一种基于仿生学的高效自适应片式消声器

本发明属于片式消声器消声，涉及一种基于仿生学的高效自适应片式消声器。

背景技术：

1、片式消声器广泛应用于空调、冷却塔等具有转动设备的噪声控制领域，它既允许气流顺利通过又能有效阻止或减弱声能向外传播，它在消声管道中设置一系列的吸声片，将消声通道分为若干个并联的小通道。设计消声器时要综合考虑消声性能、空气动力性能、气流再生噪声影响以及结构性能四个方面。

2、片式消声片的片距和片厚是影响消声性能的重要参数，如果参数设计不合理，不但影响消声器的消声性能，而且产生的气流再生噪声会过大，此时消声器不能发挥预期消声作用，相反还可能成为新的噪声源。其次，片式消声器的消声性能和空气动力性能相互制约，若设备对通风量要求较高，就得增加消声片的间距，但是这会降低消声量。最后，安装消声器后会对设备的检修、操作、监控造成不便。

3、本发明目的在于解决上述片式消声器现存问题。有相关研究表明，长耳鸮，座头鲸等生物均具有凹凸前缘仿生结构，它们能够在水中或空气中寂静游动或飞行来进行捕食，这种结构不仅具有良好的空气动力性能，而且具有显著的降噪效果。fish与battle两位研究者根据一只已亡座头鲸的鳍肢首次绘制了鳍肢上各个横截面的分布情况，其前缘波动的幅值分布为0.25～012c，波长分布为0.1c～0.5c(c为鳍肢弦长)。基于座头鲸前缘凹凸仿生结构及其幅值、波长的尺寸分布，本发明设计了一种基于座头鲸前缘结构的仿生消声器。这种消声器凹凸前缘仿生结构设计不仅减少了空气流动的阻力，提高了传统结构的吸声性能和空气动力性能，而且还能降低气流产生的气动噪声，从而有效减少了气流再生噪声对消声器的影响；其次，消声片的主体部分采用了孔板-吸声材料-空腔的复合结构设计，这种设计可以有效提高消声片的吸声系数，使其具有更高的消声性能，由于消声片吸声性能的提升，所以这种设计还扩大了消声片间距的选择范围，减小了传统消声器在消声性能和空气动力性能之间的相互制约性；最后，消声器内等间距滑轨的设计不仅有利于设备的检修、操作和监控，而且能够根据降噪和通风量要求，灵活地插入不同数量的吸声片，使消音器具有自适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种基于仿生学的、可以提升吸声性能和空气动力性能，减少气流再生噪声的自适应消声器结构。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于仿生学的高效自适应片式消声器，包括多个消声片和箱体，箱体内壁面设置有与消声片相互配合的滑轨；

4、消声片包括主体结构和多个前缘仿生结构；

5、主体结构为长方体结构，包括三个相互平行的孔板，每两个孔板间形成一个空腔，其中一个空腔中填充有吸声材料；通过孔板、空腔和吸声材料组合的方式改善消声片主体结构；

6、前缘仿生结构固定在主体结构的前端，其为基于座头鲸鳍肢前缘结构的仿生结构；多个前缘仿生结构结构连续排布在主体结构的前端，其为由孔板包裹吸声材料组成，实现与主体结构的连通。

7、所述的前缘仿生结构的周期为消声片深度的0.1c～0.5，振幅为消声片深度的0.25～012。

8、所述的主体结构中孔板的孔径为35-50mm，前缘仿生结构上孔板的孔径为20-35mm。

9、所述的滑轨等间距分布在箱体内壁的上下方，每个滑轨的末端都有限位结构。

10、本发明基于座头鲸鳍肢前缘结构，在消声片前缘增加前缘仿生结构，该结构由孔板覆盖吸声材料组成，当气流经过凹凸前缘结构时，相比于传统消声器劈尖前缘结构，其展向方向(即垂直于消声片方向)具有更加明显的正方向速度分量，前缘仿生结构的凹凸结构带来的流动沿展向方向的不一致性可能诱导出流向涡量，这加剧了流向涡的产生，而流向涡可以增强边界层内的动量和能量交换，控制边界层的分离，可以提高其气动性能，外边界层分离被有效抑制后，减小了主体结构的表面压力脉动，尾缘涡量的减弱程度更显著，使得尾迹涡量波动不强烈，从而限制翼型尾缘处的大涡脱落，这使得仿生前缘结构能够有效降低气动噪声的产生。通过模拟实例可以看出，超过4000hz时，气流通过仿生结构时产生的气动噪声明显低于普通结构，并且这种仿生结构产生的总气动噪声较普通结构更低。此外，由于该结构覆盖的孔板具有20-35mm的孔径，较主体部分孔板孔径更小，小孔呈现高频共振峰，所以该结构更有利于吸收高频声波，同时小孔径孔板的空气阻力更低，最后，这种前缘结构的表面积相较于传统劈尖前缘结构的表面积更大，这使得声波与消声片的接触面积增加，从而更有利于提高消声片的吸声性能。

