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基于Helmholtz共鸣器的封闭空腔低频噪声控制研究

2018/2/3    来源:互联网    作者:谌相宇      
关键字:Helmholtz共鸣器  封闭空腔  低频噪声  噪声控制  
针对封闭空腔的低频降噪问题,采用有限元方法研究具有号筒状颈部的Helmholtz共鸣器的低频降噪性能。基于含Helmholtz共鸣器的旁支管道有限元模型对比了不同颈部截面形状和颈部几何尺寸的共振频率,在封闭空腔中对比了Helmholtz共鸣器位于不同安装位置的降噪效果。研究表明,指数型颈部Helmholtz共鸣器为低频降噪的最优选择,颈部几何尺寸对共振频率的影响非常大,当该装置位于声腔响应的峰值位置时可达到最佳的降噪效果。

0 引言

    Helmholtz共鸣器由颈部和空腔构成,当发生共振时,动能驻留在颈部附近而势能位于空腔内,依据力-声类比的思想可将其看作质量-弹簧系统,其振动质量由颈部空气提供,弹簧刚度由腔内空气提供,可在其附着点形成很强的吸声效果。Helmholtz共鸣器在汽车、飞机、建筑、航天等行业的低频噪声控制中具有广泛的应用。

    为了获取更优的声学性能,人们对Helmholtz共鸣器的共振频率和降噪性能进行了广泛的研究。传统的Helmholtz共鸣器颈部多为圆管,且直径通常很小,该类型的Helmholtz共鸣器通常需要较大的体积才能获得较低的共振频率。Selamet研究了共鸣器颈部伸入空腔内部的情况,表明通过颈部内伸可在不改变Helmholtz共鸣器外形的前提下降低共鸣器的共振频率。Tang通过共鸣器的吸声系数测试表明采用锥形颈部的Helmholtz共鸣器具有更好的吸声性能。Boixhers等设计了具有号筒状内伸颈部的Helmhotlz共鸣器,并成功应用于AtlasV火箭整流罩,但未给出该装置的技术细节。

    在降噪性能方面,Fahy和Schofield研究了HR与封闭空腔简正模式的关系,表明HR能显著降低简正模式在调谐频率处的峰值,但会在调谐频率的两侧形成新的峰值。Cmnmings研究了针对封闭空腔的多个简正频率的Helmholtz共鸣器的协同降噪问题,通过理论推导指出单个共鸣器对多个声腔简正模式的影响,同时也指出由于问题的复杂性完全理论的参数分析是不切实际的。Do:ria研究了针对声腔两个简正频率的两组Helmholtz共鸣器的降噪优化问题,但共鸣器共振频率的设计流程十分的复杂。Li和Viperman研究了应用Helmholtz共鸣器降低蜂窝夹心整流罩内低频噪声,并研究了多个共鸣器的共振频率分布对声腔多简正模式的影响。Nail等研究了降低封闭空腔的某阶简正频率的响应所需的最优共鸣器个数,认为当多个同共振频率Helmholtz共鸣器的总体积占空腔总体积的1%时为最优的降噪方案。Reddi和Padmanabhan研究了针对声腔单一简正模式的Helmholtz共鸣器频率分布优化,表明在采用三个Helmholtz共鸣器时,一个共鸣器与原声腔简正频率调谐、另两个共鸣器与两个新的峰值频率调谐的方案具有最优的降噪效果。

    本文针对号筒状颈部Helmholtz共鸣器,基于管道传递损失的有限元模型研究了颈部形状对共鸣器共振频率的影响,基于虚拟阻抗管研究了共鸣器的吸声性能及其影响因素,并在封闭声腔中研究了共鸣器安装位置对其降噪效果的影响。

1 共振频率

    号筒状颈部Helmholtz共鸣器的纵截面示意图如图1(a)所示,其中1为号筒长度,a0为号筒前端开口半径,a1为号筒喉部半径,rc为圆弧半径,V为共鸣器腔内体积。号筒状颈部的截面为渐变型,常见的截面形状由指数型、锥形和双曲型,如图1(b)所示。

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    图1 号筒状颈部Helmholtz共鸣器的结构示意图

    将三种号筒状颈部Helmholtz共鸣器作为旁支安装于矩形管道上,如图2所示,平面波在主管道从左侧往右传播,由于共鸣器旁支的影响,一部分入射波被反射,一部分入射波继续向前传递,还有一部分进入共鸣器内并反射。当入射波频率等于Helmholtz共鸣器的共振频率时,入射波的传播将会被阻拦,由传递损失的一系列计算公式得到的传递损失随频率的变化曲线。

    依据图2所示的带Helmholtz共鸣器的旁支管道模型,在声学仿真软件LMSVirtual.Lab中建立了如图3所示的有限元模型。声学网格均为四面体单元,所有壁面均为刚性,将管道左侧入口设为速度边界?lm/s,管道右侧出口设为阻抗面,且阻抗率与空气的特性阻抗相同。

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    为了分析颈部截面形状对共振频率的影响,将Helmholtz共鸣器的基本几何参数保持不变,仅改变截面类型,并采用旁支管道有限元模型对比它们的传递损失。Helmholtz共鸣器的基本几何参数如表1所示。

    表1 Helmholtz共鸣器的基本几何参数

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    参照图3所示的有限元模型,分别建立不同截面形状Helmholtz共鸣器的传递损失仿真计算模型,得到三种截面形状的传递损失曲线,并将其与由集中参数理论得到的结果相对比,如图4所示。由图中可以看出指数型、锥形和双曲型颈部Helmholtz的共振频率分别为116Hz、168Hz和143Hz,不同颈部形状的共振频率之差可达到40%以上;在基本几何参数相同的情况下指数型颈部Helmholtz共鸣器的共振频率更低。

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    图4 不同颈部形状Helmholtz共鸣器的传递损失对比

    由颈部形状对共鸣器的影响可知,当号筒的长度、开口半径及喉部半径一定时,相较于其他两种截面类型的共鸣器,指数型颈部Helmholtz共鸣器的共振频率更低,在整流罩的低频降噪应用中更具有潜力,因此在下文中,将以指数型颈部的Helmholtz共鸣器作为研究对象。

    在不改变共鸣器外部尺寸的前提下,通过调节颈部的几何参数(喉部半径&、颈部长度1),可改变共鸣器的共振频率。以表1中共鸣器的基本参数为初始值,分别研究刚性壁面下这两个参数变化对Helmholtz共鸣器共振频率的影响,并与理论计算结果对比。

    (1)喉部半径

    不同喉部半径下的传递损失频谱如图5所示,可以看出随着喉部半径的增大,理论与仿真的差值逐渐增大,最大差值为2.8Hz。喉部半径的变化对共振频率的影响十分显著。

责任编辑:张纯子
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