CN113446088A - 一种复合式调频***及其调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合式调频***及其调谐方法，复合式调频***包括：固定组件；微穿孔组件，包括微穿孔管、至少两个固定板和挡板，微穿孔组件固定设于固定组件内，固定板相对设于微穿孔管外侧，且与微穿孔管一体成型，位于固定板之间的微穿孔管上等距设有多列通孔，挡板穿过固定板滑动设于微穿孔管外侧且覆盖通孔；调节组件，包括包覆设于相对设立的固定板外侧的弹性薄膜和压电振子，弹性薄膜与微穿孔管外侧形成谐振腔一，弹性薄膜与固定组件内壁形成谐振腔二，微穿孔管、谐振腔一、弹性薄膜和谐振腔二形成封闭的双自由度消声***压电振子设于弹性薄膜外侧，且与电源电性连接。本发明可扩大噪声控制频带，实现噪声的有效抑制。
Description
技术领域
本发明属于***技术领域，具体涉及一种复合式调频***及其调谐方法。
背景技术
复合式***是指对于同时具有噪声传播的气流管道，将阻性***和抗性***按一定方式组合而成的***。
现有技术中，复合式***中，穿孔管***对中高频范围内的消声效果好，但在低频范围内穿孔管需要极低的穿孔率或者增大谐振腔体积，这样不仅增加了加工难度、成本，占用空间也随之增加，限制了穿孔管***结构的适用场合，而柔性薄膜结构对低频噪声的吸收效果较好，具有结构简单、容易制备、变形量大等优点，但仍然有应用限制，如不能同时高效抑制中高频率的噪声，不适用于强振声激励、高温差、极轻附加质量和极小附加空间要求。如专利公告号为CN109139191A的专利公开了一种微穿孔共振腔消声结构及APU用减噪***，采用大共振腔结构形态，极大的减轻了设备的重量，增加了结构刚度，减弱了APU工作状态下传播出来的噪声强度，但其噪声控制频带固定，消声效果固定，无法通过调谐实现噪声的最大化抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合式调频***及其调谐方法，微穿孔管、谐振腔一、弹性薄膜和谐振腔二形成封闭的双自由度消声***，扩大噪声控制频带，实现噪声的有效抑制。
本发明提供了如下的技术方案：
本申请提出一种复合式调频***，包括：
固定组件，用于保证协整腔室的密封性；
微穿孔组件，包括微穿孔管、至少两个固定板和挡板，所述微穿孔组件固定设于固定组件内，所述固定板相对设于微穿孔管外侧，位于固定板之间的微穿孔管上等距设有多列通孔，所述挡板穿过固定板滑动设于微穿孔管外侧且覆盖通孔，用于调节微穿孔管的穿孔率；
调节组件，包括包覆设于相对设立的固定板外侧的弹性薄膜和压电振子，弹性薄膜与微穿孔管外侧形成谐振腔一，弹性薄膜与固定组件内壁形成谐振腔二，用于防止声泄漏，所述谐振腔一与谐振腔二内填充满空气，所述微穿孔管、谐振腔一、弹性薄膜和谐振腔二形成封闭的双自由度消声***，所述双自由度消声***包括主振***和附加***，所述压电振子设于弹性薄膜外侧，且与电源电性连接，用于通过调节驱动电压大小控制弹性薄膜刚度，且实现频率可调谐。
优先地，所述固定组件包括两个通过法兰连接的外壳，所述外壳呈半圆柱体，且外壳上下表面均相对设有凹槽，所述外壳内设有空腔，所述微穿孔组件设于空腔内。
优先地，所述微穿孔管与固定板一体成型，微穿孔管包括入口和出口。
优先地，所述固定板插设于凹槽内，且凹槽侧壁压紧弹性薄膜，靠近入口侧的固定板上设有多个插孔。
优先地，所述挡板朝向出口一侧沿微穿孔管轴向设有多个封条，所述封条与通孔相配合。
优先地，所述压电振子包括铜片和锌片，且压电振子通过硅胶贴设于弹性薄膜外侧。
优先地，所述谐振腔一内空气相对不可压缩。
基于上述的复合式调频***，本申请还提出一种使用上述复合式调频***的调谐方法，包括如下步骤：
S1.谐振腔一内空气等效为弹簧，通孔部分的空气等效为质量块，转化成第一弹簧质量谐振单元，且作为主振***；
