说明书消音器
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年2月7日提交的韩国专利申请No.10-2006-0011638的权益，其全部内容在此引入作为参考，就如同在此完全陈述一样。
技术领域
本发明涉及一种消音器，尤其涉及这样一种消音器，在该消音器中调节管的直径和长度以改进消音器的降噪特征。
背景技术
通常，消音器为用于降低由内燃机或通风设备产生的噪声的设备。根据其工作原理，消音器可分类为膨胀型消音器、共振型消音器或吸收型消音器，在膨胀型消音器的结构中，噪声从小直径管扩散至大直径管以便降低噪声；在共振型消音器的结构中，噪声通过多个形成于小直径管中的孔从小直径管扩散至宽共振腔室以便抵消噪声；在吸收型消音器的结构中，消音器设置有吸音材料，吸音材料吸收噪声从而降低噪声。
将参考图1描述传统的膨胀型消音器的结构和工作原理。
传统的膨胀型消音器包括：第一筒形连接管10；筒形膨胀管50，其一端与第一连接管10相连通，该膨胀管50的横截面积大于第一连接管10的横截面积；以及第二筒形连接管30，其与该膨胀管50的另一端相连通。
消音器的降噪效率可由不同的值表示。通常，消音器的降噪效率可由传输损失(TL)表示，其用代数方法表示了通过消音器传输流体时输入声压级与传输声压级的比值。
当第一连接管10和第二连接管30具有相同的横截面积时，如图1中所示的膨胀型消音器的传输损失(TL)可由以下方程式表示：
[方程式1]
TL = 10 log ( 1 + 1 4 ( m - 1 m ) 2 sin 2 kL ) ]]>
其中，m为第一连接管的横截面积与膨胀管的横截面积的比值，k为波数，而L为膨胀管的长度。
另一方面，膨胀管50与第一和第二连接管之间的连接区域通常设计成使得所述连接区域的横截面积不会突然地改变，即使其逐渐地改变，从而使流阻最小化。当所述连接区域的形状改变时，消音器的声学特性也会改变。严格来说，以上方程式中的符号L并非膨胀管50的实际测量长度，而是通过加减膨胀管50的实际测量长度来从声学上转化得到的长度。
特别地，方程式1中的符号L是指根据膨胀管50的具体应用形状、由实际测量长度修正得到的声学长度。此处，对于本发明所属领域的普通技术人员来说，计算声学长度的方法众所周知，因此将不给出对其的详细说明。
如图1所示，L表示的并非实际膨胀管50的相对两端之间的距离，而是从膨胀管50的相对两端向相应连接区域的特定位置延伸的点之间的距离。
在方程式1中，当sin2kL为1时TL取得最大值。因此，当满足以下条件时，传输损失(TL)最大：
[方程式2]
kL = nπ 2 , n = 1,3,5 , . . . ]]>
在以上方程式中，满足 k = 2 π λ ]]>的关系(λ为输入声源的波长)，因此以上方程式可由以下方程式表示：
[方程式3]
L = λ 4 n , n = 1,3,5 , . . . ]]>
由以上方程式可看到，当膨胀管50的长度为λ/4的奇数倍时，消音器的传输损失(TL)最大。
因此，在设计消音器时，计算目标频带处的波长λ以便在特定工作条件中可在目标频带处具有最大降噪效率，并且膨胀管50的长度L根据方程式3而定。
然而，具有上述构造的传统消音器所具有的问题在于，由于连接至消音器的管的共振模式的原因，当流体经过消音器时被截除的目标频带噪声重新增加。
此外，传统消音器所具有的问题在于，当在消音器中安装另外的消音装置时，根据目标频带设计的膨胀管的尺寸就变得没有意义。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种消音器，其基本上消除了由于现有技术的局限性和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的其它优点、目的和特征将在下述说明书中部分地描述，并且对于本领域的普通技术人员而言，在研究了下述内容之后将部分地变得清楚，或者其可以从本发明的实践中获知。通过在所撰写的说明书、其权利要求书以及附图中所特别指出的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为了实现这些目的及其它优点，根据本发明的意图，正如此处具体实施和概括描述的，消音器包括：第一筒形连接管，其用于引导流体流动；筒形膨胀管，其一端与该第一连接管相连通用以引导流体流动，该膨胀管的横截面积大于该第一连接管的横截面积；以及第二筒形连接管，其与该膨胀管的另一端相连通用以引导流体流动，该膨胀管的长度(L)根据该第一连接管或第二连接管的直径(D)而定。
