基于声线偏折理论的消声器

摘要

本发明涉及一种基于声线偏折理论的消声器，包括消声器壳体和低温制冷系统和温度控制装置，消声器壳体内壁敷设吸声材料和结构，在消声器壳体外壁上安装低温制冷系统。低温制冷系统管道覆盖在气流管道外壁至少5％的面积。本发明低温制冷系统安装在消声器上，相对于气流管道中的高温产生一个较大(1-2000℃)的温度梯度，声线会朝向冷端即气流管道内壁吸声材料和结构处弯曲偏折，减少消声器管道内不与消声器吸声材料和结构接触而掠过的声波成分，增强对管道内噪声的有效吸收，降低辐射噪声。本发明可应用在航空涡扇发动机短舱消声设计，也可用于直升机涡轴发动机消声涵道、燃气涡轮等进排气管路系统，及其他方便并允许提供冷端低温制冷系统的环境条件中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种消声器，特别涉及一种基于声线偏折理论的消声器。

背景技术

近几十年来，航空运输给人们带来了极大的出行便利，但是同时也给机场周围带来的严重的噪声污染，据调查，飞机的噪声主要体现在起飞和降落时候，尤以起飞的时候最为显著。由于机场一般离城市不远，而且航线也部分经过城市上空，目前航空噪声已成为城市噪声的重要组成部分，严重影响人们的正常生活，那么，最大限度的降低飞机飞行噪声，特别是起飞、降落时候的噪声，已成为迫在眉睫、急待解决的问题。

众所周知，航空噪声主要来自于航空发动机的喷气噪声和风扇噪声。所以研究人员一直在努力寻找在较宽频带内具有良好吸声效果，降低喷气噪声和风扇噪声的方法，目前一般采取的如下方法和设计准则：

1、采用高涵道比发动机和喷口设计，降低喷气噪声。

2、调整风扇转子/静子叶片设计和速度，减少风扇噪声。

3、管壁敷设声衬，降低发动机辐射噪声。

尽管航空发动机管壁敷设声衬在降噪方面已具有较好的效果，但是仍无法满足目前飞机噪声控制、机场周围区域环境噪声控制和噪声适航的实际需要。据报道空中客车公司正投入大量经费，参与欧洲9国发起的飞机噪声研究计划，重点攻克飞机降噪技术，目标是在8年的时间里把其生产的飞机在现有噪声基础上只是降低6分贝。事实上，从飞机噪声平均降噪幅度来看，每10年平均降噪量也不到8dB。

而目前在消声器设计的研究方面，仅考虑了温度的影响，而没有考虑到消声器内部存在温度梯度导致声线偏折的对于提高消声器消声量的影响，比如文献：穿孔管消声器的数值分析，祝何林，刘正士，噪声与振动控制学报，2008年6月，第3期，发动机消声器静态性能的测试与分析研究，王晓军，李志远，魏浩征，噪声与振动控制学报，2007年8月，第4期。

应用现有方法和手段要想实现飞机发动机大幅度降噪已显得有些力不从心，因为在高声强环境下，中低频噪声往往得不到有效的控制，要增强其吸收，就必须大幅增加吸声结构空腔深度，而这在实际降噪中往往是无法做到的。因此，有必要对现有航空发动机管壁声衬吸声能力进行深入挖潜，争取在基本不对现有消声器结构进行改动的情况下，探索进一步提高航空发动机现有管壁声衬吸声性能的方法与措施。

下面就从自然界温度梯度对大气声传播产生的影响获得本发明启示。在白天，我们会感觉到周围的环境显得喧嚣、嘈杂，但是在夜里，周围的环境则会显得特别的寂静。那是因为温度梯度对声波传播的影响很大，声速与温度密切相关，温度梯度使地面以上的声速出现变化。在白天，特别是在晴天，阳光照射下的午后，从地面向上有显著的负温度梯度，使地表温度高于大气温度，地面声速大，上空声速小，根据光学费马定理，声音会沿着费时最短的最速路径传播。这样，在白天，声线会向“冷端”一天空弯曲折射，尽管会同时出现“声影区域”，但向上折射的声线几乎不与地面接触，大地作为一个“吸声结构”作用得不到发挥，因而白天我们会感觉到周围环境的喧嚣与嘈杂。而夜里的情况则不同，从地面向上的正温度梯度，使地表温度低于大气温度，地面声速小，上空声速大，按照光学费马定理，声线会向“冷端”一地面弯曲偏折，空气中的声波入射到这种多孔性地面时只有一部分反射回大气中，大部分能量通过土壤的孔隙传播并被大地土壤吸收和衰减，正是夜间大地作为冷端的温度梯度作用下，大地“吸声结构”的作用得以充分的发挥，让我们感觉到周围环境的寂静。另外，在雪天情况下，大地作为冷端的温度梯度作用下，我们也可以感受到大地“覆雪冷端吸声结构”带来的静谧。白天温度随高度递减和夜间温度随高度递增条件下的声线偏折情况如图2和图3所示。

