一种压力自平衡水动力噪声消声器.pdf

本发明的目的在于提供一种压力自平衡水动力噪声消声器，包括内层穿孔管、端面法兰、桶装壳体，端面法兰分别与内层穿孔管和桶装壳体密闭连接从而形成腔室，腔室内填充可压缩弹性元件，内层穿孔管一端连接进口管、另一端连接出口管，内层穿孔管上设置有内层穿孔管穿孔。本发明结构紧凑，省去了传统的蓄能器充放气装置，其工作时能够随系统静压力的改变而自平衡；该消声器结合了抗式消声器和蓄能器的优点，消声频率可调性强，能够有效地抑制宽频水动力性噪声。

权利要求书一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：包括内层穿孔管、端面法兰、桶装壳体，端面法兰分别与内层穿孔管和桶装壳体密闭连接从而形成腔室，腔室内填充可压缩弹性元件，内层穿孔管一端连接进口管、另一端连接出口管，内层穿孔管上设置有内层穿孔管穿孔。
根据权利要求1所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：位于腔室一侧的内层穿孔管外壁上安装外层穿孔管，外层穿孔管上设置有外层穿孔管穿孔，内层穿孔管和外层穿孔管之间通过调节螺钉、内层穿孔管穿孔、外层穿孔管穿孔相连，通过调节螺钉、内层穿孔管穿孔、外层穿孔管穿孔可调节内层穿孔管和外层穿孔管的相对位置。
根据权利要求2所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：外层穿孔管上安装金属丝网，金属丝网网孔的大小以可压缩弹性元件无法穿过为上限。
根据权利要求1所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：内层穿孔管的穿孔率为50%,内层穿孔管穿孔直径为10mm。
根据权利要求2或3所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：内层穿孔管和外层穿孔管的穿孔率均为50%,内层穿孔管穿孔和外层穿孔管穿孔的直径均为10mm。
根据权利要求1‑3任一所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：所述的可压缩弹性元件为封闭的充气的规则球体或不规则球体，可压缩弹性元件之间的大小和材质均不一致。
根据权利要求4所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：所述的可压缩弹性元件为封闭的充气的规则球体或不规则球体，可压缩弹性元件之间的大小和材质均不一致。
根据权利要求5所述的一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：所述的可压缩弹性元件为封闭的充气的规则球体或不规则球体，可压缩弹性元件之间的大小和材质均不一致。

说明书一种压力自平衡水动力噪声消声器
技术领域
本发明涉及的是一种消声器，具体地说是用于抑制管路系统水动力噪声的消声器。
背景技术
管路系统是国民经济的各个领域及日常生活中常见的装置，如生活用水管路及冷却用水管路等都普遍存在于各类船舶，但水管路的振动噪声至今还没有得到很好的控制，如何减少管路系统噪声仍然是困扰人们的一道难题。
充液管路噪声的影响在于管道内的噪声通过管壁向外辐射以及在出口处直接向环境中辐射，对人的工作和生活产生较大影响。压力脉动还直接导致管道的应力脉动和机械振动，特别是当脉动频率与管道系统的固有频率接近时，具有很大的破坏作用。例如国内外均发生过飞机液压管道破裂引起发动机燃烧、飞机坠毁的事件,也曾多次发生输油管道破裂事故。管道压力脉动的一种特殊情况是水管路中常见的水锤现象，国内外由水锤引起的管路破坏事故很多。
一般对充液管路系统常采取的减振降噪措施主要有以下几种：一是减少泵、阀等管路部件的流量脉动；二是从负载系统的角度出发，减少系统的输入阻抗，则在同样的流量脉动下压力脉动会相应减少；三是在管路中安装液体消声器等辅助设备，对压力脉动进行衰减和滤波。其中在管路中安装液体消声器是应用最广泛的一种方法。
现有的水动力噪声消声器主要有由空气消声器演化而来的扩张式、内插管式、共振式等抗性消声结构以及蓄能器。
抗性消声结构液体消声器设计存在如下困难:首先，频率一定时液体介质中声波的波长比空气中的波长大四倍多，相同消声频率下消声器的尺寸势必增大，但尺寸增大会受到安装空间的制约；其次，空气介质中常用的吸声、隔声材料在液体介质中基本上都是透声的，水液体介质消声器不宜按空气消声器设计中经常采用的穿孔结构进行设计。
