消声器及装置

技术领域

本发明涉及吸声技术领域，特别是涉及一种消声器及装置。

背景技术

在当前的降噪工程技术中，起到决定性作用的声学材料，其声学性能已经逐渐无法满足越来越多样化的工程场景和越来越高的性能需求，受制于传统材料的物理原理，尤其缺乏可面向低频波段工作、厚度较小且轻量化的材料。传统声学材料的吸声机理，主要基于多孔弹性两相介质理论，其基本论断是声波所具备的机械能在通过多孔弹性介质的过程中被转化为热能。传统多孔介质中的流相受空气本征粘弹-热属性的限制，主要对高频声波起作用，无法在低频波段有效吸声。而在考虑消声属性时，传统材料同时受制于质量密度定律，无法在较低体密度条件下在低频段获得更高消声量。

发明内容

基于此，本发明旨在提供一种改进的消声器，以在较低的体密度下获得低频段的更高消声量。

第一方面，本申请提供一种消声器，包括：

第一消声部，包括大致平行的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面开设有第一声波射入口，所述第一侧面和所述第二侧面之间形成有与所述第一声波射入口连通的至少一个第一谐振腔；

其中，在垂直于所述第一谐振腔的第一侧面和第二侧面的至少一个参考平面内，所述第一谐振腔的第一侧面具有第一轮廓，所述第一谐振腔的第二侧面具有第二轮廓，所述第一轮廓的长度小于所述第二轮廓的长度。

上述消声器，由于第一谐振腔中大致平行的第一侧面和第二侧面在垂直于该第一侧面和第二侧面的参考平面内，第一侧面的轮廓长度小于第二侧面的轮廓长度，且第一声波射入口设置在该第一侧面上，从而有利于增大第一谐振腔的体积，使得第一谐振腔的共振频率更低，同时也可以降低消声器低频消声时的体密度，减少空间占用，提高空间利用率，实现消声器的轻量化和紧凑化。

在其中一个实施例中，还包括：第二消声部，包括与所述第一侧面连接的第三侧面，以及与所述第二侧面连接的第四侧面，所述第三侧面开设有第二声波射入口，所述第三侧面和所述第四侧面之间形成有与所述第二声波射入口连通的第二谐振腔；其中，所述第二谐振腔的体积小于一体积阈值，所述第一谐振腔的体积大于或等于所述体积阈值。

在其中一个实施例中，所述第一声波射入口具有多个，所述第一谐振腔具有多个，所述第一声波射入口与所述第一谐振腔一一对应连通，各所述第一谐振腔的体积不全相同；所述第二声波射入口具有多个，所述第二谐振腔具有多个，所述第二声波射入口与所述第二谐振腔一一对应连通，各所述第二谐振腔的体积不全相同；所述第二谐振腔的体积的最大值小于所述体积阈值，所述第一谐振腔的体积的最小值大于或等于所述体积阈值。

在其中一个实施例中，所述第二消声部包括两个子消声部，每个所述子消声部中形成有至少一个所述第二谐振腔；其中，所述两个子消声部分别设置在所述第一消声部的两侧。

在其中一个实施例中，所述第三侧面与所述第四侧面呈角度设置，且在所述第四侧面靠近所述第一消声部的一侧，所述角度为锐角。

在其中一个实施例中，各所述第一声波射入口的开口面积不全相同，各所述第二声波射入口的开口面积不全相同；自所述第一声波射入口向所述第二侧面延伸有第一插管，各所述第一插管的延伸长度不全相同，自所述第二声波射入口向第四侧面延伸有第二插管，各所述第二插管的延伸长度不全相同。

在其中一个实施例中，所述第一声波射入口的孔径范围包括0.002m～0.04m，所述第二声波射入口的孔径范围包括0.04m～0.055m；所述第一插管的延伸长度范围包括0.002m～0.025m，所述第二插管的延伸长度范围包括0.002m～0.01m；所述第一轮廓和所述第二轮廓形成一组同心圆弧，所述第一轮廓的曲率与所述第二轮廓的曲率的比值范围包括1.5～3；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的宽度范围包括0.03m～0.08m。

在其中一个实施例中，所述消声器的整体声阻抗至少在190Hz～1720Hz的频段内与空气的声阻抗相匹配。

在其中一个实施例中，所述消声器包括声波入射端和声波出射端，以及贯通所述声波入射端和所述声波出射端的通孔；其中，在垂直于所述通孔轴线的平面内，所述消声器的截面面积与所述通孔的开口面积的比值范围包括2.2～9。