从自然界温度梯度对大气声传播产生影响的示例，我们可以得出：在温度梯度作用下声线会朝向“冷端”方向偏折。这就为本发明利用“冷陷阱”捕获并降低噪声，即：利用基于温度梯度导致声线偏折理论的具有低温制冷系统的消声器来进一步提高现有消声器的消声能力带来了启示和福音。

发明内容

本发明的目的在于：旨在提高现有飞机发动机消声器吸声能力，通过对现有消声器管道外壁安装低温制冷系统，额外产生一个消声器管壁内外的温度梯度，管壁内温度大于管壁外，利用温度梯度使管壁内的声线产生向安装低温制冷系统的消声器管道外壁方向偏折，让更多的声线以斜入射而非掠入射形式进入了消声器内衬的吸声结构中，降低消声器内部受激声学简正振动模式的幅值，增大航空涡扇发动机短舱消声结构的消声量，以期更加有效控制机场周围环境噪声，更好地满足噪声适航要求；从而提供一种基于声线偏折理论的消声器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于声线偏折理论的消声器，包括一消声器的壳体1，在所述的壳体1内壁敷设吸声材料或吸声结构4；其特征在于：在所述的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，所述低温制冷系统是使消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度；

所述的低温制冷系统2至少应覆盖消声器的壳体外壁面积的5％。

本发明提供了一种基于声线偏折理论的消声器，包括一消声器的壳体1，在所述的壳体1内壁敷设吸声材料或吸声结构4；其特征在于：还包括一温度控制装置，所述的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，所述的低温制冷系统2与温度控制装置3联接；所述低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。

上述技术方案中，所述的壳体1内壁的吸声材料和结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：ZL00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

上述技术方案中，所述的消声器壳体(1)内壁敷设吸声材料或吸声结构(4)的厚度为1-1000mm。

上述技术方案中，所述的低温制冷系统(2)采用压缩机制冷、半导体制冷、液氮制冷、干冰制冷、声制冷、化学制冷、磁制冷、太阳能制冷、利用周围环境既有制冷系统的输送低于管道内温度的气体，或采用在消声器的壳体(1)外壁面上覆盖冰层的方式。

上述技术方案中，所述壳体外壁上安装的低温制冷系统采用压缩机制冷，所述压缩机的蒸发器管道缠绕在消声器管道外壁上。

上述技术方案中，所述低温制冷系统采用半导体贴片制冷，将所述半导体制冷贴片贴在消声器的壳体(管道)外壁上。

上述技术方案中，所述壳体1外壁上安装的低温制冷系统采用液氮制冷，将所述的液氮与常温氮气通入管道冷却器中，并在管道冷却器中混合然后将所述的管道冷却器覆盖在所述的消声器的壳体外壁上；温度控制装置通过控制液氮常温氮气的流量来控制消声器壳体外壁的温度。

上述技术方案中，所述壳体外壁上安装的低温制冷系统采用干冰制冷，将干冰置于管道冷却器中，然后将所述的管道冷却器覆盖在所述的消声器的壳体外壁上，利用干冰自身的物理特性来提供一个冷端以降低消声器壳体外壁的温度。

