本發(fā)明屬于低頻管道噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有能量回收功能的管道消聲裝置。

背景技術(shù)：

管道作為輸送物質(zhì)的通道和信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)、車船發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣、燃?xì)廨啓C(jī)等各個工程場合，管道噪聲成為相關(guān)系統(tǒng)噪聲控制的重要方面，比如在汽車工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，管道噪聲逐漸引起技術(shù)人員重視。隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展,汽車在給人們的出行帶來很大方便的同時(shí),其產(chǎn)生的強(qiáng)噪音卻給司乘人員帶來新的困擾。研究表明：汽車噪聲不僅影響司乘人員的乘坐舒適性，而且容易引起駕駛員和乘客精神緊張、心情煩躁、疲勞和注意力不集中等心理反應(yīng)，對人體健康造成危害的同時(shí)也為汽車的安全行駛埋下隱患。大量研究表明，乘用車內(nèi)的噪聲主要成分集中在200hz以下的低頻段，其嚴(yán)重影響汽車的乘坐舒適性，而低頻噪聲的主要來源是內(nèi)燃機(jī)的排氣噪聲，排氣噪聲中基頻噪聲則最為突出，基頻噪聲是內(nèi)燃機(jī)排氣門開啟時(shí)，缸內(nèi)高壓氣體急劇噴出，沖擊氣門附近的排氣管道使這一部分的空氣壓力產(chǎn)生巨變形成的壓力波而激發(fā)出的噪聲，因而，基頻噪聲的頻率等于每秒的排氣次數(shù)，因此，選擇合適的消聲裝置對于控制車內(nèi)的噪聲具有重要的意義。尤其對于使用柴油機(jī)的貨車和大型客車，其行駛過程中產(chǎn)生的轟鳴聲，不僅對司乘人員造成不利影響，也會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染。選擇合適的消聲裝置，不僅能降低汽車的噪聲水平，而且能夠提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，因而在節(jié)約能源的同時(shí)，也一定程度上減少了對環(huán)境的污染。

消聲器是允許氣流通過，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動力性噪聲的重要措施。目前，常用的消聲技術(shù)有三種：被動消聲、半主動消聲和主動消聲。被動消聲技術(shù)在國內(nèi)外研究均已比較成熟，主要有阻性消聲、抗性消聲和阻抗復(fù)合型消聲三種方式，其成本低廉，應(yīng)用十分廣泛。阻性消聲器對于中高頻噪聲具有良好的消聲效果，但對于低頻噪聲的消聲效果則較差；抗性消聲器為了消除低頻噪聲，造成其尺寸偏大而不利于安裝，而且，一定速度的氣流遇到管道突然擴(kuò)張或收縮時(shí)，氣流會因脫體而產(chǎn)生渦流，使氣流能量受到損失，并導(dǎo)致壓力的下降。阻抗復(fù)合型消聲器，既能消除中高頻噪聲，也能較好的控制低頻噪聲，因此具有較好的消聲效果，但是其亦難以避免抗性消聲器存在的天然不足。主動消聲技術(shù)現(xiàn)在越來越受到人們的重視，其原理是：通過引入一個次級聲源，產(chǎn)生與噪聲相位相反的聲波而使其相互抵消。大量試驗(yàn)和實(shí)踐均表明主動消聲技術(shù)具有良好的降噪效果，但是，當(dāng)管道內(nèi)的氣流具有高溫、強(qiáng)腐蝕性時(shí)，則對其暴露在氣流惡劣環(huán)境下的元件如誤差傳聲器和次級聲源造成巨大挑戰(zhàn)。而且，為了產(chǎn)生大功率低頻次級聲，次級聲源的尺寸不可避免的偏大，對其自身的安裝和應(yīng)用亦造成一定不利影響。鑒于其系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，主動消聲技術(shù)目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離其大規(guī)模的應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的路程。半主動消聲技術(shù)介于被動消聲技術(shù)和主動消聲技術(shù)之間，主要基于阻抗控制機(jī)理而設(shè)計(jì)的，通過改變消聲器的結(jié)構(gòu)，使聲波之間發(fā)生相消性干涉，從而達(dá)到消聲的目的。半主動消聲技術(shù)不再引入次級聲源，成本相對較低，通過對結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化升級，能夠取得良好的降噪效果，其將具有很高的實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)有的《充液管道低頻鼓式主被動復(fù)合消聲系統(tǒng)》(專利號：cnio6090521a)采用主動控制方法改變薄膜結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)波反射能力。這種控制方法畢竟需要在原有系統(tǒng)中增加次級力源、控制器和誤差傳感器等電子器件，進(jìn)而使系統(tǒng)變得昂貴，并且存在穩(wěn)定性和需要定期專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)等潛在問題。

