本發(fā)明涉及基于可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器的寬帶消聲管道，屬于聲學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的管道消聲設(shè)備如基于共振消聲的Helmholtz共鳴器管道，等效于抗性消聲器，由喉管和腔體構(gòu)成。喉管內(nèi)的空氣相當于聲質(zhì)量，腔體相當于彈簧，分別類比于電學(xué)線路中的電感和電容。當聲波頻率和消聲器固有頻率最接近時消聲量最大，起到聲學(xué)濾波器作用。但此種共鳴器腔體長度通常遠小于聲波波長，將其當作集中參數(shù)處理所得的共振頻率不隨尺寸改變，消聲管道一旦制成則不能用于其他用途。因此，需要一種使用非集中參數(shù)系統(tǒng)理論研究的共鳴器結(jié)構(gòu)，當其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，共振頻率也發(fā)生改變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器的寬帶消聲管道，在不改變共鳴器腔體體積的前提下通過提高腔體的長度使得在聲波傳輸路徑上腔體的尺寸和聲波波長相近，打破集中參數(shù)系統(tǒng)的適用條件，改變內(nèi)部喉管的橫截面和相其對腔體中心位置的距離來改變共鳴器的作用頻率。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器的寬帶消聲管道，包括平行設(shè)置的主體管道上表面和下表面，上下表面安裝有若干個沿主體管道對稱分布的尺寸固定的腔體，腔體等間距排列，每個腔體與主體管道之間設(shè)有一對固體擋板，兩個固體擋板之間形成位置、橫截面可變的喉管，喉管偏心率和橫截面積的改變通過左右移動固體擋板來實現(xiàn)，擋板的長度選擇需要保證在左右移動時能夠使得腔體保持密封。

作為優(yōu)選，所述腔體和喉管構(gòu)成經(jīng)典的Helmholtz共鳴器，但共振頻率由喉管的偏心率、截面積確定，共振頻率其中V,l,S為腔體體積、喉管高度、喉管截面積，δ為喉管分別相對于腔體和管道端的末端修正長度之和，共振頻率進一步由喉管的偏心率、截面積確定。

作為優(yōu)選，所述腔體和喉管均為矩形且喉管位于腔體表面的幾何中心，S＝2a₁*2b₁為喉管截面積，a₁,b₁,a,b分別對應(yīng)喉管和腔體的半長寬尺寸，v_mn為考慮到管中聲波的高階模式時所對應(yīng)的不同模式的系數(shù)，v₀₀＝0,v_mn＝1，

作為優(yōu)選，腔體與喉管截面均為圓形情形時，末端修正寫為a,a₁為腔體與喉管的直徑，J_m為m階Bessel函數(shù)，α_mn為(m,n)次高階波對應(yīng)的波矢量，t喉管的為幾何中心偏離腔體幾何中心的尺寸，m,n均為整數(shù)，代表管中聲波傳播時的不同模式。

作為優(yōu)選，上下表面各對稱分布六個相同的腔體，相鄰腔體之間的間隔距離為1.7mm。

作為優(yōu)選，所述主體管道及腔體壁面聲阻抗遠大于背景媒質(zhì)，至少為100倍的背景媒質(zhì)聲阻抗。

作為優(yōu)選，所述管道及腔體壁面的材料為金屬或有機塑料，例如鐵、鋁等聲學(xué)硬材料。

在本發(fā)明中，主體管道的長度約為700mm，高度為50mm，腔體的長高分別為：83.3mm、12mm，喉管高度為2mm，橫截面長度與偏離腔體中心位置的距離從左上至右下以從左往右順序分別為：2、2、4、4、6、6、8、16、16、14、24、40mm和20、2、12、12、16、-6、12、18、-14、-6、-10、-14mm，向右偏離為正，向左偏離為負。以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的共鳴器對應(yīng)的共振頻率分別為：850、920、950、1000、1050、1110、1130、1200、1250、1300、1400、1500Hz。上述參數(shù)的選擇應(yīng)遵循共振頻率與喉管的偏心率、截面積的關(guān)系曲線。頻率選擇為每隔50Hz左右安排一個共鳴器。

有益效果：本發(fā)明的基于可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器的寬帶消聲管道，只需要一種結(jié)構(gòu)尺寸的腔體就可以實現(xiàn)對不同頻率的濾波作用，改變了傳統(tǒng)的消聲器件不可改變作用頻率這一特性，與此同時腔體的厚度大大減小可應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)尺寸苛刻的環(huán)境，最后通過級聯(lián)由不同結(jié)構(gòu)尺寸的喉管所構(gòu)成的共鳴器可實現(xiàn)寬帶噪聲控制，在不改變腔體體積而提高長度的同時有利于減小共鳴器以至于整個消聲管道的厚度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可變共振頻率共鳴器的二維結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；

圖2是共鳴器不同橫截面積和偏心率的喉管對應(yīng)的聲強透射率分布圖，拋物型軌跡為透射率小于0.1的點所構(gòu)成；

圖3是共鳴器共振頻率與喉管橫截面積、偏心率關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明寬帶消聲管道的二維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明寬帶消聲管道數(shù)值仿真的聲傳輸損失圖。

具體實施方式

如圖1和圖4所示，本發(fā)明的一種基于可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器的寬帶消聲管道，包括平行設(shè)置的主體管道1上表面和下表面，上下表面各安裝有六個沿主體管道1對稱分布的尺寸固定的腔體3，相鄰腔體3的間距為1.7mm，每個腔體3與主體管道1之間設(shè)有一對固體擋板2，兩個固體擋板2之間形成位置、橫截面可變的喉管4，喉管4偏心率和橫截面積的改變通過左右移動固體擋板2來實現(xiàn)。