上述技术方案中，所述壳体外壁上安装的低温制冷系统，是采用在消声器的壳体外壁覆盖一冰层。

上述技术方案中，所述壳体1外壁上安装的低温制冷系统，是利用周围环境既有的制冷系统向消声器的壳体外壁输送低于管道内温度的气体或冷却液体。

上述技术方案中，所述壳体1外壁上安装的低温制冷系统采用磁制冷，则可将热交换器置于磁工质的绝热退磁区中，同时将热交换器覆盖在消声器管道外壁上。

上述技术方案中，所述壳体1外壁上安装的低温制冷系统是采用热声制冷，通过热声制冷原理形成冷端降低消声器外壁的温度。

本发明的基于声线偏折理论的消声器，采用管道消声器，消声器壳体内壁敷设一定厚度的吸声材料和结构。在消声器壳体外壁上，安装上低温制冷系统。通过温度控制装置调节低温制冷系统的温度，来设定消声器的内外温度梯度。消声器管壁内部的温度要大于管壁外部。在消声器管壁内外产生一个温度梯度，使声线向消声器内壁的吸声材料和结构处弯曲偏折，有效地发挥了吸声材料的吸声性能，增加了吸声材料和结构的吸声量，使吸声材料和结构从原来“欠饱和”状态变成“饱和、过饱和”状态。同时，由于声线的偏折，使得掠入射的声波入射角增大，吸声材料和结构的吸声系数提高，增加了吸声量。因此，本发明的技术方案相对于已有技术具有以下优点：

本发明的基于声线偏折理论的消声器通过对低温制冷系统冷端温度的调节，提高温度梯度，以此进一步提高消声器的消声量。同时又由于本发明是对现有管道消声器的一种改进，在基本不对现有消声器结构本身进行改动的情况下，仅通过对现有消声器管道外壁安装低温制冷系统的方法，为其提供逾量消声量。

本发明提供的基于声线偏折理论的消声器，由于低温制冷系统安装在消声器上，相对于气流管道中的高温产生一个较大(1-2000℃)的温度梯度，根据费马定理，声线沿着费时最少的最速路径传播，声线会朝向冷端即气流管道内壁吸声材料和结构处弯曲偏折，减少了消声器管道内不与消声器吸声材料和结构接触而掠过的声波成分，使更多的声波成分斜入射到吸声材料和结构内，从而能够更加充分有效地发挥吸声材料和结构的吸声潜能，增强对管道内噪声的有效吸收，降低管道内受激声学简正振动模式的幅值，增大消声器的消声量，降低辐射噪声。气流管道内温度可以为常温或者高温，温度越高，相对温度梯度越大，声线弯曲偏折的成分也就越多，这样就越有利于充分发挥现有吸声材料和结构的吸声潜能。而且本发明仅在原有消声器结构上安装一套低温制冷系统，基本不改动消声器的整体结构，因此降低了改造的难度和成本。

本发明的基于声线偏折理论的消声器可用于航空涡扇发动机短舱消声设计，也可以用于直升机涡轴发动机涵道吸声处理以及方便提供低温制冷系统和冷端的管道消声。当基于声线偏折具有低温制冷系统的消声器应用于航空涡扇发动机短舱消声设计时，为节省能源，也可以仅在飞机起飞、降落阶段启动低温制冷系统(巡航阶段则关闭低温制冷系统)，显著增大航空涡扇发动机短舱消声结构的消声量，以期更加有效控制机场周围环境噪声，更好地满足噪声适航要求。

附图说明

图1为本发明基于声线偏折理论的消声器组成示意图；

图2为白天温度随高度递减条件下的声线偏折示意图；

图3为夜间温度随高度递增条件下的声线偏折示意图；

图4为本发明的消声器壳体外壁上覆盖100mm厚冰，壳体内壁上安装一层管束穿孔板复合共振吸声结构的示意图；

图5为本发明图4的消声器外壁上覆盖100mm厚冰和消声器无冰情况下插入损失测量结果；

图6为本发明的轴流风机进口通入高温烟气，消声器外壁上覆盖100mm厚冰和消声器无冰情况下插入损失测量结果；

图7为本发明用压缩机作为制冷系统制作的一种消声器的实施例结构示意图；

图8为本发明利用半导体制冷系统制作的消声器的实施例结构示意图；

图9为本发明具有液氮制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图10为本发明利用周围环境既有制冷系统向消声器的壳体外壁输送低于管道内温度的气体。

图11为本发明具有磁制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图12为本发明具有驻波热声制冷机制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图13为本发明具有行波热声制冷机制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图14为本发明具有Stirling热声制冷机制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图15为本发明具有脉冲管热声制冷机制冷系统的消声器的实施例结构示意图；