第二方面，本申请提供一种装置，包括：壳体；声源，设于所述壳体或所述壳体内；以及如前文所述的消声器，所述消声器设于所述壳体或所述壳体内，且所述消声器的第一侧面朝向所述声源。

上述装置，通过在壳体或壳体内的相应部位设置如前文所述的消声器可有效地吸收装置内部声源发出的噪声，从而有利于减弱或消除噪声，使装置安静平稳地运行；同时，上述消声器可通过设置其第一侧面的轮廓较好地贴合其安装部位，从而大大的节省安装空间，有利于装置整体的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1表示本申请一实施例的结构示意图；

图2表示图1所示实施例的第一轮廓和第二轮廓的示意图；

图3表示本申请另一实施例的第一轮廓和第二轮廓的示意图；

图4表示本申请图1所示实施例的俯视示意图；

图5示出了图4所示实施例A-A面的截面示意图；

图6示出了图4所示实施例B-B面的截面示意图；

图7示出了图4所示实施例C-C面的截面示意图；

图8示出了本申请又一实施例的消声效果示意图。

元件标号说明：

100、消声器，101、声波入射端，102、声波出射端，103、通孔；

10、第一消声部，11、第一侧面，12、第二侧面，13、第一声波射入口，14、第一谐振腔，15、第一插管，16、第一隔板；

20、第二消声部，20’、子消声部，21、第三侧面，22、第四侧面，23、第二声波射入口，24、第二谐振腔，25、第二插管，26、第二隔板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

声音在管道中传播的距离较远，低频噪声的波长较大，衍射能力强，能量耗散慢，很难衰减掉。噪声从管道的末端辐射出来，对机器设备，例如通风管道、汽车排气管、航空发动机和液压系统等带来了很大的危害，同时也影响了人们的生活环境。

声学超构材料以人工谐振结构为功能基元，通过对功能基元进行空间序构，实现等效声学参数人工调控，进而实现小尺寸亚波长基元对较大长波声波传播、折射、反射和吸收的性能调控。它的出现，为减振降噪技术提供了新思路和新方法。

对于低频吸声问题，四分之一波长的通道长度使得整体结构厚度显得过于庞大。而亥姆霍兹共鸣腔(Helmholtz Resonator,简称HR)作为一种经典的共鸣腔结构，研究人员在结构上进行了多种优化以适应不同的应用场景，尤其是对于低频段吸声的结构优化，比如内嵌式颈部，颈部旁支管，多阶亥姆霍兹共鸣腔等等，足以说明HR的自由度高，设计性强，便于结合其他吸声材料增大实用价值。在理论设计方面，随着基础理论的不断深化和应用研究的展开，研究人员基本总结出针对特定声学功能的超构材料功能基元的类型与序构的主要形式，并基于此给出了相应的解析与数值模型。亥姆霍兹共鸣器对特定频率的噪声吸声效果较好，当并联多个亥姆霍兹共鸣器，可以实现宽频的消声效果，相对于微穿孔管消声器、四分之一波长管、内插管消声器，亥姆霍兹共鸣器的消声频率更低，低频消声效果更好。

另一方面，亥姆霍兹共鸣器阵列进行低频消声时所需的共鸣腔体积较大，而现有的亥姆霍兹共鸣器阵列结构繁杂，空间利用率低，容易造成较大的空间占用，具备较大的扩张比，降低其噪声消除效果。

基于上述问题，本申请提供一种可用于低频消声、体密度小、且能提升空间利用率的消声器。

在一实施方式中，请参考图1至图5，消声器100包括第一消声部10，第一消声部10包括大致平行的第一侧面11和第二侧面12，第一侧面11开设有第一声波射入口13，第一侧面11和第二侧面12之间形成有与第一声波射入口13连通的第一谐振腔14。

其中，大致平行可表示两个平面平行，也可以表示两个平面由于实际制备时的工艺偏差，导致并未严格平行。在后者的情况下，两个平面如果无限延伸会形成相交的关系，但此时两个平面的延伸长度会很长，而且相交时所形成的两个夹角中，较小的那个夹角很小，例如在偏差范围内可以是0±a°的范围，a根据实际的应用场景以及工艺精度可以取8、7、6、5、4、3、2、1。由于第一侧面和第二侧面实际的延伸长度不会很长，对消声效果的影响不大，从而，这样的工艺偏差导致的未严格平行可视为是大致平行。可选的，如图2所示，第一侧面11和第二侧面12可以是曲面或弧面，如图3所示，也可以是平面，在其他实施方式中，第一侧面11和第二侧面12还可以是波浪形面。

