阅读说明：本技术 一种亥姆霍兹共振器及其工作方法 (Helmholtz resonator and working method thereof ) 是由 赵丹 潘伟宸 徐啸 梅港伟 吴维维 陆拯礼 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种亥姆霍兹共振器,包括：进气管道、主共振腔、第一颈部短管、第二颈部短管、调频控制模块、孔径调节组件；孔径调节组件设置于主共振腔中部与主共振腔同轴连接,将主共振腔分割为第一共振腔、第二共振腔；第一颈部短管的一端与进气管道连通,另一端与第一共振腔连通；第二颈部短管的一端与进气管道连通,另一端与第二共振腔连通；调频控制模块输入端与进气管道的管壁连接与其内部连通,输出端与孔径调节组件连接,调频控制模块用于采集进气管道中气体频率,并基于采集的气体频率调节孔径调节组件的孔径。本发明通过使用两个耦合共振腔的共用孔径调节组件进行孔径调节的结构,既能增加共振峰的数量,还能拓宽消声频带。(The invention discloses a Helmholtz resonator, which comprises: the device comprises an air inlet pipeline, a main resonant cavity, a first neck short pipe, a second neck short pipe, a frequency modulation control module and an aperture adjusting assembly; the aperture adjusting component is arranged in the middle of the main resonant cavity and is coaxially connected with the main resonant cavity, and the main resonant cavity is divided into a first resonant cavity and a second resonant cavity; one end of the first neck short pipe is communicated with the air inlet pipeline, and the other end of the first neck short pipe is communicated with the first resonant cavity; one end of the second neck short pipe is communicated with the air inlet pipeline, and the other end of the second neck short pipe is communicated with the second resonant cavity; the input end of the frequency modulation control module is connected with the pipe wall of the gas inlet pipeline and communicated with the inside of the gas inlet pipeline, the output end of the frequency modulation control module is connected with the aperture adjusting assembly, and the frequency modulation control module is used for collecting the gas frequency in the gas inlet pipeline and adjusting the aperture of the aperture adjusting assembly based on the collected gas frequency. According to the invention, through the structure that the common aperture adjusting components of the two coupling resonant cavities are used for adjusting the aperture, the number of resonance peaks can be increased, and the noise elimination frequency band can be widened.)

一种亥姆霍兹共振器及其工作方法

技术领域

本发明涉及亥姆霍兹共振器技术领域，具体涉及一种用于拓频调频的耦合的亥姆霍兹共振器及其工作方法。

背景技术

亥姆霍兹共振器因其结构简单，消声量高而被广泛应用，尽管如此，它还是存在着很多劣势。首先，一般来说只有单个共振腔的亥姆霍兹共振器只能有一个共振峰，有一定局限性，也不能满足更宽频带的消声，所以将多个共振腔组合起来就有可能是一种获得较宽的消声频带的方法，所以为了拓宽阻尼频率的范围，通常会采用多个亥姆霍兹共振腔。其次，对于两个共振腔在共用侧壁下耦合的亥姆霍兹共振器虽然能形成两个共振峰，但仍然是两个固有频率，不能进行灵活调节。最后，噪声气流在亥姆霍兹共振器中主要是通过颈部流入到腔内并且在腔内进行声能耗散，通常情况下，我们也可在共振器颈部进行颈部直径大小调节来改变消声频率，但是在共振器颈部调节直径大小既不能拓宽消声频带，也不能在一定范围将共振频率调到最优。

发明内容

本发明提供了一种亥姆霍兹共振器以及工作方法，以解决现有技术不能拓宽消声频带的技术问题。

本发明提供了一种亥姆霍兹共振器，包括：进气管道、主共振腔、第一颈部短管、第二颈部短管、调频控制模块、孔径调节组件；所述孔径调节组件设置于所述主共振腔中部与所述主共振腔同轴连接，将主共振腔分割为第一共振腔、第二共振腔；所述第一颈部短管的一端与所述进气管道连通，另一端与所述第一共振腔连通；所述第二颈部短管的一端与所述进气管道连通，另一端与所述第二共振腔连通；所述调频控制模块输入端与所述进气管道的管壁连接与其内部连通，输出端与所述孔径调节组件连接，所述调频控制模块用于采集所述进气管道中气体频率，并基于采集的气体频率调节所述孔径调节组件的孔径。

进一步地，所述孔径调节组件为光圈阀；所述调频控制模块包括依次信号连接的压力传感器、信号处理器、步进电机控制器、步进电机；所述压力传感器设置于所述进气管道的内壁上，作为所述调频控制模块的输入端；所述步进电机的输出轴与所述光圈阀连接。