图16为本发明的微缝吸声结构底部冻冰结构的示意图；

图17为本发明的微缝吸声结构底部冻冰情况下驻波管吸声特性测量结果；

图18为本发明的具有制冷系统的消声器其制冷系统覆盖面积为100％情况的示意图；

图19为本发明的具有制冷系统的消声器其制冷系统覆盖面积为5％情况的示意图；

图例说明：

1-消声器壳体      2-低温制冷系统       2′-100mm厚冰层

3-温度控制装置    4-吸声材料或吸声结构 4′-管束穿孔板复合共振吸声结构5-

储液干燥器        6-膨胀阀             7-毛细管温包

8-低压管          9-高压管             10-压缩机

11-冷凝器         12-蒸发器            13-绝缘陶瓷片

14-金属导体       15-N型和P型半导体    16-直流电源

17-冷端           18-热端              19-液氮杜瓦瓶

20-管道冷却器     21-微缝吸声结构      22-冰

23-高温区         24-低温区            25-磁N极

26-磁S极          27-磁工质            28-散热器

29-声波发生器     30-高温热交换器      31-低温热交换器

32-回热器         33-谐振腔            34-行波声导管

35-声波吸收器     36-气库              37-阀门

38-脉冲管         39-氮气瓶

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图4，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，利用一现有的消声器，和在该消声器的壳体1内壁上固定一层吸声材料和结构4，和在该消声器的壳体1外壁上设置低温制冷系统2组成。在该消声器的壳体1外壁上涂覆一层100mm厚的冰层2′，作为低温制冷系统2，再在消声器的壳体1内壁上敷设一层复合吸声结构，例如用表面复合一层吸声棉的管束微缝穿孔板共振吸声装置，该吸声材料或吸声结构4的厚度为1000mm，这是本领域技术人员可以实施的。在对轴流风机出口消声器的壳体1进行覆盖100mm厚冰层2′处理基础上，对由覆盖100mm厚冰层2′处理引起的插入损失进行了实际测量。实验参数如下：

实验参数：环境温度12℃，风机风量8000m³/h，风压200Pa，风速12.7m/s，消声器内部通道尺寸0.7mx0.25m，长1m。消声器1采用管束穿孔板复合共振吸声结构，其中：吸声棉厚100mm，容重32Kg/m³，管束长10mm，管径1.6mm，穿孔率3.6％，缝长3.6mm，缝宽0.04mm，腔深100mm。

测量结果如图5和表1所示。

表1.由消声器外壁覆盖100mm厚冰层处理引起的插入损失测量结果

  频率(Hz)  消声器外侧无覆盖  冰层情况下消声器  出口噪声  (dB)  消声器外侧覆盖  100mm冰层情况下  消声器出口噪声  (dB)  冰层处理引起的插  入损失(dB)  20  59.4  59.9  -0.5  25  59.1  58.8  0.3  31.5  58.1  59.9  -1.8  40  58.7  59.9  -1.2  50  64  63  1  63  57.2  55.8  1.4  80  56.7  56.8  -0.1  100  54.6  53.2  1.4  125  50.2  48  2.2  160  55  53.2  1.8  200  59.6  59.1  0.5  250  50.3  51  -0.7  315  54.3  52.8  1.5  400  50.4  48.3  2.1  500  52.4  48.7  3.7  630  55.2  53.3  1.9  800  56.1  51.7  4.4  1k  52.8  48.1  4.7  1.25k  50.6  46.4  4.2  1.6k  49.3  45.5  3.8

  频率(Hz)  消声器外侧无覆盖  冰层情况下消声器  出口噪声  (dB)  消声器外侧覆盖  100mm冰层情况下  消声器出口噪声  (dB)  冰层处理引起的插  入损失(dB)  2k  50  45.4  4.6  2.5k  48.8  45.7  3.1  3.15k  47.2  44.8  2.4  4k  47.1  44.9  2.2  5k  46.7  44.7  2  6.3k  46.1  44.1  2  8k  44.1  40.4  3.7  10k  40.4  35.7  4.7  12.5k  38.6  33.8  4.8  16k  35.7  30.1  5.6  20k  32.5  25.8  6.7  L线性  70.2  69.5  0.7  A声级  62.5  59.4  3.1

从图5和表1可以看出：由于冷端产生的温度梯度，导致声线弯曲偏折引起的插入损失，在315Hz-20KHz频率范围达到1.5-6.7dB，在100Hz-200Hz频率范围0.5-2.2dB。从中可以看出，由覆盖100mm厚冰层处理所引起的插入损失为3.1dBA。

