声音衰减系统和方法.pdf

本发明公开了声音衰减系统和方法。提供了用于增大噪声抑制装置的声音衰减属性的方法和装置。在一些实施例中，声音衰减导管(68)具有提供增大的声音衰减属性的改进形状。在其它实施例中，声音衰减导管(68)被堆叠在一起并且被成形为增大了气流横截面。又一些其它实施例提供了包括改进的声音衰减导管(68)的机器。

权利要求书
1.  一种声音衰减导管(68)，包括：
流体路径，包括流体入口和流体出口；以及
侧壁(70)，包括内壁(90)和外壁(88)，其中所述内壁(90)和所述外壁(88)限定了声音衰减腔(77)，并且所述内壁(90)包括将所述声音衰减腔(77)声学耦合到所述流体路径的开口(76)；
其中所述侧壁(70)包括相对于所述流体路径的纵轴的六边形横截面。

2.  根据权利要求1所述的声音衰减导管(68)，其中所述内壁(90)包括相对于所述流体路径的所述纵轴的所述六边形横截面。

3.  根据权利要求1所述的声音衰减导管(68)，其中所述外壁(88)包括相对于所述流体路径的所述纵轴的所述六边形横截面。

4.  根据权利要求1所述的声音衰减导管(68)，其中所述开口(76)限定了沿所述内壁(90)的穿孔图案。

5.  根据权利要求1所述的声音衰减导管(68)，包括与所述侧壁(70)同轴设置的同轴挡板(86)，所述同轴挡板(86)包括限定声音衰减腔(94)的壳(92)以及被配置成将所述声音衰减腔(94)声学耦合到所述流体路径的开口(76)。

6.  根据权利要求5所述的声音衰减导管(68)，其中所述同轴挡板(86)具有相对于所述纵轴的圆形横截面。

7.  根据权利要求5所述的声音衰减导管(68)，其中所述同轴挡板(86)具有相对于纵轴的另一六边形横截面。

8.  根据权利要求5所述的声音衰减导管(68)，其中所述同轴挡板(86)包括至少一个隔板(96)，所述至少一个隔板被设置在所述声音衰减腔(94)内并且被配置成衰减和反射声音。

9.  根据权利要求8所述的声音衰减导管(68)，其中所述至少一个隔板(96)包括相对于所述同轴挡板(86)的纵轴的十字形横截面。

10.  根据权利要求1所述的声音衰减导管(68)，包括至少一个挡板(98)，所述至少一个挡板(98)包括限定至少一个声音衰减腔(100)的中空面板以及被配置成将所述至少一个声音衰减腔(100)声学耦合到所述流体路径的至少一个开口(76)，且其中所述至少一个挡板(98)附着到所述导管(68)的所述内壁(90)。

