用于降低冲击噪声的非线性消声器设计

    由管道、阀门和支架等几个部分组成的管路系统是航空航天系统、工业系统中最常用的设备之一，可以方便、快捷地近距离传输各种气体或液体。作为控制流体流动的关键部件，阀门在开启和关闭时会引起管内压力的变化，流体的流动发生紊乱，并伴着管道冲击噪声的产生［1］。其中低频端冲击噪声具有不易衰减的特性，沿着管道传播很远，更容易引起管道的共振，破坏与管路相连的设备等。在工程实际中多采用在声源附近安装消声器的方式消除此类噪声。

    由一个刚性腔体和一段开口短管构成的亥姆霍兹消声器，在管道系统中也叫滤波器，是一种能有效消除低频噪声的线性消声器［2］。当声波的频率和自身的固有频率重合时，该消声器能产生较大的声阻抗，反射大部分声波能量返回到声源处［3—5］。目前，该消声器以结构简单、不需要施加额外能量等优点，在工程实际中被广泛用来消除固定频率的噪声。

    亥姆霍兹消声器的工作频带较窄，只能有效降低以自身固有频率为中心的小段频率范围内的噪声。为了克服这个缺点，很多学者基于亥姆霍兹消声器的固有频率取决于开口处的截面面积、有效长度和腔体的有效体积等几何模型参数的特点，设计了多种模型修改方案。文献［6］在腔体中加入固定面和带有马达的旋转面，通过后者的旋转来改变腔体的体积，设计成一种自适应被动控制噪声装置。文献［7］则把腔底改装成一个可以自由活动的活塞。活塞通过马达控制，设计出一种电动可调频率的亥姆霍兹消声器。文献［8］研究了两个腔体相连的消声器，共用的腔壁设计成了一个活塞，改变活塞的位置，可以同时改变两个腔体的体积。文献［9］把声压放大器放置在亥姆霍兹消声器的腔底，通过适时控制腔内压强，去匹配腔口处的压强，以此扩大固有频率。总之，目前用于主动或半主动控制的设计方案都是通过改变消声器的固有频率去匹配噪声的频率，通过反射声波能量达到消除噪声的目的。缺点是亥姆霍兹消声器不适合降低冲击噪声。据笔者所查资料，目前还没有针对单个亥姆霍兹消声器降低冲击噪声的研究。

    由于非线性系统的内共振特性，适当的设计系统参数，弱连接的线性系统和非线性系统之间会发生模态局域化现象［10，11］。模态局域化现象说明非线性系统可以获得比线性系统更多的振动能量，为吸收后者的能量提供了一种可行性方式。

    现将一个拥有强弹簧的非线性振子和亥姆霍兹消声器结构模型组合在一起，利用模态局域化特性，设计出一种新型的非线性消声器，用来有效吸收道内冲击声压，降低管冲击噪声。新型消声器具有反射声压能量和吸收声压能量两种降噪方式，而且后一种方式通过机械装置实现，而不是吸声材料，最大限度保持了亥姆霍兹消声器的共振特性。首先通过两种不同的组合方式设计两种非线性消声器模型 a、b，而后从物态方程出发建立模型的数学描述方程，最后通过数值仿真研究了非线性消声器作为声管旁支时的抗冲击噪声性能，证明了系统在无阻尼状态下有模态局域化现象发生，恰当设计模型参数，消声器可以有效降低冲击噪声，双消声器配合工作，可以有效吸收冲击噪声。