此外，在轴流风机进口产生烟气情况下，消声器内部烟气温度达到了65℃，在此情况下，对消声器外壁进行覆盖100mm厚冰层处理，对由覆盖100mm厚冰层处理引起的插入损失进行了实际测量，环境温度12℃，测量结果如图6和表2所示。

表2.由消声器外壁覆盖100mm厚冰层处理引起的插入损失测量结果

  频率(Hz)  有烟气，消声器外  侧无冰层情况下消  声器出口噪声  (dB)  有烟气，消声器外  侧覆盖100mm冰层  情况下消声器出口  噪声  (dB)  冰层处理引起的插  入损失(dB)  20  81.3  73.2  8.1  25  81.7  73.6  8.1  31.5  80.4  69.5  10.9  40  78  69.4  8.6  50  77.9  68.2  9.7  63  77.3  65.5  11.8  80  76.2  61.8  14.4  100  73.8  57.3  16.5  125  72.6  54.3  18.3  160  70.4  55.3  15.1  200  67.6  59.8  7.8  250  62.7  51.2  11.5  315  61.6  54.5  7.1  400  59.5  49.7  9.8  500  58.4  51.7  6.7  630  56.7  55.1  1.6  800  56.6  54.2  2.4  1k  50  51.8  -1.8  1.25k  48  48.4  -0.4

  频率(Hz)  有烟气，消声器外  侧无冰层情况下消  声器出口噪声  (dB)  有烟气，消声器外  侧覆盖100mm冰层  情况下消声器出口  噪声  (dB)  冰层处理引起的插  入损失(dB)  1.6k  46.5  46.7  -0.2  2k  48  47.8  0.2  2.5k  47.4  47  0.4  3.15k  43.8  46.4  -2.6  4k  43.9  45.9  -2  5k  44.6  46.5  -1.9  6.3k  43.2  45.1  -1.9  8k  39.6  42.6  -3  10k  36.2  38.3  -2.1  12.5k  34.7  37  -2.3  16k  32.2  34.1  -1.9  20k  29.4  30.5  -1.1  L线性  88.4  78.8  9.6  A声级  66.6  61.4  5.2

从图6和表2可以看出：轴流风机进口产生烟气情况下，由于100mm厚冰层冷端产生的温度梯度，导致声线弯曲偏折引起的插入损失，在20Hz-400Hz频率范围达到7.1-18.3dB，在500Hz-800Hz频率范围2.4-6.7dB，1KHz频率范围以上则存在-2.4-0.4dB不同程度的增加。从中可以看出，轴流风机进口产生烟气情况下由覆盖100mm厚冰层处理所引起的插入损失为5.2dBA。可见，由于消声器中心与外壁之间的温度梯度升高，更多的声线向着消声器内壁的吸声材料处弯曲偏折，进一步发挥了消声器的消声潜能，提高了消声量。

尽管覆盖100mm厚冰层处理冷端产生的温度梯度(0-12℃和0-65℃)并不大，但由此带来的附加消声量已达到3.1-5.2dBA。通过理论分析可以得出：温度梯度越大，声线弯曲偏折程度越高，斜入射进入消声器吸声结构的声波成分也就越多，这样就越有利于发挥现有消声器的吸声潜能。因此，本发明的消声器包括管道消声器、低温制冷系统和温度控制装置，管道消声器内壁敷设吸声材料和结构，在管道消声器外壁上安装低温制冷系统，制冷系统降低了吸声结构背板壁面的温度，从而在消声器吸声结构内部的产生一个由相对高温到相对低温的温度梯度，利用低温制冷系统冷端产生的温度梯度，导致管内声线弯曲偏折，使更多的声波成分斜入射到吸声材料和结构内，因此吸声结构就能够通过低温制冷系统冷端“捕获”更多的噪声，而不是让噪声从其表面掠过，这样能够充分地利用吸声结构的吸声潜质，使其吸声能力得到充分的发挥，提高了吸声性能，从而使得消声器消声能力由“欠饱和”变成“饱和、过饱和”状态，大大提高了吸声材料和结构的吸声效果，在给定消声器原有消声量的基础上产生了逾量消声量。当该技术应用在温度梯度可达上千度以上的航空发动机消声短舱设计中，那将带来的绝不会仅仅3-5分贝的降噪量，届时航空发动机降噪技术将达到一个崭新的高度。