说明书声音衰减系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及噪声抑制技术，而且更具体地涉及提供改进的声音衰减属性的系统和方法。
背景技术
由飞机、汽车和其它现代机器引起的环境噪声可能通常招人讨厌。为了将噪声维持在可接受的水平之下，通常采用噪声抑制技术。因此，噪声抑制已经成为具有各式各样的工业及住宅应用的重要技术。噪声抑制装置通常被应用于供热通风与空调(heating ventilation and airconditioning，HVAC)系统、工业机器及综合体(complex)、运输车辆以及任何可倾向于产生不可接受的高水平噪声的机器。
因而，存在用于抑制噪声的各种装置和技术。例如，为了减小由供热与空调系统产生的噪声，通常将噪声抑制装置装配到通风管道、通风入口及出口、气体抽取装置(extract)等内。在工业设施中，噪声抑制技术通常被应用于诸如压缩机之类的机器的排风管道、排风烟囱和吸气管道。为了进一步减小环境噪声，通常将大声的机器包含在装配有消声隔墙的隔声壳内。为了在给隔声壳提供空气循环的同时仍减小噪声，通风口通常装备有隔声罩、百叶窗、消声器或其组合。
由此类装置提供的声音减小或衰减的水平通常用装置的插入损耗来描述。插入损耗是由将声音衰减装置插入到声音传导通道中引起的声音振幅的减小，并且通常是以分贝测量的。在其中在声音传导通道的输出端测量声音振幅的测试配置中，插入损耗可被定义为在未插入声音衰减装置情况下的声音振幅(A1)与在插入声音衰减装置情况下的声音振幅(A2)之比。这个比然后可以根据以下方程予以表示：
插入损耗(db)＝20log(A1/A2)
典型地，此类装置的插入损耗随着装置长度的增加而增大。而且，为了维持可接受的气流，可以扩大装置的总横截面面积以补偿由声音衰减元件引起的气流阻力。结果，噪声抑制设备可能倾向于体积大且昂贵。因此，或许有益的是给装置提供改进的声音衰减。
发明内容
本公开内容的实施例提供了增大某些噪声抑制装置的声音衰减属性的方法和装置。更具体地，本实施例包括带有提供增大的声音衰减属性的改进形状的声音衰减导管。在一些实施例中，声音衰减管道被堆叠在一起，并且被成形为增大了气流横截面。另一些实施例提供了包括改进的声音衰减导管的噪声产生机器。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中相似字符表示相似部件，其中：
图1是示出依据某些实施例可向其装配声音衰减设备的各种噪声源的示例性建筑物的环境视图；
图2是具有依据某些实施例可向其装配声音衰减设备的汽轮机的示例性系统的框图；
图3是示出依据某些实施例可应用于图1和2所描绘的各种噪源的示例性声音衰减导管的立体图；
图4是图示依据某些实施例的图3所示的示例性声音衰减导管的横截面图；
图5是图示声音衰减导管的另一实施例的横截面图；
图6是示出依据某些实施例堆叠在一起的若干声音衰减导管的立体图；以及
图7是图示图3和4所示的声音衰减导管的改进的声音衰减属性的图表。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或更多特定实施例。在提供对这些实施例的简要描述的努力中，在说明书中或许不描述实际实施方式的所有特征。应当明白，在任何这种实际实施方式的开发中，如在任何工程化或设计项目中那样，必须做出众多实施方式特定的决定以达到开发者的特定目标，诸如顺从系统有关与商业有关的约束，这些约束可能随实施方式而变化。此外，应当明白，这种开发努力也许很复杂且耗时，但对那些了解本公开内容益处的普通技术人员而言不过是设计、制作和制造的常规任务。
本发明的各方面涉及改进的噪声抑制技术。具体而言，依据某些实施例的噪声抑制导管被成形为提供改进的声音减小特性。改进的导管形状增大了依据本文所描述的技术制成的噪声抑制装置的插入损耗。结果，依据本实施例的噪声抑制导管与提供相当插入损耗水平的其它噪声抑制导管相比可以更小、更轻且更便宜。而且，在某些实施例中，导管的形状允许堆叠的导管配置，该导管配置高效地利用了导管堆的可用横截面面积以及因而提供经过导管堆的高气流水平。