在本發(fā)明中，所述腔體3和喉管4構(gòu)成經(jīng)典的Helmholtz共鳴器，但共振頻率由喉管4的偏心率、截面積確定，共振頻率其中V,l,S為腔體3體積、喉管4高度、喉管4截面積，δ為喉管4分別相對于腔體3和管道端的末端修正長度之和。

當腔體3和喉管4均為矩形且喉管4位于腔體3表面的幾何中心，S＝2a₁*2b₁為喉管4截面積，a₁,b₁,a,b分別對應(yīng)喉管4和腔體3的半長寬尺寸，v_mn為考慮到管中聲波的高階模式時所對應(yīng)的不同模式的系數(shù)，v₀₀＝0,v_mn＝1，對于本發(fā)明內(nèi)容中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取2a＝83.3,2b＝10,2a₁＝10,2b₁＝10mm，并考慮到m＝n＝10情形，計算所得的δ/a₁＝0.8206，此時與只考慮m＝n＝0平面波形式時δ/a₁＝0.85相接近。

在本發(fā)明中，腔體3與喉管4截面均也可以為圓形情形，末端修正寫為a,a₁為腔體3與喉管4的直徑，J_m為m階Bessel函數(shù)，α_mn為(m,n)次高階波對應(yīng)的波矢量，t喉管4的為幾何中心偏離腔體3幾何中心的尺寸。

在本發(fā)明中，主體管道1的高度為50mm，長度約為700mm。上下包含12個對稱腔體3，相鄰腔體3之間的間隔距離為1.7mm，腔體3尺寸的長高分別為83.3mm和12mm，喉管4高度為2mm,橫截面長度與偏離腔體3中心位置的距離從左上至右下以從左往右順序分別為：2、2、4、4、6、6、8、16、16、14、24、40mm和20、2、12、12、16、-6、12、18、-14、-6、-10、-14mm，向右偏離為正，向左偏離為負。管道及腔體3壁面聲阻抗應(yīng)遠大于背景媒質(zhì)且至少為背景媒質(zhì)聲阻抗的100倍這里所選用的材料為金屬或有機塑料。

對于上述每一組喉管4與腔體3的結(jié)構(gòu)參數(shù)值可得到位于共振頻率附近的窄帶共振峰，當把不同參數(shù)值的Helmholtz級聯(lián)時除了將共振峰的疊加外還需考慮不同共鳴器之間的相互耦合，數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)級聯(lián)后的作用頻率寬度大于不同結(jié)構(gòu)共振峰的疊加，顯然這對于隔聲濾波是有益的。

如圖1是本發(fā)明共鳴器的二維結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖及其參數(shù)，為了簡化考慮，對于三維情形的Helmholtz共鳴器腔體3可采用二維結(jié)構(gòu)在垂直于二維平面拉伸一定距離來代替，要求是拉伸距離應(yīng)小于半波長。

圖2是不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二維共鳴器對應(yīng)的聲強透射率分布圖。對于某一固定的共振頻率可通過不同的喉管4截面積與偏心距離來實現(xiàn)。圖中橫坐標為橫截面積S，縱坐標為偏心距離t，“拋物線”形軌跡為對應(yīng)某一頻率選取聲強透射率小于0.1的點所得的軌跡。

圖3是在一定頻率范圍內(nèi)選取聲強透射率小于0.1的點繪制共鳴器共振頻率與喉管4截面積、偏心距離的關(guān)系曲線。

圖4所示為本發(fā)明寬帶消聲管道的二維結(jié)構(gòu)示意圖。當已知共鳴器的共振頻率與腔體3及喉管4的結(jié)構(gòu)參數(shù)曲線時，選取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)所對應(yīng)的共鳴器并將其級聯(lián)在管道的兩端，具體參數(shù)值如上述所示。

圖5為仿真實驗所得的聲傳輸損失圖。仿真結(jié)果對應(yīng)的作用頻率范圍為700Hz—1600Hz，在此范圍內(nèi)聲傳輸損失均大于20dB，而最大的聲傳輸損失甚至大于100dB。

實施例：如圖4和圖5所示，本發(fā)明的一種利用可調(diào)共振頻率的Helmholtz共鳴器實現(xiàn)寬帶消聲管道，在上下表面分別對稱的安裝有結(jié)構(gòu)尺寸相同的腔體3和偏心率、橫截面積不同的喉管4，喉管4偏心率和橫截面積的改變通過左右移動固體擋板2來實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上級聯(lián)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)共鳴器，一個主體管道1上下表面對稱的分布6個相同尺寸的腔體3，共12個不同共振頻率的共鳴器。主體管道1的長度約為700mm，高度為50mm，腔體3的長高分別為：83.3mm、12mm，喉管4高度為2mm，橫截面長度與偏離腔體3中心位置的距離從左上至右下以從左往右順序分別為：2、2、4、4、6、6、8、16、16、14、24、40mm和20、2、12、12、16、-6、12、18、-14、-6、-10、-14mm。以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的共鳴器對應(yīng)的共振頻率分別為：850、920、950、1000、1050、1110、1130、1200、1250、1300、1400、1500Hz。如圖5顯示了該實施例消聲管道數(shù)值仿真與實驗的聲傳輸損失，實驗點和仿真曲線基本吻合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。