实施例2

参考图7，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，该制冷系统采用压缩机制冷，其中制冷系统由压缩机10、冷凝器11、蒸发器12、储液干燥器5组成.。温度控制装置3是本专业常规使用的温度控制装置，即温度控制装置3由膨胀阀6、毛细管温包7、制冷管系组成。蒸发器缠绕在消声器管道外壁上吸收热量，通过制冷系统2和温度控制装置3实现温度梯度的定量控制。在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料或吸声结构4，其吸声材料或吸声结构4的厚度为10mm、100mm或500mm。本实施例中的消声器管道内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构或由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

实施例3

参考图8，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中的低温制冷系统采用半导体制冷，其中半导体制冷系统绝缘陶瓷片13、金属导体14、N型和P型半导体15、直流电源16组成，温度控制装置3可以采用常规的散热片散热、风扇散热，也可以采用风冷、水冷等方法来控制散热。将半导体制冷贴片贴在消声器管道外壁上，通过制冷系统和温度控制装置实现温度梯度的定量控制。消声器的壳体1内壁敷设吸声材料或吸声结构4，其吸声材料或吸声结构4的厚度为1mm或60mm。本实施例中的消声器的壳体1内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

低温制冷系统采用半导体制冷，则可将半导体制冷贴片贴在消声器管道外壁上；低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

本实施例的低温制冷系统2采用半导体制冷片方式制冷，其中，半导体制冷系统由绝缘陶瓷片13、金属导体14、N型和P型半导体15以及直流电源16组成，温度控制装置3采用散热片散热、风扇散热、风冷或水冷方法来控制散热；将半导体制冷贴片贴在消声器管道外壁上，通过控制半导体制冷片热端的散热情况来控制消声器壳体1外壁的温度，这对于本专业技术人员来说是可以实施的。

实施例4

参考图9，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中的制冷系统采用液氮制冷。其中低温制冷系统由液氮杜瓦瓶19和管道冷却器20组成，温度控制装置与电磁阀门电连接，采用阀门控制，利用阀门来控制液氮杜瓦瓶19内的氮气压力和通向管道冷却器20的液氮流量来实现温度的定量控制。在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料和结构4，其吸声材料或吸声结构4的厚度为200mm。本实施例中的消声器管道内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

本实施例中的制冷系统采用液氮制冷，将所述的液氮与常温氮气通入管道冷却器20中，并在管道冷却器20中混合然后将所述的管道冷却器20覆盖在所述的消声器壳体1外壁上；温度控制装置3通过控制液氮常温氮气的流量来控制消声器壳体1外壁的温度。

低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

实施例5

参考图10，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中的制冷系统利用周围环境既有制冷系统向消声器的壳体外壁输送低于管道内温度的气体或者冷却液体，温度控制装置采用阀门控制，利用阀门来控制通向管道冷却器20的低温管道内温度气体或者冷却液体的流量来实现温度的定量控制。在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料和结构4。本实施例中的消声器管道内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

实施例6

参考图11，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中的制冷系统采用常规磁制冷系统，例如由磁工质27、磁N极25、磁S极26、散热器28和管道冷却器20等组成，磁工质27在高温区23等温磁化，放出热量，通过散热器28将热量导出，在低温区24绝热退磁，吸收热量，将热交换器置于磁工质27的低温区，通过磁工质27的绝热退磁吸收热量，形成冷端，通过管道冷却器20降低消声器外壁的温度。在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料和结构4。本实施例中的消声器管道内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

实施例7

参考图12、图13、图14、图15，本实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中的制冷系统采用常规的热声制冷系统，该常规的热声制冷系统包括驻波热声制冷机、行波热声制冷机、Stirling制冷机和脉冲管制冷机组成。驻波热声制冷机(图12)，由声波发生器29、高温热交换器30、低温热交换器31、回热器32、谐振腔33和管道冷却器20组成。行波热声制冷机(图13)，由声波发生器29、高温热交换器30、低温热交换器31、回热器32、行波声导管34和管道冷却器20组成。Stirling制冷机(图14)，由声波发生器29、声波吸收器35、高温热交换器30、低温热交换器31、回热器32和管道冷却器20组成。脉冲管制冷机(图15)，由声波发生器29、高温热交换器30、低温热交换器31、回热器32、气库36、阀门37、脉冲管38和管道冷却器20组成。