优选地，第一连接管或第二连接管的直径(D)和膨胀管的长度(L)满足以下方程式：
L = n 4 m + 2 D ]]>
其中m和n为任意奇数。
优选地，第一连接管或第二连接管的直径(D)和膨胀管的长度(L)满足以下方程式：
L = ( l - 1 2 ) D ]]>
其中，l为任意正数。
消音器还可以包括安装于膨胀管中用以除去噪声的消音装置。根据本发明的另一个方案，消音器包括：第一筒形连接管，其用于引导流体流动；筒形膨胀管，其一端与第一连接管连通用以引导流体流动，该膨胀管的横截面积大于该第一连接管的横截面积；第二筒形连接管，其与该膨胀管的另一端连通用以引导流体流动；以及至少一个消音装置，其安装于该膨胀管中用以从膨胀管除去噪声，该第一连接管与所述至少一个消音装置之间的相对端长度、和所述至少一个消音装置与该第二连接管之间的相对端长度中的至少一个长度(L)根据第一连接管或第二连接管的直径(D)而定。
优选地，该第一连接管与所述至少一个消音装置之间的相对端长度、和所述至少一个消音装置与该第二连接管之间的相对端长度中的至少一个长度(L)满足以下方程式：
L = n 4 m + 2 D ]]>
其中m和n为任意奇数。
优选地，第一连接管或第二连接管的直径(D)、及第一连接管与至少一个消音装置之间的相对端长度和至少一个消音装置与第二连接管之间的相对端长度中的至少一个长度(L)满足以下方程式：
L = ( l - 1 2 ) D ]]>
其中，l为任意正数。
优选地，至少一个消音装置为利用共振除去特定频率噪声的共振型消音装置。
优选地，共振型消音装置包括：穿孔部，其沿圆周方向延伸同时与膨胀管隔开预定距离，该穿孔部具有一个或多个通孔；共振部，其具有限定在膨胀管的内壁和穿孔部之间的预定空间；侧壁部，其分别设置在该穿孔部的相对两端，所述侧壁部连接至该膨胀管以使该共振部构成封闭的空间。
优选地，至少一个消音装置包括多个消音装置，所述多个消音装置均安装于该膨胀管中以使所述多个消音装置彼此隔开预定距离，并且第一连接管或第二连接管的直径(D)和相应消音装置之间的距离(L)满足以下方程式：
L = n 4 m + 2 D ]]>
其中m和n为任意奇数。
优选地，第一连接管或第二连接管的直径(D)和相应消音装置之间的距离(L)满足以下方程式：
L = ( l - 1 2 ) D ]]>
其中，1为任意正数。
应该理解的是，本发明的前述一般说明和下面的详细说明均为示范性和解释性的，并且旨在对所请求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
所包含的附图提供对本发明的进一步理解，其被并入到本申请中并构成本申请的一部分，所述附图示出了本发明的具体实施例并与文字说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1为剖面图，其示出了传统消音器；
图2为剖面图，其示出了根据本发明第一实施例的消音器；
图3为剖面图，其示出了根据本发明第二实施例的消音器；
图4为剖面图，其示出了根据本发明第三实施例的消音器；
图5为剖面图，其示出了根据本发明第四实施例的消音器；
图6为剖面图，其示出了根据本发明第五实施例的消音器；以及
