一种可拆卸的超构材料消声器
阅读说明：本技术 一种可拆卸的超构材料消声器 (Detachable super-structure material silencer ) 是由 陈龙虎 陈建栋 黄唯纯 颜学俊 钱斯文 卢明辉 钱登林 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种可拆卸的超构材料消声器,包括呈柱体设置的外壳、穿孔管、超构材料板与穿孔板,穿孔管设于外壳的中轴位置且两端从外壳的两底面穿出；外壳由若干以穿孔管为轴呈并排设置的子壳体组成,超构材料板及穿孔板平行于外壳的底面设置,且套设于相邻的两个子壳体之间的穿孔管上,超构材料板及穿孔板与相邻的两个子壳体之间可拆卸的连接；外壳的上下底面之间设有若干通过竖隔板隔开的主谐振系统,每个主谐振系统之间的穿孔管上设有若干穿孔,本消声器方便拆卸,容易更换超构材料板,且采用超构材料板的形式将亥姆霍兹消声器的单频消声能力附加于消声器的背腔中,具有多个消声峰值的消声效果。(The invention provides a detachable super-structure material silencer, which comprises a shell, a perforated pipe, a super-structure material plate and a perforated plate, wherein the shell, the perforated pipe, the super-structure material plate and the perforated plate are arranged in a cylinder shape; the shell consists of a plurality of sub-shells which are arranged side by taking the perforated pipe as an axis, the metamaterial plate and the perforated plate are arranged in parallel to the bottom surface of the shell and sleeved on the perforated pipe between two adjacent sub-shells, and the metamaterial plate and the perforated plate are detachably connected with the two adjacent sub-shells; be equipped with a plurality of main resonance systems that separate through erecting the baffle between the upper and lower bottom surface of shell, be equipped with a plurality of perforation on the perforated pipe between every main resonance system, this silencer is convenient to be dismantled, changes the metamaterial plate easily, and adopts the form of metamaterial plate to attach the single-frequency noise-abatement ability of helmholtz silencer in the back of the body chamber of silencer, has the noise cancelling effect of a plurality of noise elimination peak values.)
技术领域
本发明涉及消声处理技术领域，具体涉及一种可拆卸的超构材料消声器。
背景技术
随着工业的发展和社会的进步，人们对周边生活环境的要求越来越高，噪声是当今世界三大污染之一，针对管道噪声有效的控制降噪迫在眉睫，传统的低频消声器有亥姆霍兹消声器、微穿孔管消声器、四分之一波长管等，但由于占用空间和加工工艺、噪声频谱特性、以及长时间使用后由于粉尘等污染导致消声效果下降，消声器要就行拆卸清洗，以满足正常的消声需求。
其次，对于传统的亥姆霍兹消声器，消声频带单一，在处理复合谱噪声时需要多个亥姆霍兹消声器串联在管道一侧，这样占用的空间会大大增加；对于微穿孔管消声器，消声频带宽，但在处理较低或较高单频噪声的时候比较乏力；对于传统的复合式消声器，消声量大，消声范围宽，但在长期暴露在外，很容易受到污染，并且随着时间的沉淀，机器产生的噪声频率也会发生改变，因此需要对消声器进行调频处理，同时吸音棉在长时间的使用后，也会发生老化，失去消声能力。