现在转向图，图1描绘了带有各种噪声源和噪声能够逃逸到外部环境的各种吸气点及排气点的示例性建筑物10。建筑物10可以是工业综合体或住宅建筑物。建筑物10包括一个或多个噪声源，诸如机器12，其可能包括供热系统、空调系统、电动机、涡轮机、压缩机、泵、机床等等。由这些源产生的噪声可能给建筑物10内或周围的人们造成烦恼。
例如，机器12可以包括进气口14，进气管14可以给机器12的气体压缩机提供空气。建筑物10还可以包括通风系统。因而，建筑物10可以包括通风入口16，通风入口16从外部吸取空气并且经过空气管道18将空气分布到建筑物10内。例如，建筑物10还可以包括用于给建筑物10内的机器(诸如空调单元)提供外部空气的空气抽取装置20。建筑物10还可以包括通风排气装置22。另外，机器12可以产生可经过排气烟囱24排出的废气。
要明白，吸气及排气点可以给建筑物10内产生的噪声提供逃逸到外部环境的机会。为了符合政府制定的安全与环境标准和另外减小噪声，依据所公开的实施例的各种声音衰减装置可以声学地耦合到遍及建筑物10的噪声源。例如，空气抽取装置20和通风排气装置22可以包括隔声百叶窗26。建筑物10的外壁还可以装配有隔音面板28。另外，空气管道30和排气管道32可以装配有吸收由机器12产生的声音的消声器。而且，大声的机器可以被装在壳34内，壳34可以包括隔墙36并且可以装配有隔音通风罩38。
图2是包括与依据本技术实施例的声音衰减设备声学耦合的汽轮机42的示例性系统40的框图。例如，该系统40可以包括航行器、船只、机车、发电系统或其组合。因而，负载44可以包括发电机、推进器、传动机件、驱动系统或其组合。所图示的汽轮机42包括吸入部分46、压缩机48、燃烧器部分50、涡轮机52和排出部分54。涡轮机52经由轴56与压缩机48驱动耦合。
如箭头所示，空气流经吸入部分46并进入压缩机48，压缩机48在空气进入燃烧器部分50之前压缩空气。所图示的燃烧器部分50包括压缩机48和涡轮机52之间绕轴56同心或环形设置的燃烧器外罩58。在燃烧器外罩58内部，燃烧器部分50包括绕轴56以圆形或环形配置被设置在多个径向位置处的多个燃烧器60。来自压缩机48的压缩空气进入每个燃烧器60，然后在相应的燃烧器60内与燃料混合并燃烧以驱动涡轮机52。所得到的功率中的一些或全部可以用来驱动轴56旋转以给压缩机48和/或负载64供电。在一些实施例中，废气被用作诸如喷气式飞机之类的车辆的推力源。
如图2所描绘的，系统40包括噪声逃逸的两个主区。具体而言，源自燃烧器部分50、压缩机部分48、涡轮机部分52或其组合的噪声可以倾向于在吸入部分46和排出部分54处从系统40逃逸，如通过声波66所图示。为了把由系统40释放的噪声减小到可接受的水平，系统40可以包括在去往/来自吸入部分46和排出部分54的流路径中或沿该流路径的依据本发明的声音衰减装置，诸如消声器。下面将进一步描述的声音衰减装置允许空气通过同时减小声音的振幅。
图3描绘了在上面依据实施例所描述的各种声音衰减装置中可以采用的示例性声音衰减导管68。导管68可以是六边形并且可以包括侧壁70，所述侧壁70引导空气的流动并且衰减行经导管68的声波。例如，导管68可以由诸如塑料或金属薄片之类的任何适当材料形成。如下面将进一步讨论的，导管68的六边形形状与现有技术的方形或矩形导管相比提供了增高的声音衰减，而且仍然能够实现高效堆叠的配置。尽管为方便起见本公开内容提到空气导管，但是要明白所公开的实施例还可以包括传导声音可能经其行进的任何气体或流体的导管。
