种调节主管道和等效旁通管路之间声程差的措施。
扬声器组外部布置有密封背腔，以防止扬声器向外部环境漏声。
由声学知识可知，当两列具有相同波长、相同振幅的声波相遇时，声波会相互叠加，如果两列声波相位差为180°，或者表示为两列声波相差半波长的奇数倍时，则两列声波的波峰波谷会正好相遇，互相抵消，产生消声的效果，这也是主动噪声控制所遵循的机理。在本发明中，从入射管段中传入并行驶到上游扬声器处声波的波峰或波谷会激起扬声器振膜的振动，在扬声器内部产生感应电动势，使得与其相连的下游扬声器发声。因电路传输的迅速，因此扬声器***相当于将上游扬声器处的声波立刻传至下游处，几乎没有时间的延迟。这样，基于声波的叠加原理，当两个扬声器间的距离L正好等于波长的(2N-1)/2倍时(N＝1,2,3…)，刚好达到消声的效果。根据声波叠加的理论，两个扬声器间距离L等于(4N-3,4N-1)/4倍波长时，都具有一定的消声效果，只是当距离正好等于(2N-1)/2倍波长时，消声效果最好。本发明的设计可使两扬声器间距离L随侧板的位置移动而变化(如附图2)，即可以使下游扬声器的位置随着滑轨移动到相应位置，从而获得对应频段的最佳消声效果。
本发明的降噪效果计算方法如下所述。
动圈扬声器的机械阻抗可以表示为：Zm＝δ+jωM+K/jω+A2/jωCa
其中Ca＝V/ρ0c0 2为扬声器背部密封腔室增加的等效声抗，V为背腔的容积，A为扬声器振膜表面的有效振动面积，ω为角频率，
Figure BDA0002897358950000031
是虚数，ρ0、c0为空气的密度和空气中的声速。
因此扬声器的共振频率可以表示为：
Figure BDA0002897358950000041
当两个扬声器相连构成闭合回路时，回路内的电阻抗会产生等效的机械阻抗ΔZ＝(Bl)2/2(Re+jωLe)。
其中Re为扬声器的直流电阻，Le为音圈电感，Bl为磁场间隙的磁感应强度与音圈在磁场中的有效线长的乘积(单位：T*m)。
因此产生的等效阻抗作用在扬声器***的等效阻尼和等效质量上，使得扬声器的共振频率发生偏移变为：
Figure BDA0002897358950000042
采用的动圈式扬声器，测得其机械阻抗特性的Thiele/Small参数有：阻尼δ＝1.67Ns/m，质量M＝6.5g，刚度K＝1000N/m。因此根据理论公式，相连后的***内单一扬声器的共振频率为fL＝170Hz。在共振频率处，传到扬声器振膜表面的声波更容易激起振膜的振动，从而完成声能量的传输，因此在共振频率范围处的消声效果也最好。
针对本发明选用扬声器的特性，滑动下游处侧板以调整两扬声器间的间距，使得两扬声器间间距与共振频率相匹配，即间距等于共振频率对应的半波长。以该位置为例，对本发明做详细说明。
配合本发明选用扬声器的固有特性，将安装有扬声器的下游侧板移置L＝c0/(2fL)位置，使得该消声装置在该频率处获得最佳的消声效果。
根据控制原理，可得管路的噪声控制情况:
Figure BDA0002897358950000043
以消声量大于5分贝dB评价有效的消声效果，从计算结果附图3中显示的有效消声频段与理论预测的消声频段基本相符。
通过以上分析可以看出该消声装置在低频段具有较好的吸声效果。

Claims (4)

1.一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，其特征是：包括上游扬声器、下游扬声器、耦合电路，噪声控制的主管段包括上游的进气管段、中部的消声管段、下游的出口管段，消声管段分别设置上游扬声器和下游扬声器，上游扬声器和下游扬声器通过耦合电路相连，消声管段上设置可沿管壁横向平移的滑轨，下游扬声器安装在滑轨上。
2.根据权利要求1所述的一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，其特征是：滑动滑轨调整上游扬声器、下游扬声器间的间距，使得上游扬声器、下游扬声器间间距与共振频率相匹配，即间距等于共振频率对应的半波长。
3.根据权利要求2所述的一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，其特征是：噪声进入主管段后分为两路，第一路直接经上游的进气管段、中部的消声管段传递到下游扬声器处，第二路到达上游扬声器表面引起振膜振动，产生感应电动势，下游扬声器因通有感生电流而发声，两路声波在下游扬声器处汇合，产生相消干涉。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于电声耦合的管道低频噪声控制装置，其特征是：上游扬声器和下游扬声器外部均布置密封背腔。
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