作為重要的無源管道噪聲控制技術(shù)，傳統(tǒng)的阻性/抗性消聲裝置存在諸多不足，如消聲頻帶較窄、低頻消聲效果較差、尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及存在通流損失等?，F(xiàn)有的《雙諧振自調(diào)頻消聲器》(專利號：cn103382874a)，通過改變內(nèi)插管穿孔面積以改變消聲頻段，這種消聲器可實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的消聲頻率調(diào)節(jié)，但對低頻噪聲(<200hz)效果并不明顯，且存在較大的通流阻力。

另外，在噪聲能量回收方面現(xiàn)有研究工作十分少見，現(xiàn)有的《能夠回收噪聲能量的汽車吸隔聲裝置》(專利號：cnio5406573a)是通過亥姆霍茲共振器放大外場噪聲，進(jìn)而通過壓電薄膜對聲能量進(jìn)行采集?！痘谀芰渴占脑肼曇种蒲b置》(專利號：cn204559435u)采用穿孔板以及配合摩擦發(fā)電機(jī)對外場環(huán)境噪聲抑制及收集，而對于管道噪聲能量回收方面國內(nèi)外研究幾乎沒有。

本發(fā)明將一段剛性管道壁面替換為pvdf壓電薄膜形成一種膜式結(jié)構(gòu)消聲器，一方面利用管道壁面阻抗的不連續(xù)性來達(dá)到反射聲波的目的，能實(shí)現(xiàn)較寬低頻范圍內(nèi)管道下游的消聲作用，另一方面利用pvdf薄膜的壓電效應(yīng)進(jìn)行管道噪聲能量回收。相比于傳統(tǒng)的被動消聲器技術(shù)，這種新型消聲器具有更好的低頻寬帶消聲特性和良好的通流特性，且結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，并能夠回收管道上游入射聲波。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)在低頻管道噪聲控制方面的局限性同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲能量的回收問題，提供了一種能夠回收噪聲能量的管道消聲裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本消聲裝置利用管道壁面阻抗變化來達(dá)到反射噪聲的目的，包括消聲殼體和能量采集模塊。技術(shù)方案中所述的消聲殼體由進(jìn)出口法蘭接頭、連接管及膨脹聲腔組成，即傳統(tǒng)的膨脹腔消聲器結(jié)構(gòu)。能量采集模塊主要由pvdf壓電薄膜、引線接口、預(yù)緊裝置、整流電路板及超級電容器組成。

技術(shù)方案中所述的消聲殼體中，進(jìn)出口法蘭接頭與連接管粘結(jié)而成，上下兩個膨脹聲腔與連接管分別由6組m5的螺栓緊固，并通過密封條密封，以減少噪聲泄露，以及膨脹聲腔下表面所開的通孔應(yīng)在安置導(dǎo)線好后通過泡沫進(jìn)行密封。

技術(shù)方案中所述的連接管為等厚度、矩形管狀結(jié)構(gòu)件，上下表面部分結(jié)構(gòu)已被切割掉，成鏤空狀，用以配合膨脹聲腔以及pvdf壓電薄膜的安裝，兩側(cè)內(nèi)表面銑有條形卡槽，用以鑲嵌預(yù)緊裝置滑塊以及橡膠塊。

技術(shù)方案中所述的能量采集模塊由pvdf壓電薄膜、引線接口、壓板、短螺栓、預(yù)緊裝置、整流電路板及超級電容器組成。其中，pvdf壓電薄膜一端通過短螺栓、壓板緊固于連接管左側(cè)切割截面處，另一端通過預(yù)緊螺栓、壓板、滑塊以及橡膠塊緊固于連接管右側(cè)。壓電薄膜左端部內(nèi)外兩側(cè)面制成引線接口，并連接導(dǎo)線，通過膨脹聲腔底部的通孔，分別接入整流電路板的兩輸入端,整流電路板的兩輸出端與超級電容器連接。

技術(shù)方案中所述的引線接口包括空心鉚釘、聚酯薄膜片、壓接端子、絕緣邊界以及引線。pvdf壓電薄膜與壓接端子通過空心鉚釘進(jìn)行穿透連接，薄膜另一側(cè)通過聚酯薄膜片進(jìn)行加固絕緣，引線與壓接端子焊接而成導(dǎo)出，這樣一方面保證引線與屏蔽線連接方便，另一方面可以保證電荷信號的傳輸受到盡量少的干擾。

技術(shù)方案中所述的預(yù)緊裝置包括壓板、預(yù)緊螺栓、滑塊以及橡膠塊。其中，預(yù)緊螺栓貫穿壓板、pvdf壓電薄膜、滑塊以及橡膠塊，滑塊與橡膠塊鑲嵌在連接管內(nèi)壁卡槽中(過盈配合)，旋轉(zhuǎn)螺栓時(shí)，壓縮橡膠塊，可實(shí)現(xiàn)預(yù)緊pvdf壓電薄膜的功能。

