阻抗复合消声器

技术领域

本发明涉及消声器技术领域，尤其是涉及阻抗复合消声器。

背景技术

消声器的评价指标是不仅要求在一定频率范围内有足够的消声性能，也要求不能有过大的排气背压。如果消声器的排气背压过大，则会导致入口与出口的压力损失增大，发动机将损失一部分功率用于抵消这部分阻力，增大了发动机的油耗。因此，一个合格的消声器需要同时兼顾这两部分的要求。

柴油发动机的噪声来源主要是其排气噪声，频率范围主要分布在中低频。现有的消声器主要是3种：抗性消声器，阻性消声器以及阻抗复合式消声器。抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，基于管路截面积的变化，通过声波反射、干涉、共振等方式，改变声波的传播特性达到消声目的；阻性消声器利用声波在多孔性吸声材料或吸声结构中传播，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，使沿管道传播的噪声随距离而衰减，从而达到消声目的的消声器。用吸声材料有玻璃纤维丝、低碳钢丝网、毛毡等。阻抗复合式消声器集成了阻性消声器和抗性消声器的优势，能够实现更宽频的噪声消除，但同时也使结构变得更加复杂，使用时要更加考虑使用环境、成本，以及老化维修等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种能够实现具有宽频带消声能力以及较小排气背压的阻抗复合式消声器。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供阻抗复合消声器，包括扩张管、设置在扩张管两端的进气管以及出气管，扩张管内形成一扩张腔，进气管及出气管均与扩张腔连通，扩张腔内部填充有吸声材料，阻抗复合消声器还包括至少两个阻声管以及至少一穿孔管，各阻声管均内置于扩张腔，且两个阻声管的一端分别与进气管及出气管的一端连通，各个阻声管的内部均间隔形成有若干内缩部以及设于相邻两内缩部之间且由内缩部向外扩张的若干突出部，各个阻声管内的内缩部及突出部的直径均不同；穿孔管的两端分别与相邻两个阻声管的一端连通，其周侧开设有多个供以连通扩张腔的传声孔。

在一些实施例中，阻声管包括U型波纹管，U型波纹管设置有两个，两个U型波纹管通过一穿孔管进行连通，使柴油发动机排出气体依次经由进气管、U型波纹管、穿孔管及另一U型波纹管从出气管外排，靠近进气管方向的U型波纹管的内径大于另一U型波纹管的内径。

在一些实施例中，进气管和出气管均位于扩张管扩张腔的中心线位置，扩张管的直径大于进气管及出气管的直径。

在一些实施例中，各阻声管均位于扩张管扩张腔的中心线位置，穿孔管通过连接两阻声管、位于扩张管扩张腔的中心线位置上，此时阻声管内形成一直通式的排气通道。

在一些实施例中，穿孔管位于扩张管扩张腔的中心线位置，阻声管的两端至其中部由扩张管扩张腔的中心线位置向一侧偏移以使其中心线形成一弧形结构，此时阻声管内形成一具有多个弯折的排气通道。

在一些实施例中，穿孔管的面积孔隙率为30％，孔径为5mm。

在一些实施例中，扩张管为圆筒形结构，其管壁上沿其长度方向布置有若干个褶皱，吸声材料为岩棉。

在一些实施例中，进气管的外伸端安装有第一法兰，出气管的外伸端安装有第二法兰。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在进气管和出气管之间阻声管和穿孔管，由于阻声管内部截面积突变，引起其声阻抗的变化，必将引起声波在U型波纹管内传播时发生反射、干涉，因而能够降低向外辐射声能的效果；穿孔管管壁的传声孔与其外侧的扩张腔形成了一种类似亥姆霍兹共振腔的结构，增强降噪效果，又由于扩张室内壁填充有吸声材料，通过摩擦、粘滞和阻尼作用将声能转化为热能损耗掉，提高了消声器中高频的消声性能；使本装置具有宽频带消声能力以及较小排气背压，结构简单，并且设计不同尺寸的阻声管，能够更好地提高消声器的消声性能与覆盖频段。