进一步地，所述第一颈部短管的长度与所述第二颈部短管的长度相等。

进一步地，所述第一颈部短管的管内径与所述第二颈部短管的管内径相等。

本发明还提供了一种亥姆霍兹共振器的工作方法，具体步骤如下：

步骤1：压力传感器采集进气管道内噪音气流压力值，形成压力波信号，并将压力波信号发送给信号处理器；

步骤2：信号处理器将压力波信号转化成频域脉冲信号，并将频域脉冲信号发送给步进电机控制器；

步骤3：步进电机控制器根据频域脉冲信号控制步进电机正反转，步进电机带动光圈阀开合完成消声频带调整。

进一步地，所示步骤1中压力传感器以1024Hz采样频率对进气管道内噪音气流压力值，形成压力波信号。

进一步地，所述步骤2中信号处理器将压力波信号转化成频域脉冲信号的具体步骤如下：

步骤21：将步骤1中获取的压力波信号进行傅里叶变换，形成频域信号；

步骤22：在所述频域信号中提取主要噪声频率，形成频域脉冲信号。

进一步地，所述步骤3中步进电机控制器根据频域脉冲信号控制步进电机正反转的具体方法为：

当当前频域脉冲信号的脉冲个数大于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，步进电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制步进电机正转；

当当前频域脉冲信号的脉冲个数小于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，步进电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制步进电机反转。

进一步地，所述步骤3中步进电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制步进电机公式为：

C＝0.25*(B_n-B_n-1)

其中，C是光圈阀的变化孔径；B_n是当前频域脉冲信号的脉冲个数；B_n-1是前次频域脉冲信号的脉冲个数；0.25是最小变化孔径；当C为负数时，步进电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制步进电机反转；当C为正数时，步进电机控制器根据频域脉冲信号的变化控制步进电机正转。

本发明的有益效果：

本发明通过使用两个耦合共振腔的共用孔径调节组件进行孔径调节的结构，既能增加共振峰的数量，还能拓宽消声频带。

本发明通过信号处理器对压力波信号进行采集并处理成频域脉冲信号，并将频域脉冲信号导入步进电机控制器，步进电机控制器根据设定的公式得出与噪声频率所对应的共振频率所需步进电机的转动方向和角度，最后通过步进电机动力输出端调节孔径调节组件中的光圈阀的孔径大小，这样就更能在一定范围内调节共振频率，从而提高消声性能。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为压力传感器密封安装位置的局部图；

图3为光圈阀固定组件局部图；

图4为光圈阀的结构图；

图5在没有平均流时，各个孔径与其所对应的的共振频率的线性变化图；

图6当光圈阀孔径为1cm时，四种不同流速随着强制频率变化的传递损失图；

图7当光圈阀孔径为2cm时，四种不同流速随着强制频率变化的传递损失图；

图8当光圈阀孔径为3cm时，四种不同流速随着强制频率变化的传递损失图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明实施例提供一种亥姆霍兹共振器，包括：进气管道1、主共振腔、第一颈部短管2、第二颈部短管3、调频控制模块、孔径调节组件；主共振腔包括一端敞口的第一共振腔4、第一法兰盘6、一端敞口的第二共振腔5、第二法兰盘7；孔径调节组件包括法兰组件、光圈阀10，法兰组件包括第三法兰盘8、第四法兰盘9，光圈阀10包括阀门控制齿轮101、阀门叶片102以及阀体103；第一共振腔4敞口端与第一法兰盘6密封连接，第三法兰盘8的两端分别与第一法兰盘6一端、光圈阀10的一端口同轴密封连接，光圈阀10的另一端与第四法兰盘9的一端同轴密封连接，第二法兰盘7的两端分别与第四法兰盘9、第二共振腔5敞口端密封连接，第一共振腔4、第二共振腔5之间通过光圈阀10连通；第一颈部短管2一端与进气管道1连通，另一端与第一共振腔4连通；第二颈部短管3一端与进气管道1连通，另一端与第二共振腔5连通；声波进入进气管道1后，通过第一颈部短管2进入第一共振腔4进行降噪，通过第二颈部短管3进入第二共振腔5进行降噪，还可以通过光圈阀10在第一共振腔4和第二共振腔5之间进行降噪；调频控制模块包括依次信号连接的压力传感器11、信号处理器12、步进电机控制器13、步进电机14；压力传感器11通过两个O型密封圈密111封设置于进气管道1上游的内壁上，作为调频控制模块的输入端；步进电机14的输出齿轮与光圈阀10的阀门控制齿轮101啮合，阀门叶片102的外圈设有从动齿，阀门控制齿轮101与从动齿啮合，控制阀门叶片102开合度。