导管68可以声学耦合到诸如图2所示的涡轮机52或压缩机48之类的噪声产生装置。导管68还可以声学耦合到机器12或耦合在空气导管18和30内，如图1所示。在图3所示的实施例中，流经导管68的空气的方向由箭头74表示，而行经导管68的声音的方向由箭头72表示。如空气和声音的方向所示，要明白，图3所描绘的导管68是吸入导管。然而在一些实施例中，导管68或导管68阵列还可以作为排出，在这种情况下声音和空气可能以相同方向行进。如所图示的，导管68的六角形形状可以表征为六角形横截面，六角形横截面大体上与导管和流体流路径(例如沿箭头72、74)的纵轴交叉(例如垂直)。
为了吸收声音，导管68的侧壁70可以是形成声音衰减腔77的中空壳。应当注意的是，如本申请中所用的术语“中空”旨在描述侧壁70的形式并不涉及侧壁70是否填充有声音衰减材料。沿导管68的内表面可以存在若干使声音能够进入声音衰减腔77的开口76。为了增大声音衰减的水平，这些腔77可以填充有声音衰减材料78，诸如矿棉、玻璃纤维、泡沫或者任何其它适合用于衰减声音的材料。而且，在一些实施例中，可以包括同轴挡板(baffle)86以增大导管68的声音衰减，这将在下面进行进一步的描述。
当声音行经导管68时，一些声音经过开口76进入声音衰减腔77并且被声音衰减材料78衰减，从而减小了从导管68出去的声音的振幅。然而，打到导管68的内表面的一些声音将被反射而不是被吸收到声音衰减腔77中。所反射的声波然后可以在打到导管68的另一内表面(在此部分声音将再次进入声音吸收腔并且被衰减)之前传播经过导管。
转向图4，示出了图3所示的示例性声音衰减导管68的横截面图。如图4所示，侧壁70包括形成导管68外部的外壁88和形成导管68内表面的内壁90。外壁88和内壁90一起形成声音衰减腔77，声音衰减腔77可以填充有声音衰减材料78，如上所讨论的。沿内壁90设置若干开口以使得导管68内的声波能够进入声音衰减腔77。同轴挡板86可以是形成第二声音衰减腔94的中空圆柱体92，中空圆柱体92也可以填充有声音衰减材料78。中空圆柱体92中的附加开口76使得声音能够进入第二声音衰减腔94。在一些实施例中，同轴挡板86还可以包括一个或多个用以进一步在同轴挡板86内衰减和反射声波的隔板96。另外，同轴挡板86还可以是方形、六边形或任何其它形状。在一些实施例中，可以除去同轴挡板86。
如图3和4所描绘的，侧壁70的横截面可以形成等边六边形以致导管68将是以六方柱的形状。在各种实施例中，侧壁可以形成带有三边、五边、六边或六边以上的任何多边形形状。多边形形状可以被选择成使得多个导管能够以矩阵形式(matrix)装配到一起而在中间不浪费任何空间。换言之，多边形形状可以使得每个导管的每侧能够直接抵靠相邻导管的壁紧密配合。而且，可以在导管68的末端使侧壁70和同轴挡板86成圆形或锥形以增大导管的空气动力学性能。
可以控制导管68的尺寸以平衡导管68的声音衰减和气流属性。例如，导管68的声音衰减可以通过增大壁厚度80予以增大，增大壁厚度80可以增大声音衰减腔的大小和侧壁70中所包括的音衰减材料78量。另外，可以增大长度82以改进导管68的声音衰减属性。然而，增大壁厚度80和/或长度82还可能增大导管68的气流阻力。因此，为了维持或改进气流，可以通过增大导管68的区段长度84来增大容积流率。然而，增大导管的大小还增加了装置的重量、空间消耗和成本。另外，许多应用具有可用于噪声抑制装置的有限空间量。出于这些原因，期望的是在较小的空间中改进管道的声音衰减。
因而，本申请的实施例使得能够增大给定导管大小的声音衰减。增大的声音衰减可能起因于如下事实：侧壁彼此成60度角，以使得声波可能倾向于以更短的导管68长度从更多声音衰减表面被反射。这样，与其它导管相比该导管68的声音衰减可以得以增大。因为导管68的形状提供了增大的声音衰减，所以声音衰减的期望水平可以用与其它导管相比减小的长度82或减小的壁厚度80的导管68来获得。减小壁厚度80和长度82可以提供增大的气流经过导管68，同时还提供了成本节约、空间节省以及重量减小的较小装置。