蓄能器是从负载系统出发来衰减压力脉动，安装蓄能器能有效地降低管路流体脉动和噪声，但是现有的蓄能器一般体积较大，消声频率单一，因而难以抑制宽频的水动力性噪声，且对于系统静压力变化的使用环境，蓄能器需要附加充放气装置以平衡系统静压力，这进一步增大了其体积，增大了其结构的复杂性，限制了其在有限空间的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供省去了传统的蓄能器充放气装置且能够随系统静压力的改变而自平衡的一种压力自平衡水动力噪声消声器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种压力自平衡水动力噪声消声器，其特征是：包括内层穿孔管、端面法兰、桶装壳体，端面法兰分别与内层穿孔管和桶装壳体密闭连接从而形成腔室，腔室内填充可压缩弹性元件，内层穿孔管一端连接进口管、另一端连接出口管，内层穿孔管上设置有内层穿孔管穿孔。
本发明还可以包括：
1、位于腔室一侧的内层穿孔管外壁上安装外层穿孔管，外层穿孔管上设置有外层穿孔管穿孔，内层穿孔管和外层穿孔管之间通过调节螺钉、内层穿孔管穿孔、外层穿孔管穿孔相连，通过调节螺钉、内层穿孔管穿孔、外层穿孔管穿孔可调节内层穿孔管和外层穿孔管的相对位置。
2、外层穿孔管上安装金属丝网，金属丝网网孔的大小以可压缩弹性元件无法穿过为上限。
3、内层穿孔管的穿孔率为50%,内层穿孔管穿孔直径为10mm。
4、内层穿孔管和外层穿孔管的穿孔率均为50%,内层穿孔管穿孔和外层穿孔管穿孔的直径均为10mm。
5、所述的可压缩弹性元件为封闭的充气的规则球体或不规则球体，可压缩弹性元件之间的大小和材质均不一致。
本发明的优势在于：本发明结构紧凑，省去了传统的蓄能器充放气装置，其工作时能够随系统静压力的改变而自平衡；该消声器结合了抗式消声器和蓄能器的优点，消声频率可调性强，能够有效地抑制宽频水动力性噪声。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为单个充气小球放置于腔室中引起的传递损失图；
图3为充气小球的大小对传递损失峰值的影响曲线图；
图4为穿孔率调节的示意图一；
图5为穿孔率调节的示意图二；
图6为穿孔示意图一；
图7为穿孔示意图二。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～7，本发明具有一个圆筒形内层穿孔管1、一个同轴放置的圆筒形外层穿孔管2，内层穿孔管1与其端面法兰13封闭连接，外层穿孔管2外包覆有金属丝网22；外层穿孔管2与其端面法兰13、筒状壳体3构成一腔室，腔室内部填充有多个充气小球或其它形状的、封闭的、可压缩弹性元件4，小球或其它形状、封闭的、可压缩弹性元件4具有不同的尺寸；内层穿孔管1和外层穿孔管2之间的相对位置可以通过调节螺钉23改变；筒状壳体3的右端面34和出口管段的左端面51由螺栓35连接，整个消声器通过内层穿孔管的入口端法兰24和出口管段的右端法兰52连接到水管路系统。
腔室内部放置充气小球或其它形状的、封闭的、可压缩弹性元件4，由于弹性元件4的可压缩性好，因此弹性元件4中的声速大大低于水中的声速，合适选择弹性元件的结构参数，使一定频率的入射声波作用到小球表面时候入射声阻抗趋近于0,达到消声的目的，由于每个弹性元件是封闭和独立的，弹性元件置于工作流体中时其封闭外表面受到均布压力，所以当充液管路的系统静压力改变时，封闭的可压缩弹性元件发生膨胀或收缩而平衡掉外部的系统静压力，弹性元件的材质或结构尺寸不同，从而使消声器具有多个不同的消声频率，达到宽频消声的目的。
圆筒形内层穿孔管1和圆筒形外层穿孔管2在中部为穿孔区，靠近两端部位不穿孔，穿孔管的穿孔率为50%,每个穿孔管的穿孔直径都为10mm，两个穿孔管同轴放置，通过调节螺钉23调节两个穿孔管的轴向相对位置从而改变两个穿孔管段的空隙重合度（如图4和图6所示），从而改变整个消声器的穿孔率，进而改变消声器的消声频率。
外层穿孔管2外包覆有金属丝网22，金属丝网22的网孔以不使弹性元件4能通过穿孔管的穿孔为尺寸上限，以使内层穿孔管1内部的流体能够充分接触到腔室内的弹性元件4为尺寸下限。金属丝网的作用是：当系统静压力骤降或管路流量波动较大时保护弹性元件4不被尖锐的穿孔边缘割破，同时阻挡弹性元件使其不会穿过穿孔管而流入到管路系统中。
内层穿孔管1与端面法兰13封闭连接；内层穿孔管端面法兰13与筒状壳体3通过螺栓连接，它们之间设置密封装置；外层穿孔管2与内层穿孔管端面法兰13、筒状壳体3构成一腔室，筒状壳体3的右端面34和出口管段的左端面51由螺栓35连接，它们之间设置密封装置36；整个消声器通过内层穿孔管1的入口端法兰24和出口管段的右端法兰52连接到水管路系统。
