基于渐变阻抗边界的宽带管道消声器

1.本发明属于消声降噪领域，具体涉及一种基于渐变阻抗边界的宽带管道消声器。


背景技术：

2.管道是常见的声学环境，管道降噪对于防治噪声污染有着重要意义。例如，在现代工业中，大型风机、燃气轮机、喷气装置的发展，使得这些管道结构中的强噪声污染也日趋严重，消声降噪变得日趋重要。目前常见的管道消声装置是扩张管式消声器和共振式消声器等。
3.现有的扩张管式消声器或共振式消声器通过在管道中引入一节扩张的管道或引入壁侧的共鸣器结构来实现消声的效果。被引入的扩张管与壁侧共鸣器在管道中带来的声阻抗的突变，使得在管道中传播的声波在这一阻抗突变位置上发生反射与透射，部分能量被反射，部分能量被吸收，少量能量透射，实现在透射方向上吸声的效果。
4.对于现有的管道消声实现技术方案，其缺点是：消声的频带较窄。对于扩张管式或者共振式的消声器而言，其消声原理依赖于共振机制，只有在特定的一个或几个共振频点及其周围的狭窄带宽范围内，才能实现有效的消声效果。在这些频带之外，消声效果几乎消失。


技术实现要素：

5.本发明的目的提供一种基于渐变阻抗边界的宽带管道消声器，在管道中实现宽带的消声能力，克服背景技术中吸声带宽较小的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于渐变阻抗边界的宽带管道消声器，其特征在于，包括声管道、渐变阻抗边界块和吸声圆环块，所述声管道的截面呈圆形，在声管道的管壁四周安装有所述渐变阻抗边界块，渐变阻抗边界块的内部排列开设有一端封闭的通孔，该通孔开口端与声管道的内部相通，所述声管道的一端内壁上敷设有所述吸声圆环块。
7.进一步的，所述声管道上开设有条状的长方形安装槽孔，每个安装槽孔沿声管道的轴向设置，并且各个安装槽孔沿声管道的周向均匀分布，所述渐变阻抗边界块开设有通孔的一端安装在安装槽孔上。
8.进一步的，所述渐变阻抗边界块内部通孔分为两部分，前一部分的通孔的长度逐渐增长，后一部分的所有通孔长度保持不变，且与前一部分的最后一个通孔的长度保持一致。
9.进一步的，所述吸声圆环块敷设在位于渐变阻抗边界块后一部分通孔位置的声管道内壁上，并且处于靠近渐变阻抗边界块最后一个通孔的边界位置。
10.更进一步的，所述吸声圆环块采用为吸声材料制作，包括各类多孔吸声材料或吸声棉。
11.更进一步的，所述吸声圆环块的径向厚度为管道半径的五分之一。
12.进一步的，所述渐变阻抗边界块的前一部分的逐渐增长通孔的长度为整体边界块长度的0.6-0.8倍。
13.更进一步的，所述渐变阻抗边界块绕着声管道的外壁排列一圈，数量设置为24块。
14.进一步的，所述渐变阻抗边界块的长度小于声管道的长度，渐变阻抗边界块的长度为声管道直径的6-12倍，声管道轴向上的长度为声管道直径的6到12倍。
15.进一步的，所述渐变阻抗边界块内部平行排列的通孔的最终长度为声管道直径的0.8-1.2；且通孔的直径为声管道直径的1/10，其上限不超过噪声低频下限对应波长的1/5。
16.本发明的有益效果是：当平面声波作为噪声进入管道后，它会与渐变阻抗边界作用，逐渐过渡、变化为贴着边界前进的表面声波，并被反射或吸收，达成消声的效果。本装置的消声过程可以分成两类:阻性消声和反射消声。对于特定的分割频率点,在小于该频率点的频率范围内，该装置工作于阻性消声状态，入射声波将转化为可以传播的表面波，并被管道末端的吸声块吸收。在大于该频率点的频率范围内，该装置工作于反射消声状态，入射声波将转化为表面波，并最终过渡到一个无法继续传播的表面波模态，所有声能量将被反射回去，实现消声。
附图说明
17.图1是本发明的整体结构示意图；
18.图2是本发明的正视图；
19.图3是本发明的侧视图；
20.图4是本发明的局部剖视图；
21.图5是本发明的声管道结构示意图；
22.图6是本发明的渐变阻抗边界块结构示意图；
23.图7是本发明的装配图；
24.图8是平面波-表面波转化图，其中(a)为是阻性消声的状态，(b)为反射消声的状态；