本發(fā)明達(dá)到有益效果如下：

本發(fā)明所述的能夠回收噪聲能量的管道消聲裝置，能夠在低頻較寬頻帶范圍內(nèi)對管道下游噪聲進(jìn)行衰減，同時(shí)可以將大部分噪聲能量轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來。pvdf壓電薄膜的應(yīng)用既能夠用來在管道中反射上游聲波，又可以產(chǎn)生電荷量，同時(shí)還可以減少管道通流損失。另外pvdf壓電薄膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出很高的壓電穩(wěn)定性，因此本發(fā)明的消聲裝置的壽命以及可靠性都有保障。

相比于傳統(tǒng)的膨脹腔消聲器，本發(fā)明能夠在較小尺寸下，取得較好低頻降噪效果，且加工工藝簡單，經(jīng)濟(jì)成本小，可靠性高，易于安裝布置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的膨脹聲腔剖面圖及俯視圖；

圖3為本發(fā)明所述的能量采集模塊中橋式整流電路的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖4為本發(fā)明pvdf壓電薄膜引線接口示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做更詳細(xì)的說明：

如圖1所示，本發(fā)明為一種能夠回收管道噪聲能量的消聲裝置，包括消聲殼體以及能量采集模塊。消聲殼體包括粘結(jié)在連接管2兩端的進(jìn)出口外接管法蘭1，以及通過螺栓連接的上下膨脹聲腔3，其構(gòu)造見圖2。能量采集模塊由pvdf壓電薄膜4、引線接口8、壓板9、短螺栓10、預(yù)緊裝置(11-13)、整流電路板6及儲能電容器7組成。pvdf薄膜4左端由壓板9緊固于連接管左側(cè)切割面，右端經(jīng)預(yù)緊螺栓11，通過滑塊12以及橡膠塊13對薄膜進(jìn)行預(yù)緊。pvdf壓電薄膜4左端部制成引線接口8，并引出兩根導(dǎo)線5通過整流電路板6以及儲能電容器7對輸出電荷進(jìn)行整流存儲。為了獲得較大的噪聲反射量，pvdf壓電薄膜兩側(cè)面在本發(fā)明中并未約束，處于自由釋放狀態(tài)，為保證管道的密封性，對應(yīng)連接管兩側(cè)面切割出0.2mm寬的凹槽，薄膜絕緣邊界可鑲嵌其中且可保持相對自由狀態(tài)。為保證兩根導(dǎo)線5與pvdf壓電薄膜4輸出端上下表面之間牢固連接，制作專門的引線接口8，使用空心鉚釘8-6和壓接端子以進(jìn)行穿透連接，并通過聚酯薄膜片8-5進(jìn)行加固絕緣，并在pvdf壓電薄膜的同一表面同一方向引出如圖4所示。

本發(fā)明對pvdf壓電薄膜的邊緣絕緣處理尤為重要，這里可使用丙酮和酒精作為腐蝕劑，對裁剪下的pvdf壓電薄膜的邊緣進(jìn)行非金屬化處理，以避免邊緣厚度方向上發(fā)生短路，為了防止引線以及導(dǎo)電銀膠流動觸及上下電極引發(fā)短路現(xiàn)象，在邊緣非金屬化處理后，在壓電薄膜四周粘貼絕緣膠帶。整流電路板6的電路是由四個整流二極管組成的橋式整流電路,可將壓電薄膜產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,為儲能元件供電如圖3所示。

本發(fā)明中對于傳播到管道下游的聲波聲壓pd可表示為

pd＝pi-pr-pq

消聲器的傳遞損失可表示為

其中，pi為上游入射聲波，pr為反射聲波聲壓，pq是pvdf壓電薄膜轉(zhuǎn)化為電能量的部分入射聲壓。對于這種管道薄膜消聲器，反射聲波聲壓可表示為

上式中ψm(y)表示管道寬度方向上模態(tài)函數(shù)，ρ0，h，cm分別表示空氣密度，管道高度以及模態(tài)聲速，h表示階躍函數(shù)算子，v是薄膜表面振速分布。v對于pr的大小有著決定性作用，因此可根據(jù)管道薄膜消聲器最優(yōu)消聲量選取合適pvdf壓電薄膜的密度，楊氏模量以及預(yù)緊力以達(dá)到最優(yōu)的反射效果。對于pq，本發(fā)明利用第一類壓電方程的正壓電效應(yīng)，pvdf壓電薄膜的電荷輸出是其所有方向上的應(yīng)變在極化方向上作用響應(yīng)

q＝∑dijeεjs

其中，e—pvdf壓電薄膜彈性模量(n/m²)；

εj—應(yīng)變(j＝1，2，3)；

s—pvdf壓電薄膜的有效電極覆蓋面積(m²)；

dij—壓電常數(shù)(c/n)。

可以看出pvdf壓電薄膜電荷輸出量與其有效電極覆蓋面積以及應(yīng)變成正比，因此適當(dāng)?shù)倪x取具有較大楊氏模量的pvdf壓電薄膜或增加薄膜有效電極面積對能量回收有明顯的增益。