亥姆霍兹共振器及其设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种亥姆霍兹共振器，该亥姆霍兹共振器用于安装在一声学管道，其包括：一腔体及一颈部，该颈部设置于该腔体的一侧，并用于连通该腔体及所述声学管道；其中，该亥姆霍兹共振器进一步包括一吸声结构，该吸声结构填充于所述颈部，该吸声结构包括多个通孔，且用于连通所述腔体及所述声学管道，该吸声结构的中的通孔水力直径d及孔隙率φ满足以下关系式(1)-(2)：--?式(1)，--?式(2)，其中，为所述亥姆霍兹共振器的最优声阻值，R为位于所述亥姆霍兹共振器下游的声学管道的反射系数，且为实数；为所述亥姆霍兹共振器10的入口声阻，该为与所述吸声结构16中的通孔水力直径、孔隙率、流动阻力、长度相关的关系式。本发明还涉及上述亥姆霍兹共振器的设计方法。
【专利说明】亥姆霍兹共振器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种消声装置及其设计方法，尤其涉及一种亥姆霍兹共振器及其设计方法。
【背景技术】
[0002]当声音在主管道中传播到安装亥姆霍兹共振器的位置时，由于共振器颈部开口与主管道的交叉处声阻抗突变，一部分声能被反射回管道上游；一部分声能传入共振器颈部和共振腔，在共振器中被消耗掉；剩下一部分声能继续向主管道下游传播。理论上，亥姆霍兹共振器可以吸收接近其共振频率的噪声，但是，其吸收波段的范围很窄，在共振频率时的吸声非线性效应明显，吸声系数也有待进一步优化，因此需要对共振器进行一些改进，使其更为完善。
[0003]目前，对亥姆霍兹共振器最常用的改进方式是改变其几何参数，如颈部长度、横截面积，以及腔体体积等，并进行理论分析、仿真计算以及实验研究。但上述改进主要是针对共振器吸声频率的可调节性问题，并没有有效改善亥姆霍兹共振器在特定的共振频率下的吸声系数和吸声带宽。改变共振器局部形状，能在一定程度上优化共振器的吸声性能，但没有定量地考虑共振器在共振频率下吸声非线性效应问题，很难定量地给出最佳优化参数。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，确有必要提供一种亥姆霍兹共振器及其设计方法，以使亥姆霍兹共振器具有较大的共振吸声系数。
[0005]一种亥姆霍兹共振器，该亥姆霍兹共振器用于安装在一声学管道，其包括:一腔体及一颈部，该颈部设置于该腔体的一侧，并用于连通该腔体及所述声学管道；其中，该亥姆霍兹共振器进一步包括一吸声结构，该吸声结构填充于所述颈部，该吸声结构包括多个通孔，且用于连通所述腔体及所述声学管道，该吸声结构的中的通孔水力直径d及孔隙率Φ满足以下关系式:
[0006]
【权利要求】
1.一种亥姆霍兹共振器，该亥姆霍兹共振器用于安装在一声学管道，其包括: 一腔体及一颈部，该颈部设置于该腔体的一侧，并用于连通该腔体及所述声学管道； 其特征在于，该亥姆霍兹共振器进一步包括一吸声结构，该吸声结构填充于所述颈部，该吸声结构包括多个通孔，且用于连通所述腔体及所述声学管道，该吸声结构的中的通孔水力直径d及孔隙率Φ满足以下关系式:
2.如权利要求1所述的亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述多个通孔相互平行设置或杂乱无序排列。
3.如权利要求1所述的亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述多个通孔相互平行设置，所述吸声结构的孔隙率为Φ，该吸声结构在所述颈部的长度与该颈部自身的长度相等，且该吸声结构在该颈部的截面积与该颈部的截面积Sb相等，所述吸声结构的中的通孔水力直径d及孔隙率Φ满足以下关系式::
4.一种亥姆霍兹共振器的设计方法，该亥姆霍兹共振器包括一腔体以及一与该腔体连通的颈部，该设计方法包括步骤: (I )，提供一振动型声学管道，依据该声学管道的声波频率估算出所述亥姆霍兹共振器的颈部的长度、颈部入口的截面积、所述腔体的体积； (2)，测量所述吸声结构在不同的空气流速下的静流阻率，依据实验工况及该吸声结构的特征，拟合出流动雷诺系数、该吸声结构的通孔长度、通孔水力直径与非线性系数之间关系的拟合公式； (3)，结合所述拟合公式以及所述声学管道的声波强度，计算出所述安装有吸声结构的亥姆霍兹共振器入口的声阻抗的理论值；以及 (4)，依据所述安装有吸声结构的亥姆霍兹共振器的入口声阻抗值，使该入口声阻抗值与该亥姆霍兹共振器的最优声阻抗理论值Rc(Za),,,,,相等，以计算出使该亥姆霍兹共振器具有较大共振吸声系数时所述吸声结构的通孔水力直径的范围。
5.如权利要求4所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，根据所述吸声结构的类型，并在保持该吸声结构的孔隙率的条件下，选择不同通孔水力直径的吸声结构，测量该不同通孔水力直径的吸声结构在不同的空气流速下的静流阻率，得到声阻计算公式中非线性系数与流动雷诺系数、通孔长度、通孔水力直径之间关系的拟合公式。
6.如权利要求4所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，将选定的吸声结构填充在所述颈部，该颈部入口声波强度与步骤(1)中所述声学管道中共振器对应的入口位置声波强度相等，结合所述步骤(2)得到的静流阻率，利用与所述吸声结构的相关参数相关的声阻抗计算公式及所述声学管道的声波强度，通过迭代的方法计算出填充有吸声结构后的亥姆霍兹共振器颈部入口声阻抗值。
7.如权利要求4所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，结合所述亥姆霍兹共振器安装在声学管道的侧壁时的吸声系数α的计算公式，得到该亥姆霍兹共振器的最优声阻值Re(&)_ ；使步骤S3得到的安装吸声结构的亥姆霍兹共振器颈部入口声阻抗值与所述最优的声阻值相等，从而计算出使得该亥姆霍兹共振器的共振吸声系数α最大的吸声结构的通孔水力直径的范围，
8.如权利要求4所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，在所述步骤(3)与所述步骤(4)之间，进一步包括步骤:结合所述步骤(3)的计算结果，调整所述颈部和腔体的相关参数，使所述亥姆霍兹共振器共振频率为所需值。
9.如权利要求8所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)包括:依据所述调整后的颈部和腔体的相关参数，重复步骤(3)利用填充有所述吸声结构的亥姆霍兹共振器的入口声阻的计算公式，重新迭代计算出新的入口声阻抗值，并使该新的入口声阻值与所述最优的声阻值相等，以计算得到所述吸声结构的通孔水力直径的范围。
10.如权利要求4所述的亥姆霍兹共振器的设计方法，其特征在于，进一步包括步骤(5)，利用所述亥姆霍兹共振器的吸声带宽与吸声结构中的通孔的水力直径之间的关系，在步骤(4)得到的吸声结构的通孔水力直径的范围内选择最小的水力直径作为该吸声结构的通孔的水力直径。
【文档编号】H04R3/00GK103533488SQ201310467224
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】杨东, 朱民, 钟迪, 张晓宇, 景李玥, 翁方龙 申请人:清华大学