S2.弹性薄膜质量等效为质量块，弹性薄膜的拉力和谐振腔二内的空气层弹力耦合作用力等效为弹簧，转化成第二弹簧质量谐振单元，且作为附加***；
S3.主振***和附加***均具有固有频率，且仅与***等效质量和弹簧刚度相关，二者的表达式为
其中，Mm为弹性薄膜质量，ka为谐振腔一内的空气弹簧刚度，km为弹性薄膜刚度，Mh为通孔空气等效质量，ωh为主振***的固有频率,ωm为附加***的固有频率；
S4.通孔空气等效质量和薄膜等效刚度为
其中，t′h＝th+δ，th为孔深，δ为开口修正量，C为声速，s为孔截面积，S为固定板在谐振腔一内的轴向截面积，l1为腔深，ρ为空气密度；
S5.通过推动挡板调节穿孔率，可调节步骤S4中的通孔空气等效质量，通过调节压电振子的驱动电压大小，可调节步骤S4中的薄膜等效刚度，用于控制消声频率，即控制复合式调谐***的传递损失；
S6.复合式调谐***的传递损失可通过调节复合式调谐***表面的总声阻抗比来进行控制，总声阻抗比为微穿孔管两侧声阻抗比、微穿孔管与弹性薄膜间的声阻抗比、弹性薄膜两侧的声阻抗比协同作用，复合式调谐***的总声阻抗比为：
其中，m＝sρt′h为通孔内空气质量，c为通孔内表面的粘滞阻力，ω为的平面声波入射角频率，ω2为薄膜和附加腔的固有角频率，ωf薄膜固有频率，谐振腔一内的空气弹簧刚度为
l1为谐振腔一的长度，l2为谐振腔二的长度，空气等效质量为Ma1＝ρl1s，弹性薄膜质量为
开度比ε为腔室截面积s与微穿孔管内面积S的比值，η为损耗因子。
优先地，复合式调谐***消声效果的影响因素包括微穿孔管的结构尺寸、弹性薄膜的材料属性及结构属性、弹性薄膜与微穿孔管之间的距离。
本发明的有益效果是：
1.将轻质的弹性薄膜结构与穿孔管***结合在一起，提高穿孔管***结构在低频域的消声性能和弹性薄膜对中高频噪声的消声性能，扩大噪声控制频带，实现噪声的有效抑制，对控制低频域的复合谱噪声有重要的工程实用价值；
2.具有两种频率调谐方式，通过挡板调节穿孔率大小及控制驱动电压大小调节弹性薄膜刚度，可灵活控制消声频率；
3.采用的原料都比较便宜易得，合成方法简单，未使用危险、剧毒的试剂、贵金属催化剂，操作简单方便，且最终产物的产率相对较高。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的调节组件连接示意图；
图3是本发明的外壳连接示意图；
图4是本发明的微穿孔组件连接示意图；
图5是本发明的穿孔率影响示意图；
图6是本发明的不同电压下的消声效果示意图。
图中标记为：1.固定组件，11.外壳，2.微穿孔组件，21.微穿孔管，211.通孔，212.入口，213.出口，22.固定板，221.插孔，23.挡板，231.封条，3.调节组件，31.弹性薄膜，32.压电振子，33.谐振腔一，34.谐振腔二。
具体实施方式
实施例一
本申请提出一种复合式调频***，包括：
固定组件1，用于保证协整腔室的密封性。固定组件1包括两个通过法兰连接的外壳11，外壳11呈半圆柱体，且外壳11上下表面均相对设有凹槽，外壳11内设有空腔，微穿孔组件2设于空腔内。
微穿孔组件2，包括微穿孔管21、至少两个固定板22和挡板23，微穿孔组件2固定设于固定组件1内，固定板22相对设于微穿孔管21外侧，位于固定板22之间的微穿孔管21上等距设有多列通孔211，挡板23穿过固定板22滑动设于微穿孔管21外侧且覆盖通孔211，用于调节微穿孔管21的穿孔率。微穿孔管21与固定板22一体成型，微穿孔管21包括入口212和出口213。固定板22插设于凹槽内，且凹槽侧壁压紧弹性薄膜31，靠近入口212侧的固定板22上设有多个插孔221。挡板23朝向出口213一侧沿微穿孔管21轴向设有多个封条231，封条231与通孔211相配合。