25.图9是消声带宽的仿真与实验结果图。
26.图中标记为：1-渐变阻抗边界块；2-声管道；3-吸声圆环块。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
28.如图1-4所示，一种基于渐变阻抗边界的宽带管道消声器包含三部分：一条圆截面声管道2，贴在声管道边界上的渐变阻抗边界块1，以及一块敷设在声管道内壁的吸声圆环块3。渐变阻抗边界块绕着管道外壁排列一圈，共24块，边界块构成了管道的边声学界，影响声波在管道内运动。边界块的数量与大小可以随管道直径、入射噪声属性而变化。吸声圆环块3设在结构后端，用于吸声。圆环块可以是任何吸声材料(例如，各类多孔吸声材料、吸声棉等)。圆环块贴着管道内壁铺设，其径向厚度约为声管道半径的五分之一，可以视管道通风需求、流经管道的流体特性、降噪需求等来增减吸声圆环块的径向厚度、改变吸声圆环块的材质，或是给圆环块加装适当的遮罩。
29.图5展示了安装边界块的声管道的结构，为了便于安装或更换边界块，声管道上开
出了24条贯穿声管道壁的长方形槽孔。根据声管道和边界块的材质(金属、塑料，等等)，边界块装配的方式可以是焊接、胶粘等。
30.图6展示了渐变阻抗边界块的结构，边界块内部由一系列的平行排列的且一端封闭的通孔组成，这些通孔开口端与声管道边界平齐，允许声波进入。管道的末端和壁面都是声学硬边界，这些管道的长度沿着声波传播方向线性、渐变地增长，从零开始，到达预先设计的最终长度后，长度不再增长。管道长度增长区域的长度，以0.6-0.8倍的整体边界块长度为宜。
31.图7展示了结构的整体装配图。当边界块安装在声管道上时，可以视实际情况需要加装任意的加固装置，如卡箍等，维持边界块的结构强度。此类加固装置未在图上标出。
32.此外，本消声器结构的的相关尺寸参数可以根据实际情况(实际使用的声管道大小、入射噪声的性质等)进行频谱。典型的尺寸参数如下：
33.(1)以声管道的直径为基准，整个装置沿声管道轴向上的长度大约为6到12倍的声管道直径。装置越长，效果越优，但占据空间更大。
34.(2)边界块的长度，与整个装置的长度相当，亦即声管道直径的6-12倍。
35.(3)边界块内部平行排列的通孔的最终长度为声管道直径的大约0.8-1.2倍为宜。
36.(4)边界块的数量，以尽量能全面、高密度地包围声管道为宜。其数量约为24块。
37.(5)边界块内部平行排列的通孔的增长区域的长度为边界块整体长度的0.6到0.8倍。
38.(6)吸声圆环需安装在装置末端，安装位置以不超过边界块内的平行管道的范围为宜。
39.(7)吸声圆环的径向厚度，以设置为声管道半径的1/10到1/5为宜。
40.(8)边界块内部的平行通孔的直径约为管道直径的1/10，其上限不超过噪声低频下限对应波长的1/5。
41.图8展示了入射于此声管道的平面声波转化为表面声波的过程。图8(a)是阻性消声的状态，图8(b)是反射消声的状态。
42.图9展示了本发明的一例具体实施(实验模型)的测试结果。为了简化模型，在该实验模型中，声管道是使用3d打印制造的树脂二维结构，因为对于轴对称装置而言，二维结构即可代表三维结构的性质。仿真使用的实验结构：声管道直径0.05m，长0.4m。声管道两侧的边界是3d打印制造的渐变阻抗边界，其中渐变部分长度约为0.267m，渐变阻抗边界中平行通孔的最终长度为0.04m。声管道的左侧使用扬声器产生平面声波，作为入射声源。
43.在测量过程中，我们使用0-10000hz的扫频信号作为输入，测量管道末端的声场，以计算管道的透射率。
44.图9中结果说明实验结果和仿真结果符合较好，在2000-7000hz的较宽的频率范围内实现了消声效果，只有少量声能量透射，大部分声能量被反射或吸收。
45.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
46.本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。