使用穿孔管将消声器的进出口连接起来是为了降低流体的流动阻力损失。声波通过穿孔管的壁面上的小孔进入到腔室中，在腔室的前后端面处发生反射、干涉，实现消声。对于管内流体的流动来说，穿孔管的引入相当于增加了一个引导桥，使水流能够将为顺利地通过，从而降低流动阻力损失。
双层穿孔管的穿孔率可调节，两个穿孔管同轴放置，通过调节螺钉23调节两个穿孔管的轴向相对位置从而改变两个穿孔管段的空隙重合度，从而改变整个消声器的穿孔率；穿孔率和穿孔孔径改变了穿孔阻抗从而使其声学性能可调。
当穿孔管的穿孔率较低时，穿孔管的引入对消声器的低频消声性能影响较小，对中频消声性能有很大提高，对高频消声性能影响有限，穿孔率越低，消声器的流体阻力损失越小，特别是当管内流速较大时穿孔管的作用越明显；随着穿孔率的增加，有效消声频带随之升高。当总的穿孔率>25%时，穿孔管对声学性能的影响可以不考虑，整个消声器体现为膨胀腔特性。
当入射声波进入到消声器后，首先在入口端面法兰13处通流面积突缩而阻抗不匹配，发生反射，部分入射声波在出口筒状壳体的右端面34处通流面积突扩而发生阻抗不匹配，发生反射；这两部分反射波向上游传播的过程中发生叠加，当筒状壳体的轴向长度等于1/4入射声波波长的奇数倍时，两部分反射波的相位相差180o而发生相消干涉，这时入射波对应的频率下具有最大的降噪量，当筒状壳体的轴向长度等于1/4入射声波波长的偶数倍时，入射波对应的频率下具有最低的降噪量；同时由于充气小球或其它形状的、封闭的、可压缩弹性元件4内部的声速大大低于流体介质中的声速，当入射声波传递到弹性元件表面时发生阻抗失配，每一个弹性元件对应一个固有消声频率，特别是当入射声波的频率与弹性元件的固有频率吻合时，流体质点在充气小球或者其它弹性元件表面剧烈振动，声波在接触面上的入射阻抗趋近于0，即充气小球或者其它弹性元件4表面的声压趋近于0，入射声波发生了强烈的反射而使该频率下消声器具有了最大的降噪量。
使用有限元软件计算得到的放入单个充气小球引起的传递损失如图2所示。在图中可以看到，腔室中添加充气小球后可以在小球固有频率处引入一个传递损失峰值。充气小球的尺寸对传递损失的影响如图3所示。如果放入的多个弹性元件的结构尺寸不同，从而使消声器具有多个不同的消声频率，就能达到宽频消声的目的。
内层穿孔管1上布满孔径φ10mm的小孔11，穿孔率50%，内层穿孔管1与其进口管法兰24焊接，同时内层穿孔管1与其端面法兰13焊接，端面法兰13上局部有8个螺栓孔。外层穿孔管2的内径与内层穿孔管1的外径相同，穿孔直径、穿孔率和内层穿孔管1相同，外层穿孔管2的右端加工有如图6所示的调节孔24；外层穿孔管2的外围包覆有一层金属丝网22防止弹性元件4穿过穿孔管；外层穿孔管2同轴套在内层穿孔管1上，调节两个穿孔管的轴向相对位移就改变两层穿孔管的空隙的重合率。
筒状壳体的左端面法兰31上均布有8个螺栓孔，与内层穿孔管端面13上的均布的8个的螺栓孔对应。穿孔管深入至筒状壳体3的右端面34的通孔中，内外层穿孔管的端面法兰13和筒状壳体的左端面法兰31通过螺栓33连接，连接面上装有密封装置32。
出口管5和进口管25的内外直径相同，出口管的左端与端面51焊接，右端与消声器出口法兰52焊接。
筒状壳体3的右端面34上均布有8个螺栓孔，与出口管段的左端面51上的均布的8个螺栓孔对应。筒状壳体3和出口管段5通过螺栓35连接，连接面上装有密封装置36。
外层穿孔管2的外围和筒状壳体3的内表面以及前后两个端面13、34构成一腔室，在腔室内填充有充气小球或其它形状的、封闭的、可压缩弹性元件4。
将整个消声器通过入口法兰24和出口法兰52接入到管路系统中，工作时，管路上游的液体通过进口法兰24进入到消声器内部，部分液体通过穿孔管进入到腔室，当系统的静压改变时，封闭的、可压缩弹性元件4通过膨胀或收缩而平衡掉外部的系统静压力。
液体携带有水动力噪声，水动力噪声在腔室内部通过两种机理予以消减。其一为：入射噪声在进口流道截面突然扩大的处和出口流道截面突然缩小处均发生反射，当腔室的轴向长度等于1/4入射声波波长的偶数倍时，两列反射声波的相互抵消，反映到传递损失曲线上位该频率对应传递损失的峰值，当腔室的轴向长度等于1/4入射声波波长的奇数倍时，对应传递损失的0值。此时整个消声器的传递损失具有拱形的膨胀腔特性；当调节穿孔率至较小值时，整个消声器的传递损失具有共振式特性。噪声消减的机理二为：当特定频率的水动力噪声入射到小球时，入射阻抗趋近于0，即流体质点在充气小球或者其它弹性元件表面剧烈振动，但表面的声压却趋近于0，以此达到在特定频率处消声的目的。由于多个封闭的、可压缩弹性元件具有多个不同的消声频率，以此达到在宽频消声的目的。