图7为剖面图，其示出了根据本发明第六实施例的消音器。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。只要可能，在所有附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。
首先，参考图2详细地描述根据本发明第一实施例的消音器的基本结构。
图2为剖面图，其示出了根据本发明第一实施例的消音器。类似于传统消音器，根据本发明的消音器包括：第一连接管110，其用于引导流体流动；筒形膨胀管150，其一端与第一连接管110连通以便引导流体流动，该膨胀管150具有大于第一连接管110的横截面积；以及第二筒形连接管130，其与膨胀管150的另一端相连通以便引导流体流动。
第一连接管110、膨胀管150和第二连接管130形成为筒形形状。
图3为剖面图，其示出了根据本发明第二实施例的消音器。本实施例的特征在于图2中所示的消音器中安装有消音装置。
具体而言，该消音装置安装于膨胀管150中以便从该膨胀管150除去噪声。在本实施例中，消音装置为利用共振除去特定频率噪声的共振型消音装置170。消音装置可由用于吸收噪声的吸声材料制成。此外，消音装置可构造成其它不同的形式。
共振型消音装置170包括：穿孔部171，该穿孔部171沿圆周方向延伸同时与膨胀管150隔开预定距离，穿孔部171具有一个或多个通孔；共振部173，其限定于该膨胀管150的内壁与穿孔部171之间具有预定间距；以及侧壁部175，其分别设置在穿孔部171的相对两端，所述侧壁部175连接至膨胀管150以使共振部173构成封闭的空间。
共振型消音装置170为这样一种设备，其用于减少频率与共振频率相同的声源的噪声，该共振频率根据共振部173的容积、穿孔部171中形成的通孔的尺寸和数量以及流体的物理性能而定。具体而言，共振型消音装置170使用亥姆霍兹共振器(Helmholtz resonator)的原理。根据本发明的消音器包括带有上述构造的共振型消音装置170，因而其可以根据消音器的形状来控制噪声，并且，此外，其还可以除去频率与共振型消音装置170的共振频率相同的噪声。
在下文中，将详细描述如图2和3中所示的消音器的噪声除去的设计原理。
如前所述，一般膨胀型消音器的传输损失(TL)由方程式1表示。
然而，当消音装置安装于膨胀管150中时，侧壁部175处的边界条件就被改变。实验显示在以下条件中传输损失(TL)最大：
[方程式4]
2 kL = nπ 2 , n = 1,3,5 , . . . ]]>
以上方程式可通过以下方程式表示：
[方程式5]
k = ( nπ 4 ) / L , n = 1,3,5 , . . . ]]>
另一方面，通常控制波状运动的波动方程式，由以下方程式表示：
[方程式6]
▿ 2 p - 1 c 2 ∂ 2 p ∂ t 2 = 0 ]]>
其中，p为声压级，而c为声速。
另一方面，时间因数在柱面坐标系中与声压级p分离，该声压级p可由以下方程式表示：
[方程式7]
p(r，φ，z)＝R(r)Φ(φ)Z(z)
其中，R(r)为声压级的径向分量，Φ(φ)为声压级的圆周分量，而Z(z)为声压级的轴向分量。
假设kr＞＞1，则R(r)可由以下方程式表示：
[方程式8]
R ( r ) = A 2 2 πkr cos ( kr - π / 4 ) ]]>
在R(r)＝0的条件下，径向模式满足以下方程式：
[方程式9]
kr - π / 4 = mπ 2 , m = 1,3,5 , . . . ]]>
半径r为D/2，因而方程式9可由以下方程式表示：
[方程式10]
k = ( mπ + 1 2 π ) / D , m = 1,3,5 , . . . ]]>
最后，方程式5与方程式10之间的关系满足以下方程式：
[方程式11]
L = n 4 m + 2 D , m , n = 1,3,5 , . . . ]]>
具体而言，当消音器设计成使得膨胀管的长度L和连接管的直径D满足方程式11时，在连接至膨胀管150的连接管110和130处就满足径向模式条件，同时保持消音器的降噪效率。