申请号为CN112303033A的发明专利公开了一种小长径比套筒式亥姆霍兹共振消音器，其消音器外壳体和穿孔管之间设有间隙形成环形密闭空腔，从消音器进气口至消音器出口方向，在密闭空腔内沿轴向方向通过隔板分隔成4个环形共振腔室，自左至右依顺为第一共振腔室，第二共振腔室，第三共振腔室，第四共振腔室；隔板与穿孔管以及消音器外壳体焊接，穿孔管与各环形共振腔室对应的管壁上开有消声通孔，能有效抑制高速叶轮产生的宽频噪声，但是本消音器采用一体式固定外壳，不易拆卸清洗。
发明内容
本发明的目的是提供一种可拆卸的超构材料消声器，具有低频宽带消声效果，拆卸更换超构材料板方便、易清洁，消声范围广、消声量大、可以处理较复杂的复合谱噪声。
本发明提供了如下的技术方案：
一种可拆卸的超构材料消声器，包括呈柱体设置的外壳、呈中空设置的穿孔管、超构材料板与穿孔板，所述穿孔管设于所述外壳的中轴位置且两端从所述外壳的两底面穿出；
所述外壳由若干以所述穿孔管为轴呈并排设置的子壳体组成，所述超构材料板及所述穿孔板平行于所述外壳的底面设置，且分别套设于相邻的两个子壳体之间的穿孔管上，所述超构材料板及所述穿孔板与相邻的两个所述子壳体之间可拆卸的连接；
所述外壳的上下底面之间设有若干通过竖隔板隔开的主谐振系统，每个主谐振系统之间的穿孔管上设有若干穿孔；所述主谐振系统包括沿着所述穿孔管依次设置的若干第一主谐振系统与1个第二主谐振系统，所述第一主谐振系统包括由两个所述超构材料板分割的若干次级谐振腔，所述第二主谐振系统通过所述穿孔板划分腔室。
优选的，所述超构材料板上设有呈轴向圆周阵列的颈管，每个所述第一主谐振系统中的两个超构材料板上的颈管相背设置，所述外壳的底面内壁以及所述竖隔板的两侧壁上均设有环形隔板，所述环形隔板设于所述颈管的每个圆周阵列之间，将每个所述次级谐振系统划分为若干亥姆霍兹消声器共振单元，所述亥姆霍兹消声器共振单元的腔室为环形腔室。
优选的，所述颈管所在的环形腔室沿着穿孔管与外壳方向由内至外逐渐增大。
优选的，所述外壳内壁与所述超构材料板之间、所述外壳与所述穿孔板之间、相邻的环形隔板之间均填设有环状三聚氰胺棉。
优选的，所述穿孔管的两端通过法兰或卡箍连接于噪声管路中。
优选的，所述外壳与所述穿孔管之间采用焊接的方式中心轴对称连接，所述外壳的端面与所述穿孔管对应端面之间的距离为10mm。
优选的，所述三聚氰胺棉胶接于所述外壳的内壁上。
优选的，所述子壳体的外壁两端套设有安装板，所述超构材料板与所述穿孔板的环形边缘位置夹设于相邻的两个所述子壳体的安装板之间，并与所述安装板之间通过匹配的螺栓与螺母固定连接。
优选的，所述子壳体的数量为六个，所述超构材料板的数量为4个，所述第一主谐振系统的数量为2个。
优选的，所述颈管每个圆周阵列数量为10个，共包括4个圆周阵列。
本发明的有益效果是：
(1)本消音器采用子壳体与超构材料板间隔设置并可拆卸连接的方式，使得消音器方便拆卸，很容易更换超构材料板，清洗腔体，保障了消声器的耐用性和实用性；
(2)可拆卸的超构材料板，可根据噪声频率特性按需设计，替换符合噪声频率的需求的超构材料板即可，满足消声要求；
(3)采用超构材料板的形式将亥姆霍兹消声器的单频消声能力附加于消声器的背腔中，具有多个消声峰值的消声效果，具有低频宽带的消声效果，在250Hz-1715Hz频率范围内消声量均达到了40dB，可以处理较复杂的复合谱噪声。
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是本发明结构示意图；
图2是本发明主谐振系统剖视图；
图3是本发明超构材料板示意图；
图4是本发明三聚氰胺棉结构示意图；
图5是本发明实施例三中第一个第一主谐振系统的传递损失曲线图；
图6是本发明实施例三中第二个第一主谐振系统的传递损失曲线图；
图7是本发明实施例三中第二主谐振系统的传递损失曲线图；
图8是本发明消声器的传递损失曲线图；
图中标记为：1.外壳；2.穿孔管；3.超构材料板；4.穿孔板；5.第一主谐振系统；6.第二主谐振系统；7.颈管；8.安装板；9.竖隔板；10.环形隔板；11.三聚氰胺棉。
具体实施方式
实施例一
如图1-图3所示，一种可拆卸的超构材料消声器，包括呈柱体设置的外壳1、呈中空设置的穿孔管2、超构材料板3与穿孔板4，穿孔管2设于外壳1的中轴位置且两端从外壳1的两底面穿出，其中，外壳1与穿孔管2之间采用焊接的方式中心轴对称连接，外壳1的端面与穿孔管2对应端面之间的距离为10mm。
外壳1由若干以穿孔管2为轴呈并排设置的子壳体组成，超构材料板3及穿孔板4平行于外壳1的底面设置，且分别套设于相邻的两个子壳体之间的穿孔管2上，超构材料板3及穿孔板4与相邻的两个子壳体之间可拆卸的连接。
具体的，子壳体的外壁两端套设有安装板8，超构材料板3与穿孔板4的环形边缘位置夹设于相邻的两个子壳体的安装板8之间，并与安装板8之间通过匹配的螺栓与螺母固定连接，本消音器采用子壳体与超构材料板3间隔设置并可拆卸连接的方式，使得螺栓螺母连接，方便拆卸，很容易更换超构材料板3，清洗腔体，保障了消声器的耐用性和实用性，同时，可拆卸的超构材料板3，可根据噪声频率特性按需设计，替换符合噪声频率的需求的超构材料板3即可，满足消声要求。