附图说明

图1是本发明提供的阻抗复合消声器一实施例的主视剖面结构示意图；

图2是图1中的阻抗复合消声器的U型波纹管的结构示意图；

图3是本发明提供的阻抗复合消声器另一实施例的主视剖面结构示意图；

图4是本发明提供的阻抗复合消声器的U型波纹管的传递损失图。

图中：1、扩张管；2、进气管；3、出气管；4、阻声管；41、U型波纹管；5、穿孔管；6、吸声材料；7、第一法兰；8、第二法兰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了阻抗复合消声器，包括扩张管1、设置在扩张管1两端的进气管2以及出气管3，扩张管1内形成一扩张腔，进气管2及出气管3均与扩张腔连通且进气管2及出气管3的一端固定在扩张管1端部的外壁上，阻抗复合消声器还包括至少两个阻声管4以及至少一穿孔管5。

各阻声管4均内置于扩张腔，且两个阻声管4的一端分别与进气管2及出气管3的一端连通，各个阻声管4的内部均间隔形成有若干内缩部以及设于相邻两内缩部之间且由内缩部向外扩张的若干突出部，各个阻声管4内的内缩部及突出部的直径均不同。

穿孔管5的两端分别与相邻两个阻声管4的一端连通，其周侧开设有多个供以连通扩张腔的传声孔，扩张腔内部填充有吸声材料6。

本装置中，进气管2和出气管3均通过至少两个阻声管4和至少一穿孔管5相连，使发动机的排气能够从进气管2依次经过阻声管4和穿孔管5后由出气管3排出，阻声管4内部均间隔形成有若干内缩部以及设于相邻两内缩部之间且由内缩部向外扩张的若干突出部，使气体经过阻声管4时，由于阻声管4内部截面积突变，引起其声阻抗的变化，必将引起声波在U型波纹管41内传播时发生反射、干涉，因而能够降低向外辐射声能的效果；气体经过穿孔管5时，穿孔管5管壁的传声孔与其外侧的扩张腔形成了一种类似亥姆霍兹共振腔的结构，增强降噪效果，又由于扩张室内壁填充有吸声材料6，通过摩擦、粘滞和阻尼作用将声能转化为热能损耗掉，提高了消声器中高频的消声性能。

如图1所示，在一些实施例中，进气管2的外伸端安装有第一法兰7，出气管3的外伸端安装有第二法兰8，用于实现进气管2及出气管3与汽车等主体结构的连接。

如图1、图2所示，在一些实施例中，阻声管4优选为U型波纹管41，其一侧凸起的截面呈U形结构，在该实施例中，U型波纹管41设置有两个，两个U型波纹管41通过一穿孔管5进行连通，两个U型波纹管41背对的一端分别连接进气管2和出气管3，使柴油发动机排出气体依次经由进气管2、U型波纹管41、穿孔管5及另一U型波纹管41从出气管3外排。

波纹管是连接不同管路之间的一种结构，是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体，本实施例中的波纹管可为金属波纹管或塑料波纹管等，金属波纹管主要应用于补偿管线热变形、减震、吸收管线沉降变形等作用，广泛应用于石化、仪表、航天、化工、电力、水泥、冶金等行业；塑料等其他材质波纹管在介质输送、电力穿线、机床、家电等领域有着不可替代的作用。

金属波纹管作为一种柔性耐压管件安装于液体输送系统中，用以补偿管道或机器、设备连接端的相互位移，吸收振动能量，能够起到减振、消音等作用，具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温等多项特点；而U型波纹管是目前运用最多的一种波纹管，因为U型波纹管具有受压性能比较好，能承受较大的横向力的压缩，刚度大，使用寿命长，受力比较均匀，结构简单等特点。

抗性消声器是基于管路截面积的变化，通过声波反射、干涉、共振等方式，改变声波的传播特性达到消声目的的一种消声元件。波纹管消声的原理与之类似，当声波在管道中传播时，随着波纹管内部截面积的突然改变，该结构的声阻抗也会随之发生变化，且声波在波纹管内部传播时，也会在波纹管中发生反射和干涉，进而会减少时声能向外辐射，达到消声的目的。

传统的扩张式消声器受限于其截止频率，导致无法在截止频率之外的频段获得理想的消声性能，研究发现，U型波纹管在经过设计后，能实现对特定频段的声波进行消除，从而改善扩张式消声器的降噪性能。

U型波纹管41消声性能与其结构尺寸具有一定的关系，由此我们可以设计U型管的尺寸获得理想的消声性能，不同尺寸的U型波纹管41能消除某一频段的噪声。

进一步的，靠近进气管2方向的U型波纹管41的内径大于另一U型波纹管41的内径，如图2所示，其由2种不同尺寸的U型波纹管41组合，通过计算，可以覆盖的消声频段大致为1500HZ-3000HZ。