可选的，第一声波射入口13的开口形状可以是圆形、正方形、矩形、三角形等。可选的，第一侧面11和第二侧面12之间设置有多个第一隔板16，多个第一隔板16可将第一侧面11和第二侧面12之间的空间分隔形成多个第一谐振腔14。声波经第一声波射入口13进入第一谐振腔14，若声波的频率与第一谐振腔14的谐振频率相同则会引发系统共振，使得声波与第一谐振腔14的内壁产生明显的摩擦，声波能量转化为热量耗散掉。可选的，第一谐振腔14可以是Helmholtz型共鸣腔，一个第一谐振腔14对应具有一个谐振频率，并在该谐振频率下吸收声波，实现消声。

其中，如图2所示，在垂直于第一谐振腔14的第一侧面11和第二侧面12的至少一个参考平面内，第一谐振腔14的第一侧面11具有第一轮廓11’，第一谐振腔14的第二侧面12具有第二轮廓12’，第一轮廓11’的长度小于第二轮廓12’的长度。可选的，如图4所示，参考平面可以是B-B面所在的平面，从而，如图2所示，第一轮廓11’和第二轮廓12’可形成一组同心圆弧，第二轮廓12’的曲率大于第一轮廓11’的曲率，第一轮廓11’的长度小于第二轮廓12’的长度；另一些实施方式中，如图3所示，第一轮廓11’和第二轮廓12’还可以形成一组平行线，第一轮廓11’的长度小于第二轮廓12’的长度。如此，相比于原先立方体型的Helmholtz型共鸣腔，本申请的消声器100更有利于充分利用空间，减少空间占用，从而在形成较大体积的第一谐振腔14的同时，可使第一谐振腔14的排布更为紧凑，实现有限空间下的低频有效消声。

上述消声器100，由于第一谐振腔14中大致平行的第一侧面11和第二侧面12在垂直于该第一侧面11和第二侧面12的参考平面内，第一侧面11的轮廓长度小于第二侧面12的轮廓长度，且第一声波射入口13设置在该第一侧面11上，从而有利于增大第一谐振腔14的体积，使得第一谐振腔14的共振频率更低，同时也可以降低消声器100低频消声时的体密度，减少空间占用，提高空间利用率，实现消声器100的轻量化和紧凑化。

在一些实施方式中，如图4和图5所示，消声器100还包括第二消声部20，第二消声部20包括与第一侧面11连接的第三侧面21，以及与第二侧面12连接的第四侧面22，第三侧面21开设有第二声波射入口23，第三侧面21和第四侧面22之间形成有与第二声波射入口23连通的第二谐振腔24；其中，第二谐振腔24的体积小于一体积阈值，第一谐振腔13的体积大于或等于体积阈值。可选的，如图7所示，第三侧面21和第四侧面22之间设置有多个第二隔板26，多个第二隔板26可将第三侧面21和第四侧面22之间的空间分隔形成多个第二谐振腔24。声波经第二声波射入口23进入第二谐振腔24，并在第二谐振腔24对应的谐振频率下吸收声波。

可以理解的是，不同体积的谐振腔的谐振频率不同，体积越大，谐振频率越低。通过上述设置，有利于使消声器100在明显不同的两个频段实现消声效果进而具备一定的消声频宽。可选的，体积阈值可以被配置为使谐振腔的共振频率为中频与低频或中高频与低频交界值附近的体积值，从而，第一消声部10可用于消除低频段的声波，第二消声部20可用于消除中频段或中高频段的声波，其中，中频可以是频率大于或等于800Hz的声波，中高频可以是频率大于或等于1500Hz的声波，具体的体积阈值可根据实际应用场景结合Helmholtz型共鸣腔理论求得。

另一方面，第二消声部20通过第三侧面21和第四侧面22与第一消声部10连接，可有效减小不同频段声波消声时的空间占用，例如可以减小现有管道消声器的径向空间占用，从而提升空间利用率。