调节组件3，包括包覆设于相对设立的固定板22外侧的弹性薄膜31和压电振子32，压电振子32包括铜片和锌片，且压电振子32通过硅胶贴设于弹性薄膜31外侧。弹性薄膜31与微穿孔管21外侧形成谐振腔一33，谐振腔一33内空气相对不可压缩。弹性薄膜31与固定组件1内壁形成谐振腔二34，用于防止声泄漏，谐振腔一33与谐振腔二34内填充满空气，微穿孔管21、谐振腔一33、弹性薄膜31和谐振腔二34形成封闭的双自由度消声***，双自由度消声***包括主振***和附加***，压电振子32设于弹性薄膜31外侧，且与电源电性连接，用于通过调节驱动电压大小控制弹性薄膜31刚度，且实现频率可调谐。
基于上述的复合式调频***，本申请还提出一种使用上述复合式调频***的调谐方法，包括如下步骤：
S1.谐振腔一33内空气等效为弹簧，通孔211部分的空气等效为质量块，转化成第一弹簧质量谐振单元，且作为主振***；
S2.弹性薄膜31质量等效为质量块，弹性薄膜31的拉力和谐振腔二34内的空气层弹力耦合作用力等效为弹簧，转化成第二弹簧质量谐振单元，且作为附加***；
S3.主振***和附加***均具有固有频率，且仅与***等效质量和弹簧刚度相关，二者的表达式为
其中，Mm为弹性薄膜31质量，ka为谐振腔一33内的空气弹簧刚度，km为弹性薄膜31刚度，Mh为通孔211空气等效质量，ωh为主振***的固有频率,ωm为附加***的固有频率；
S4.通孔211空气等效质量和薄膜等效刚度为
其中，t′h＝th+δ，th为孔深，δ为开口修正量，C为声速，s为孔截面积，S为固定板22在谐振腔一33内的轴向截面积，l1为腔深，ρ为空气密度；
S5.在微穿孔管21出口213处，利用声级计检测微穿孔管21产生的噪声，根据噪声频谱特性，筛选出声压级较大的噪声频率，即需要降噪的噪声频率，通过推动挡板23调节穿孔率，控制***的颈部面积，可调节步骤S4中的通孔211空气等效质量，实现频率可调谐，即控制复合式调谐***的传递损失；
S6.复合式调谐***的传递损失可通过调节复合式调谐***表面的总声阻抗比来进行控制，总声阻抗比为微穿孔管21两侧声阻抗比、微穿孔管21与弹性薄膜31间的声阻抗比、弹性薄膜31两侧的声阻抗比协同作用，复合式调谐***消声效果的影响因素包括微穿孔管21的结构尺寸、弹性薄膜31的材料属性及结构属性、弹性薄膜31与微穿孔管21之间的距离。复合式调谐***的总声阻抗比为：
其中，m＝sρt′h为通孔211内空气质量，c为通孔211内表面的粘滞阻力，ω为的平面声波入射角频率，ω2为薄膜和附加腔的固有角频率，ωf薄膜固有频率，谐振腔一33内的空气弹簧刚度为
l1为谐振腔一33的长度，l2为谐振腔二34的长度，空气等效质量为Ma1＝ρl1s，弹性薄膜31质量为
开度比ε为腔室截面积s与微穿孔管21内面积S的比值，η为损耗因子。
如图5所示，在单层穿孔管孔深th＝4mm，穿孔率P＝0.386％，膜厚σ＝0.5mm，此时的第一阶峰值f＝178Hz，第二阶峰值频率f＝865Hz。穿孔管的穿孔率可由0梯度增加到1％，增长步长为0.1％，挡管不断抽离腔室内，穿孔率逐渐增大，完全抽离时，穿孔率最大为1％，此时产生的共振频率也最大。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：调谐方法的步骤S5中，通过调节压电振子32的驱动电压大小，可调节步骤S4中的薄膜等效刚度，可实现频率可调谐。如图6所示，电压由0V增加到300V时，薄膜刚度随之增大，***振点向高频域移动，结构共振与声学共振耦合效应减弱，第一阶消声峰由180Hz偏移到275Hz，偏移量为95Hz，消声量增加。第二阶消声峰由520Hz偏移到655Hz，偏移量为135Hz，消声量下降较大。本实施例的其他技术特征和工作原理均与实施例一相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种复合式调频***，其特征在于：包括：
固定组件，用于保证协整腔室的密封性；