在COMSOL软件中对仅有U型波纹管41和扩张腔的模型进行声学模拟仿真，得出其传递损失图，如图4所示，可以看出，扩张腔主要作用在1200HZ之前，而U型波纹管41作用频段为1500HZ-3000HZ，与计算结果接近。

所以，设计两种不同尺寸的U型波纹管41在扩张腔的两端，能够更好地提高消声器的消声性能与覆盖频段。

如图1、图3所示，在一些实施例中，由于U型波纹管41具有一定的柔性特点，因此，U型波纹管41可拉直或弯曲使用。

U型波纹管41拉直使用时，进气管2和出气管3均位于扩张管1扩张腔的中心线位置，扩张管1的直径大于进气管2及出气管3的直径，各阻声管4均位于扩张管1扩张腔的中心线位置，穿孔管5通过连接两阻声管4、位于扩张管1扩张腔的中心线位置上，此时阻声管4内形成一直通式的排气通道，采用直通式的设计，能够降低气体通过时的阻力，减少排气背压。

U型波纹管41弯曲使用时，穿孔管5位于扩张管1扩张腔的中心线位置，阻声管4的两端至其中部由扩张管1扩张腔的中心线位置向一侧偏移以使其中心线形成一弧形结构，可通过缩短U型波纹管41的安装距离或加长U型波纹管41实现其在扩张管1内部的弯曲式安装，此时阻声管4内形成一具有多个弯折的排气通道，通过弯折的排气通道来延长降噪时间，能够起到不同的消音作用，以使运用U型波纹管41能够适应不同场景。

进一步的，在其他实施例中，阻声管4还可为直管，阻声管4上沿其长度方向依次布置有多个环绕支管的外径布置的多个外凸面，该外凸面的横截面积可为弧形或者方形等，以使直管内部形成横截面突变的内壁，使声波在其内部传播时能够发生反射、干涉，从而能够降低向外辐射声能的效果。

进一步的，在其他实施例中，阻声管4还可为弯管，阻声管4上同样沿其长度方向依次布置有多个环绕支管的外径布置的多个外凸面，该外凸面的横截面积可为弧形或者方形等，以使弯管内部具有横截面突变的内壁的同时，其内部还能够形成一弯折的通道，能够延长气体排出时间，从而加长对气体的降噪时间，能够进一步提高降噪的效果。

进一步的，在一些实施例中，为在保证穿孔管5的管体强度的前提下，使穿孔管5内气体能够充分流动至其外侧的扩张腔内进行降噪，将穿孔管5的面积孔隙率为30％，孔径为5mm，使穿孔管5的通透能力好，且具备较高的支撑力。

进一步的，在一些实施例中，扩张管1为圆筒形结构，其管壁上沿其长度方向布置有若干个褶皱，以增大扩张管1的管壁的降噪面积和空间，噪声经过吸声材料6降噪后会进入到褶皱之间，其中，相邻两个褶皱之间形成夹角，每个褶皱空间与水平面的夹角均不同，使得形成的每个消音空间均具有不同的固有频率，从而进入一个消音空间的噪音就很难再继续进入另一个空间继续噪音传播，只能滞留在该空间内来回反射，在与扩张管壁面的来回撞击和摩擦中消耗掉原有的声能，能够达到将噪音中的高频噪音和中、低频噪音几乎完全消除的效果。

优选的，吸声材料6为岩棉，使气体进入到扩张腔后能够充分通过岩棉降低气流速度，并在扩张腔内充分扩张、减速、消耗能量，很好地达到消音的效果。

再进一步的，在其他实施例中，吸声材料6还可为玻璃纤维丝、低碳钢丝网、毛毡等。

本发明通过在进气管2和出气管3之间阻声管4和穿孔管5，由于阻声管4内部截面积突变，引起其声阻抗的变化，必将引起声波在U型波纹管41内传播时发生反射、干涉，因而能够降低向外辐射声能的效果；穿孔管5管壁的传声孔与其外侧的扩张腔形成了一种类似亥姆霍兹共振腔的结构，增强降噪效果，又由于扩张室内壁填充有吸声材料6，通过摩擦、粘滞和阻尼作用将声能转化为热能损耗掉，提高了消声器中高频的消声性能；使本装置具有宽频带消声能力以及较小排气背压，结构简单，并且设计不同尺寸的阻声管4，能够更好地提高消声器的消声性能与覆盖频段。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。