外壳1的上下底面之间设有若干通过竖隔板9隔开的主谐振系统，每个主谐振系统之间的穿孔管2上设有若干穿孔，声波透过穿孔管2上的穿孔进入主谐振系统里。
主谐振系统包括沿着穿孔管2依次设置的若干第一主谐振系统5与1个第二主谐振系统6。
其中，第一主谐振系统5包括由两个超构材料板3分割的若干次级谐振腔，超构材料板3上设有呈轴向圆周阵列的颈管7，每个第一主谐振系统5中的两个超构材料板3上的颈管7相背设置，外壳1的底面内壁以及竖隔板9的两侧壁上均设有环形隔板10，环形隔板10设于颈管7的每个圆周阵列之间，将每个次级谐振系统划分为若干亥姆霍兹消声器共振单元，将主腔室的消声峰值进一步地分割，形成多自由度的消声效果；其中，亥姆霍兹消声器共振单元的腔室为环形腔室，颈管7所在的环形腔室沿着穿孔管2与外壳1方向由内至外逐渐增大，颈管7越深，亥姆霍兹消声器共振单元的消声频率就越低，拓宽低频消声范围。
第二主谐振系统6通过穿孔板4划分腔室，形成双局域共振效果，该谐振系统提供了第一主谐振系统5缺失的两个消声峰值，最终形成低频宽带高效的消声效果。
实施例二
如图1-图4所示，相比于实施例一，本实施例在外壳1内壁与超构材料板3之间、外壳1与穿孔板4之间、相邻的环形隔板10之间均填设有环状三聚氰胺棉11，三聚氰胺棉11为多孔材料，其中，三聚氰胺棉11胶接于外壳1的内壁上，既提升消声器的消声性能，又防止污染了管道中传播的气体。
本实施例其他部件及原理与实施例一相同。
实施例三
如图1-图4所示，相比于实施例二，本实施例子壳体的数量为六个，超构材料板3的数量为4个，从左向右以螺栓-螺母的连接方式，沿中心轴对称依次连接超构材料板、子壳体、超构材料板、子壳体、超构材料板、子壳体、超构材料板、子壳体、穿孔板4和子壳体。
本实施例中的消声器共计3个主谐振系统，其中，第一主谐振系统5的数量为2个。
颈管7每个圆周阵列数量为10个，共包括4个圆周阵列。
其中，第一主谐振系统5共有10个消声峰值，第二主谐振系统6共有2个消声峰值，第一个主系统包含两个超构材料板3分割的次级谐振系统，每个次级谐振系统包含四个亥姆霍兹消声器共振单元；
单个亥姆霍兹共振单元的腔室为环形腔室，与内腔室之间通过超构材料板3分割开，超构材料板3的颈管7深入环形腔室内，颈管7越深，亥姆霍兹消声器共振单元的消声频率就越低，拓宽低频消声范围。
单个超构材料板3具有4种不同的颈管7，颈管7深度不一致，颈管7沿轴向圆周阵列，阵列数量为10，颈管7所在的腔室由内向外逐渐增大，对应的消声频率逐渐变小。
第二主谐振系统6的穿孔率大于第一主谐振系统5，背腔采用穿孔板4划分腔室，形成双局域共振效果，该谐振系统提供了一二主谐振系统缺失的两个消声峰值，最终形成低频宽带高效的消声效果。
具体实施时，外壳1的平面与穿孔管2的左侧距离为10mm，采用焊接的方式中心轴对称连接。
采用厚度为5mm的环状三聚氰胺棉11放置于外壳1与超构材料板3件，填充于谐振腔内，胶结与外壳1一侧，共计17个、5类环状多孔材料，三聚氰胺棉11还镶嵌于外壳1与穿孔板4之间，紧贴外壳1放置，组成了超构材料消声器。
其中，穿孔管2两侧的声阻抗ξ为：
其中，k0为波数，tω为穿孔深度，dh为穿孔直径，φ为穿孔率，j为虚部。
亥姆霍兹消声器共振单元的声阻抗为：
其中，A为环形腔室表面积，其计算公式为：A＝π(rA-rB)2，rA、rB分别为环形腔室外径与内径；Sa为圆孔的面积，其计算公式为：da为圆孔的孔径；ρcc、ccc及kcc分别表示亥姆霍兹腔内空气的密度、声速以及波数；kca、Ψva及Ψha分别表示颈管7在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，δi为声质量末端修正系数，其计算公式为δi＝[1+(1-1.25ε)]·(4/3π)da，其中，da为圆孔的孔径，ε为环面的穿孔率；γ表示空气的比热容，ω表示角频率，η表示空气的粘滞系数，ρ0表示空气自然条件下的密度，c0表示声音在外界空气中的传播速度。
超构材料板3的整体声阻抗Z满足：
其中，ZHHn表示亥姆霍兹消声器共振单元的声阻抗，n为亥姆霍兹消声器共振单元的数量。
消声器的穿孔管2的进出口采用法兰或卡箍连接于噪声管路中，便可有效地消除管道中传播的噪声，降低出口处噪声的响度。
通过图5-8可以看出，通过实验对消声器进行仿真计算结果显示：消声器在250Hz-1715Hz频率范围内消声量均达到了40dB，实现了低频宽带消声效果，消声量大，清洁方便，具有调频能力；多孔材料放置于外壳1与超构材料板3之间，防止污染了管道中传播的气体。
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。
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