在一些实施方式中，如图5所示，第一声波射入口13具有多个，第一谐振腔14具有多个，第一声波射入口13与第一谐振腔14一一对应连通，各第一谐振腔14的体积不全相同；第二声波射入口23具有多个，第二谐振腔24具有多个，第二声波射入口23与第二谐振腔24一一对应连通，各第二谐振腔24的体积不全相同；第二谐振腔24的体积的最大值小于体积阈值，第一谐振腔14的体积的最小值大于或等于体积阈值。由于第一谐振腔14之间的近场耦合效应(耦合效应的强度可以根据谐振频率的间隔进行调节)，通过设置多个第一谐振腔14，可产生多个耦合谐振频率，从而拓宽声波的消声频宽。同理，通过设置多个第二消声部20，也有利于拓宽第二消声部20的消声频宽。如此，可使消声器100整体在较宽的频段范围内均实现较佳的消声效果。

在一些实施方式中，如图6所示，在参考平面内，任意相邻的两个第一谐振腔14之间形成面接触，换言之，任意相邻的两个第一谐振腔14共有一接触面，该接触面由该相邻两个第一谐振腔14的腔面接触形成。可选的，如图7所示，在参考平面内，任意相邻的两个第二谐振腔24之间也形成面接触。通过上述设置，有利于充分利用空间，使消声器的结构设置更为紧凑。

在一些实施方式中，如图5所示，第二消声部20包括两个子消声部20’，每个子消声部20’中形成有至少一个第二谐振腔24；其中，两个子消声部20’分别设置在第一消声部10的两侧。由于中频或中高频吸声结构(第二消声部20)所需要的背腔体积比较小，若是将第二消声部20设置在消声器100中间过度的话，既影响美观，又易因耦合效应的影响，导致中频或中高频的消声效果变差，所以将第二消声部20分成两个子消声部20’并分别放置第一消声部10的两侧，既能保证中频或中高频的有效消声，还能充分利用空间，保证消声器100的美观。

在一些实施方式中，如图5所示，第三侧面21与第四侧面22呈角度设置，且在第四侧面22靠近第一消声部10的一侧，该角度为锐角。由于中频或中高频吸声结构(第二消声部20)所需要的背腔体积比较小，通过上述设置，既能使第二谐振腔24的体积满足中频或中高频的消声需求，保证中频或中高频的消声效果，还可节省第二消声部20的制备材料，节约消声器100的成本。可选的，第二消声部20呈圆台形状，具体而言，第四侧面22为该圆台的侧表面，第二谐振腔24中的空气域也成圆台形状。

在一些实施方式中，如图6和图7所示，自第一声波射入口13向第二侧面12延伸有第一插管15，各第一插管15的延伸长度不全相同，自第二声波射入口23向第四侧面22延伸有第二插管25，各第二插管25的延伸长度不全相同；并且，各第一声波射入口13的开口面积不全相同，各第二声波射入口23的开口面积不全相同。对于Helmholtz型共鸣腔，声波射入口的开口面积、插管的延伸长度均会影响谐振腔的体积，进而影响谐振腔的消声频率。具体而言，声波射入口的开口面积越小，谐振腔的消声频率越低；插管的延伸长度越长，谐振腔的消声频率越低；谐振腔的体积，谐振腔的消声频率越低。另一些实施方式中，谐振腔的宽度也会影响谐振腔体积，谐振腔的宽度越大，谐振腔的消声频率越低。可选的，第一谐振腔14的宽度表示第一谐振腔14沿消声器100内声波的传播方向延伸的长度，第二谐振腔24的宽度表示第二谐振腔24沿消声器100内声波的传播方向延伸的长度。通过上述设置，有利于形成谐振频率不同的Helmholtz型共鸣腔，并通过组合这些谐振腔，实现宽频的消声效果。

在一些实施方式中，第一声波射入口13的孔径范围包括0.002m～0.04m，例如可以是0.002m、0.008m、0.014m、0.02m、0.026m、0.032m、0.038m、0.04m中的一个，第二声波射入口的孔径范围包括0.04m～0.055m，例如可以是0.04m、0.044m、0.048m、0.052m、0.055m中的一个；第一插管15的延伸长度范围包括0.002m～0.025m，例如可以是0.002m、0.006m、0.01m、0.014m、0.018m、0.022m、0.025m中的一个，第二插管25的延伸长度范围包括0.002m～0.01m，例如可以是0.002m、0.004m、0.006m、0.008m、0.01m中的一个；如图2所示，第一轮廓11’和第二轮廓12’形成一组同心圆弧，第一轮廓11’的曲率与第二轮廓12’的曲率12’的比值范围包括1.5～3，例如可以是1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3中的一个；第一谐振腔14的宽度范围包括0.03m～0.08m，第二谐振腔24的宽度范围包括0.03m～0.08m，例如均可以是0.03m、0.04m、0.05m、0.06m、0.07m、0.08m中的一个。通过上述设置，有利于实现消声器100在190Hz～1720Hz频率范围内的消声效果。