微穿孔组件，包括微穿孔管、至少两个固定板和挡板，所述微穿孔组件固定设于固定组件内，所述固定板相对设于微穿孔管外侧，位于固定板之间的微穿孔管上等距设有多列通孔，所述挡板穿过固定板滑动设于微穿孔管外侧且覆盖通孔，用于调节微穿孔管的穿孔率；
调节组件，包括包覆设于相对设立的固定板外侧的弹性薄膜和压电振子，弹性薄膜与微穿孔管外侧形成谐振腔一，弹性薄膜与固定组件内壁形成谐振腔二，用于防止声泄漏，所述谐振腔一与谐振腔二内填充满空气，所述微穿孔管、谐振腔一、弹性薄膜和谐振腔二形成封闭的双自由度消声***，所述双自由度消声***包括主振***和附加***，所述压电振子设于弹性薄膜外侧，且与电源电性连接，用于通过调节驱动电压大小控制弹性薄膜刚度，且实现频率可调谐。
2.根据权利要求1所述的复合式调频***，其特征在于：所述固定组件包括两个通过法兰连接的外壳，所述外壳呈半圆柱体，且外壳上下表面均相对设有凹槽，所述外壳内设有空腔，所述微穿孔组件设于空腔内。
3.根据权利要求1所述的复合式调频***，其特征在于：所述微穿孔管与固定板一体成型，微穿孔管包括入口和出口。
4.根据权利要求3所述的复合式调频***，其特征在于：所述固定板插设于凹槽内，且凹槽侧壁压紧弹性薄膜，靠近入口侧的固定板上设有多个插孔。
5.根据权利要求3所述的复合式调频***，其特征在于：所述挡板朝向出口一侧沿微穿孔管轴向设有多个封条，所述封条与通孔相配合。
6.根据权利要求1所述的复合式调频***，其特征在于：所述压电振子包括铜片和锌片，且压电振子通过硅胶贴设于弹性薄膜外侧。
7.根据权利要求1所述的复合式调频***，其特征在于：所述谐振腔一内空气相对不可压缩。
8.一种使用如权利要求1-7中任一项所述的复合式调频***的调谐方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.谐振腔一内空气等效为弹簧，通孔部分的空气等效为质量块，转化成第一弹簧质量谐振单元，且作为主振***；
S2.弹性薄膜质量等效为质量块，弹性薄膜的拉力和谐振腔二内的空气层弹力耦合作用力等效为弹簧，转化成第二弹簧质量谐振单元，且作为附加***；
S3.主振***和附加***均具有固有频率，且仅与***等效质量和弹簧刚度相关，二者的表达式为
其中，Mm为弹性薄膜质量，ka为谐振腔一内的空气弹簧刚度，km为弹性薄膜刚度，Mh为通孔空气等效质量，ωh为主振***的固有频率,ωm为附加***的固有频率；
S4.通孔空气等效质量和薄膜等效刚度为
其中，th′＝th+δ，th为孔深，δ为开口修正量，C为声速，s为孔截面积，S为固定板在谐振腔一内的轴向截面积，l1为腔深，ρ为空气密度；
S5.通过推动挡板调节穿孔率，可调节步骤S4中的通孔空气等效质量，通过调节压电振子的驱动电压大小，可调节步骤S4中的薄膜等效刚度，用于控制消声频率，即控制复合式调谐***的传递损失；
S6.复合式调谐***的传递损失可通过调节复合式调谐***表面的总声阻抗比来进行控制，总声阻抗比为微穿孔管两侧声阻抗比、微穿孔管与弹性薄膜间的声阻抗比、弹性薄膜两侧的声阻抗比协同作用，复合式调谐***的总声阻抗比为：
其中，m＝sρt′h为通孔内空气质量，c为通孔内表面的粘滞阻力，ω为的平面声波入射角频率，ω2为薄膜和附加腔的固有角频率，ωf薄膜固有频率，谐振腔一内的空气弹簧刚度为
l1为谐振腔一的长度，l2为谐振腔二的长度，空气等效质量为Ma1＝ρl1s，弹性薄膜质量为
开度比ε为腔室截面积s与微穿孔管内面积S的比值，η为损耗因子。
9.根据权利要求8中所述的复合式调频***的调谐方法，其特征在于：复合式调谐***消声效果的影响因素包括微穿孔管的结构尺寸、弹性薄膜的材料属性及结构属性、弹性薄膜与微穿孔管之间的距离。
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