本发明亥姆霍兹共振器的工作方法，具体步骤如下：

步骤1：当噪声气流进入进气管道1时，处于进气管道1上游的压力传感器11以1024Hz采样频率对噪声气流的压力值进行采样，形成压力波信号，并将压力波信号发送给信号处理器12；

步骤2：将步骤1中获取的压力波信号进行傅里叶变换，形成频域信号；

步骤21：将步骤1中获取的压力波信号进行傅里叶变换，形成频域信号，在频域信号中提取主要噪声频率，形成频域脉冲信号。以采样频率对噪声气流的压力值进行采样，每采样一次就是一组频域脉冲信号，每组频域脉冲信号都是由数个脉冲组成的，脉冲个数与噪声频率相对应。

步骤3：步进电机控制器13根据频域脉冲信号控制步进电机14正反转，具体可以通过如下公式进行控制：

C＝0.25*(B_n-B_n-1)

其中，C是光圈阀10的变化孔径；B_n是当前频域脉冲信号的脉冲个数；B_n-1是前次频域脉冲信号的脉冲个数；0.25是最小变化孔径；当C为负数时，即当当前频域脉冲信号的脉冲个数小于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，步进电机控制器13根据频域脉冲信号的变化控制步进电机14反转；当C为正数时，当当前频域脉冲信号的脉冲个数大于前次频域脉冲信号的脉冲个数时，步进电机控制器13根据频域脉冲信号的变化控制步进电机14正转，此时光圈阀10的孔径为：

C_n＝C_n-1+0.25*(B_n-B_n-1)

其中，C_n是需要的光圈阀10孔径；C_n-1是前次光圈阀10孔径；B_n是当前频域脉冲信号的脉冲个数；B_n-1是前次频域脉冲信号的脉冲个数；0.25是最小变化孔径。频域脉冲信号中的脉冲个数反应了噪声频率的高低，通过前后两次获取的频域脉冲信号的脉冲个数的差值，判断噪声频率是上升还是下降，来获知是在原有的孔径基础上增加孔径还是减小孔径，差值还可以反应光圈阀10孔径需要的变化量，并通过计算获取需要的光圈阀10孔径。

最后，步进电机14带动光圈阀10开合完成消声频带调整。

如图5-8所示，此时进气管道1直径为12cm，长度为118.5cm，第一颈部短管2和第二颈部短管3尺寸相同，直径为5cm，高度为8cm，第一共振腔4长度为31.8cm，第二共振腔5长度为51.4cm，两个共振腔直径皆为7.4cm。

中低频段的范围为150Hz-500Hz之间，在此频带内都有消声效果，但是对应噪声主要频率有一定的范围，在0Ma下当光圈阀10孔径分别为0cm、1cm、2cm、3cm以及孔全开时，对应的第一共振腔4的共振频率依次为233Hz、238Hz、242Hz、246Hz、263Hz，第一共振腔4和第二共振腔5的共振频率根据光圈阀10孔径的大小是一一对应的，即以噪声频率为233Hz为基准，当噪声频率数在150Hz-233Hz的时候光圈阀10孔径为全闭状态，此时消声效果为最佳状态，当噪声频率大于233Hz且小于263Hz时，光圈阀10的孔径与噪声频率成如下公式的线性关系。

图6，图7和图8分别代表光圈阀10孔径为1cm，2cm和3cm，四种马赫数0，0.03，0.07和0.1时，随着强制频率变化的传递损失图。从图6，图7和图8可以看出，随着马赫数的增大，图中两个最为主要的共振频率变化不大，尤其是图7在0，0.03，0.07和0.1马赫数下，第二个共振频率分别为380Hz，380Hz，380Hz，380Hz，所以在正常流速变化的影响下，共振频率变化不大。结合图5，在孔径为0cm，1cm，2cm，3cm，7.4cm时，共振频率以此为233Hz，238Hz，242Hz，246Hz，263Hz，还有从图6中也可以明显发现，在0.1Ma下出现了三个及以上的共振峰，增加共振峰的数量，所以在增加光圈阀10进行穿孔处理后，随着孔径增大，不但共振频率依次递增，而且消声频带也随之被拓宽。因此,可以在一定范围内根据孔径大小的调节来消除主要噪声，从而达到消声效果最佳的目的，这样既能拓宽消声频带，更能在一定范围内调节共振频率。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。