连接管的直径D可为第一连接管110或第二连接管130的直径D。然而，优选地，连接管的直径D为第二连接管130的直径，由此有效地防止由于第二连接管130的共振引起的、由经过膨胀管150的流体产生的噪声再增加。
另一方面，当在改变方程式11中的m和n时寻找L与D之间的简单关系时，L/D可为1/2、3/2、5/2、7/2…。这种关系可由以下方程式表示：
[方程式12]
L = ( l - 1 2 ) D , l = 1,2,3 , . . . ]]>
在图2所示的消音器中，根据以上导出的方程式的结果，膨胀管的长度L以及第一连接管和第二连接管的直径D具有由方程式11表示的关系。因此，满足消音器的衰减条件和连接管处的径向模式条件。优选地，将消音器设计成满足方程式12，该方程式12比其它方程式更简单。
另一方面，图3所示的消音器中包括共振型消音装置170。因此，消音器被设计成使得L1和L3满足方程式11或方程式12。共振型消音装置170的长度L2根据共振型消音装置170需要除去的特定频率而定。共振型消音装置170的共振频率根据共振型消音装置170的长度、穿孔部171的通孔的尺寸和设置方式而定。因此，根据实际上产生大量噪声的频率，通过调节以上限定的因数来设计消音器。
因此，除去根据膨胀管150的长度L而定的特定频率噪声，同时，在L1和L3部分中满足第一连接管110和第二连接管130的模式条件，由此有效地防止由于第一连接管110和第二连接管130引起的共振，并且在L2部分，即共振型消音装置170中，除去与目标频率相对应的噪声。
在下文中，将参考图4和5详细地描述根据本发明的第三和第四实施例的消音器。
图4示出了图3所示的消音器的一种改型。如图4所示，消音器被构造成这样一种结构，其中共振型消音装置270直接连接至第一连接管210，而第二连接管230安装在膨胀管250中。
第二连接管230具有朝向膨胀管250伸出的延伸管231。
在上述结构中，没有设置嵌件的未占用空间的长度L2满足以下方程式：
[方程式13]
L 2 = n 4 m + 2 D , m , n = 1,3,5 , . . . ]]>
方程式13可由以下简化的方程式表示：
[方程式14]
L 2 ( l - 1 2 ) D , l = 1,2,3 , . . . ]]>
图5示出了以这样一种结构构造的消音器，其中不同于图4所示的消音器，第二连接管240没有延伸管。
即使在这种结构中，消音器也被设计成使得没有设置嵌件的未占用空间的长度L2满足方程式13和方程式14。
同时，图4和图5所示的消音器的特征在于第一连接管110的直径不同于第二连接管的直径。因此，优选地，消音器根据第二连接管的直径D设计，以便有效地防止由于连接管的共振引起的、由经过该消音器的流体产生的噪声再增加。
在下文中，参考图6和图7详细地描述根据本发明的第五和第六实施例的消音器。
图6和图7中所示的消音器各包括第一连接管310、膨胀管350和第二连接管330。在膨胀管350中，安装有嵌件371、373；381、382、385，例如消音装置。
参看图6，嵌件371和383可为诸如共振型消音装置之类的消音装置。此外，嵌件371和383可构造成其它不同的形式。即使在这种情况下，消音器也被设计成使得没有设置嵌件的未占用部分的长度L1、L3和L5满足方程式11和方程式12。
另一方面，图7所示的消音器被设计成使得没有设置嵌件的未占用部分的长度L1、L3、L5和L7满足方程式11和方程式12。
对于本发明所属领域的技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。因此，这意味着，本发明覆盖在所附权利要求书及其等同范围内的所有修改和变化。
由以上说明书显而易见，本发明具有以下效果。
第一，膨胀管的长度根据连接至消音器的管的直径而得以优化。因此，可以防止由连接至消音器的管所引起的共振，从而改进消音器的降噪效率。
第二，当消音装置安装于膨胀管中时，膨胀管的长度根据消音装置而定。因此，可以通过使用消音装置进一步降低噪声。