现在转向图5，声音衰减导管68的另一实施例示出了具有不同的挡板98以增大导管68提供的声音衰减水平。如图5所示，挡板98可以是把导管68的内横截面分割成部分并限定声音衰减腔100的中空面板。挡板98可以由平行板102形成并且可以填充有声音衰减材料78。而且，挡板98的两侧可以包括开口76。通过包括挡板98，可以增大导管68内的声音衰减表面积的量，因而缩短导管68的长度82，这将提供期望的声音衰减水平。然而，在导管68内放置挡板98还可能倾向于增大经导管68的气流阻力，这可以通过增大导管68的横截面面积予以补偿。挡板98可以或可以不延伸导管68的全长。
现在转向图6，依据实施例示出了示出堆叠在一起的若干声音衰减导管68的立体图。在一些情况下，使用噪声抑制装置的各种设备或装置可以紧密地捆扎在一起。例如，在一些情况下，特定汽轮机入口或排出口可能差不多三十英尺高和三十英尺宽。为了有效地减小由这种大开口发出的噪声，可以是用成百上千的声音衰减导管68来覆盖开口的整个横截面面积。因此，如图6所示，堆叠声音衰减导管68可能是有用的。在所示的实施例中，七个六边形导管68被堆叠在一起以形成管道堆104。因为它们是六边形的，所以导管68以蜂窝或矩阵配置形式装配到一起并且导管的外表面之间的间隙基本上被降低或完全消除。这样，对于给定管道堆104的总面积而言，增大了横截面流面积，同时与其它导管相比仍然提供了增大的声音衰减。
现在转向图7，提供了图示图3和4所示的声音衰减导管68的改进声音衰减属性的图表。图表106绘制了作为频率函数的由各种声音衰减导管提供的插入损耗。插入损耗表示由导管68提供的声音振幅的降低(以分贝(dB)测量的)。因而，插入损耗越大，导管在衰减声音方面的有效性或性能越高。应当注意的是，图表106表示经过计算机仿真和计算所获得的声音衰减结果。因此，实际结果可能变化。
实线108表示带有内挡板的长矩形导管的插入损耗。虚线110、112、114和116表示带有依据本技术实施例的同轴挡板的六边形导管68所提供的插入损耗。具体而言，线110表示长度等于长矩形导管108的六角形导管，而线112、114和116表示长度为线108所表示的长矩形导管长度的一半、八分之三和四分之一的六角形导管。长六角形导管和长矩形导管提供了近似相等的横截面面积和气流阻力。然而，如图表106可以看出，长六角形导管与由线108表示的带有内挡板的相等长度矩形导管相比在所有频率上提供显著增大的插入损耗。在一些实施例中，六角形导管的插入损耗可能比带有内挡板的相等长度矩形导管大若干分贝。由线112表示的较短六角形导管尽管近似为长矩形导管的一半长度，但是与矩形导管相比仍然在低频处提供近似相等的插入损耗并且在高频处提供显著增大的插入损耗。由线114表示的更较短六角形导管与矩形导管相比在高频处提供较佳的插入损耗。最后，由线116表示的四分之一长度的六角形导管在所有频率上提供减小的插入损耗，但四分之一长度的六角形导管与长矩形导管大体上相当。换言之，在与矩形导管相比长度大大减小的情况下，由四分之一长度的六角形导管提供的插入损耗仍然相当大，尤其是在高频处更是如此。
如图表106所论证的，噪声抑制装置的声音衰减属性可以使用上面所描述的实施例予以显著增大。本技术的实施例可以包括诸如消声器之类的各式各样的噪声阻止装置，其可以用于管道工作、气体交换、排出管道、吸气管道或者噪声可以逃逸到外部环境的任何其它应用中。本技术的实施例还可以包括在机器的吸气和/或排除部分中包括声音抑制装置的某些机器，诸如汽轮机或喷气发动机。本领域技术人员可以想到上面描述的声音衰减装置的其它应用。
虽然仅仅图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，要理解：所附权利要求旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有这种修改和变化。