在一些实施方式中，消声器100的整体声阻抗在预设频段内与空气的声阻抗相匹配。具体而言，当消声器100的整体声阻抗Z与空气的声阻抗Z

可选的，如图1所示的消声器100包括声波入射端101和声波出射端102，以及贯通声波入射端101和声波出射端102的通孔103。可选的，在参考平面内，多个第一谐振腔14以通孔103的轴线为旋转轴旋转分布，多个第二谐振腔24以通孔103的轴线为旋转轴旋转分布。其中，第一谐振腔14和第二谐振腔24谐振腔(Helmholtz型共鸣腔)的声阻抗Z

其中，

消声器100的整体声阻抗可表示为：

由于谐振腔中，插管的延伸长度、声波射入口的开口面积、谐振腔的宽度等也会影响谐振腔的谐振频率，因此，如何在海量的参数选择中使期望的谐振频率参数也能尽量满足整体的声阻抗匹配关系，是一个需要不断调整、平衡、并长期优化的过程；可以理解的是，期望的消声频段越宽，优化的难度也越大。而如图8所示，本申请的消声器100可在190Hz～1720Hz的频率范围内实现优异的低频宽带消声效果。

另一方面，传统理论认为扩张比越大，消声的空间就越大，对应的，消声效果就越好，因此传统的消声构件的扩张比往往较大，可以达到10以上。具体而言，扩张比可表示为器件的横截面与其内部的空气流动的横截面的比值。然而，扩张比大会导致消声材料较多的空间占用，不利于待抑噪装置和设备的适配；除此之外，扩张比过大还会使得空气流通变差。

在一些实施方式中，在垂直于通孔103轴线的平面内，消声器100的截面面积与通孔103的开口面积的比值范围包括2.25～9，例如，可以是2.5、3、3.3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、7、8、9中的一个。可选的，消声器100的截面面积可以是消声器100的第二侧面12在垂直于通孔103轴线的平面内的圆周轮廓对应的面积，通孔103的开口面积可以是消声器100的第一侧面11在垂直于通孔103轴线的平面内的圆周轮廓对应的面积。可选的，如图1所示，消声器100的扩张比为3.3。如此，可使消声器100不会占用较大空间，换言之，可以在有限的空间内实现有效的消声，同时也能保证不错的空气流通性能。可选的，对于具有一定口径的管道，本申请的消声器100具有更佳的适配性。

在一些实施方式中，消声器100的尺寸可以制备得较小，总长可以不超过90cm，如此既有利于产品化，同时对于测试、维护人员以及用户，也可方便携带和安装。

在一些实施方式中，消声器100还可以包括外壳。可选的，第二侧面12和第四侧面22可与外壳的内表面重合。可选的，外壳与第一隔板16以及第二隔板26紧密相接，以保证每个谐振腔能够相互独立。可选的，外壳与第一隔板16以及第二隔板26的连接方式为胶接或焊接等。

在一些实施方式中，前述插管以及隔板的材质可均为金属材料或非金属材料，例如可以是钢、铁、铝合金、有机玻璃、PLA、塑料、橡胶、木板、石材、碳纤维复合材料中的一种。外壳的材质也可为金属材料或非金属材料，例如可以是钢、铁、铝合金、有机玻璃、PLA、塑料、橡胶、木板、石材、碳纤维复合材料。消声器100的加工方法可以使用且不限于3D打印、冲压工艺等。可选的，根据防火等级，加工用的材料还可包括钢板等金属板，PP、PVC或PE等塑料板等。从而，本申请的消声器100为纯结构型消声器，不含多孔材料，绿色无污染，可用于新风系统，汽车排气管道、工业排气管道等。

本申请还提供一种装置，包括：壳体；声源，设于壳体或壳体内；以及如前文所述的消声器100，消声器100设于壳体或壳体内，且消声器100的第一侧面11朝向声源。

上述装置，通过在壳体或壳体内的相应部位设置如前文所述的消声器100可有效地吸收装置内部声源发出的噪声，从而有利于减弱或消除噪声，使装置安静平稳地运行；同时，上述消声器100可通过设置其第一侧面11的轮廓以较好地贴合其安装部位，从而大大的节省安装空间，有利于装置整体的小型化。

另外，上述装置可以是空气压缩机、发动机、风机、变速箱、电机等器件，也可以是包含上述器件的装置，如车辆、真空抽吸机、电动工具等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。