11、消声片的主体结构主要由孔板、吸声材料、空腔组成。图3(b)为图1(c)中消声片主体结构a-a剖面结构示意图，其中孔板的孔径为35-50mm，较前缘结构孔板的孔径更大，大孔径有利于对低频波的吸收，前缘结构和主体部分两种不同孔径的孔板组合后，发挥了各自的优势，提升了消声片整体的吸声性能，空腔代替了原有的吸声材料，一方面声波在空腔内部会发生多次反射、折射和散射，导致声能在空腔内部被多次传播和吸收，另一方面当外部环境中的声波频率接近或与空腔的共振频率时，空腔会对这些频率的声波产生共振增益效应，从而增强对共振频率声波的吸收。通过计算实例可以看出，这种设计有效地提高了吸声系数，与传统结构相比不仅提高了消声性能，还节省了吸声材料的使用。

12、消声器内壁滑轨的设计如图4所示，消声器内壁添加滑轨结构，滑轨21等间距分布在消声器内壁的上下方，设计者可以根据降噪和通风要求，灵活地插入不同数量的吸声片，每个滑轨的末端都有限位结构22，以确保消声片可以被准确地定位，这样可以在一个消声器箱体内制作出不同结构的消声片。这种结构也便于吸声板的拆卸，有利于设备的检修、操作和监控。

13、此外，由于消声片吸声性能优于传统结构，所以在选择消声片间距时可以考虑更大的范围。相较于传统消声器，本发明的消声器增大了消声器流通面积，不仅减少了对设备通风的影响，而且仍然能够实现原有的降噪目标。

14、本发明的有益效果：

15、(1)前缘仿生结构减少了流动阻力，降低气流产生的气动噪声，从而减少了气流再生噪声对消声器的影响。同时这种结构增大了声波与消声片的接触面积，使其吸声性能优于传统消声器。此外，与主体部分的孔板孔径不一致性还拓宽了吸声的频带范围。

16、(2)主体部分的复合设计有效地提高了吸声效果。与传统结构相比，不仅提高了吸声性能，还节省了吸声材料的使用，具有显著的经济和环境效益。

17、(3)消声器内壁滑轨的设计允许吸声板以不同的间距插入，这种设计使得一个消声器壳体可以制作为不同结构的消声器，提高了生产和使用的灵活性。同时，消声片的可拆卸性也提高了设备的检修、操作和监视效率。

18、(4)由于消声片结构提高了消声片的吸声性能，所以在设计消声器时，减小了传统消声器消声性能和空气动力性能的相互制约，使得消声器片距的选则更加灵活。

技术特征：

1.一种基于仿生学的高效自适应片式消声器，其特征在于，基于仿生学的高效自适应片式消声器包括多个消声片和箱体，箱体内壁面设置有与消声片相互配合的滑轨；

2.根据权利要求1所述的基于仿生学的高效自适应片式消声器，其特征在于，所述的前缘仿生结构的周期为消声片深度的0.1c～0.5，振幅为消声片深度的0.25～012。

3.根据权利要求1所述的基于仿生学的高效自适应片式消声器，其特征在于，所述的主体结构中孔板的孔径为35-50mm，前缘仿生结构上孔板的孔径为20-35mm。

4.根据权利要求1所述的基于仿生学的高效自适应片式消声器，其特征在于，所述的滑轨等间距分布在箱体内壁的上下方，每个滑轨的末端都有限位结构。

技术总结本发明属于片式消声器降噪技术领域，公开了一种基于仿生学的高效自适应片式消声器，包括多个消声片和箱体，箱体内壁面设置有与消声片相互配合的滑轨；消声片包括主体结构和多个仿生结构；主体结构为长方体结构，包括三个相互平行的孔板，每两个孔板间形成一个空腔，其中一个空腔中填充有吸声材料；仿生结构固定在主体结构的前端，其为基于座头鲸鳍肢前缘结构的仿生结构。前缘仿生结构减少了流动阻力，降低气流产生的气动噪声，从而减少了气流再生噪声对消声器的影响。同时这种结构增大了声波与消声片的接触面积，使其吸声性能优于传统消声器。此外，前缘结构与主体部分的孔板孔径不一致性还拓宽了吸声的频带范围。技术研发人员：朱晓静,秦妍,张烇受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11