根据热声原理在高温热交换器30处放出热量，在低温热交换器处31吸收热量，形成冷端，通过管道冷却器20降低消声器外壁的温度。在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料和结构4。本实施例中的消声器管道内壁的吸声材料或吸声结构，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

低温制冷系统的温度控制装置应保障消声器管道内外壁之间存在1-2000℃的温度梯度，并且管道内的温度要大于管道外壁冷端的温度。低温制冷系统至少应覆盖消声器壳体外壁面积的5％。

实施例8

参考图16，通过对微缝吸声结构底部进行冻冰处理。将底部有冰块的微缝吸声结构置于冷冻室冷冻10小时以上，冰块冻结并固定在微缝吸声结构底部，制成冻冰情况下的微缝吸声结构。

微缝吸声结构的结构参数为：缝长：1.8mm，缝宽：0.03mm，缝间距：5mm，板厚：0.8mm，空腔深度为298mm，冰的厚度为42mm。冰块冻结并固定于微缝吸声结构底部，将底部冻冰的微缝吸声结构固定在驻波管的测试端。

本实施例制成底部冻冰的微缝吸声结构，在驻波管上对微缝吸声结构进行了正入射吸声性能测试。对微缝吸声结构底部冻冰处理前后，微缝吸声结构的正入射吸声系数如图17所示。在125Hz、160Hz和200Hz，底部冻冰处理之后的微缝吸声结构的吸声系数分别由原来的0.410、0.400、0.420上升到0.685、0.720和0.620，而且在125Hz～400Hz的低频段内，底部冻冰处理后的微缝吸声结构的吸声系数分别比未冻冰处理的高出0.1～0.3，而且在800Hz～1600Hz频率内，底部冻冰情况下的吸声系数也相比与未冻冰的情况有所提高。

本实施例通过对微缝吸声结构底部冻冰前后吸声系数对比不难看出：对于微缝吸声结构进行底部冻冰处理之后，不仅低频的吸声系数得以明显地提高，而且中频的吸声系数也有所提高，有效地抑制了宽带噪声，提高了整个频带的吸声量。

实施例9

参考图18、19，实施例制作的基于声线偏折理论具有低温制冷系统的消声器，由一消声器的壳体1、低温制冷系统2、温度控制装置3和吸声材料或吸声结构4组成，在消声器的壳体1外壁上安装低温制冷系统2，本实施例中采用的制冷系统，可以是压缩机制冷、半导体制冷、液氮制冷、干冰制冷、磁制冷、热声制冷、向消声器壳体外壁输送低于管道内温度的气体或冷却水，甚至是在消声器外壁覆盖冰层等提供冷端的方式。

在消声器的壳体1内壁敷设吸声材料或吸声结构4，可以是多孔性吸声材料，也可以是薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、微缝吸声结构、由本发明人持有的专利号为：00100641.X中的管束式穿孔板共振吸声装置及其复合吸声结构。

消声器壳体外壁上安装的低温制冷系统，其占据消声器表面的面积可以是5％-100％。

概括而言，本发明的基于声线偏折理论的消声器，其实质是利用温度梯度产生的“冷陷阱”导致的声线偏折弯曲来最大限度地捕获并降低噪声，同时充分发挥了已有消声器吸声材料和结构的吸声潜能，是一种基于温度梯度、声线偏折具有低温制冷系统的降噪技术。其特点在于把温度梯度作为一个设计优化参数人为地引入到了消声器结构设计中，在现有消声器消声能力业已饱和的情况下，通过对消声器外壁安装低温制冷系统，使其成为具有低温制冷系统的冷端消声器，额外产生温度梯度，利用温度梯度使管壁内的声线朝向冷端，即气流管道内壁吸声材料和结构处弯曲偏折，减少了消声器管道内不与消声器吸声材料和结构接触而掠过的声波成分，使更多的声波成分斜入射到消声器内衬的吸声材料和结构内，从而能够更加充分有效地发挥消声器吸声材料和结构的吸声潜能，增强对管道内噪声的有效吸收，降低管道内受激声学简正振动模式的幅值，增大消声器的消声量，降低管内对外辐射噪声。气流管道内温度越高，相对温度梯度越大，声线弯曲偏折的成分也就越多，这样就越有利于充分发挥现有吸声材料和结构的吸声潜能。该消声器通过对低温制冷系统冷端温度的调节，实现对温度梯度的定量控制，进一步提高消声器的消声量，优化吸声频带。同时又由于该方法是对现有管道消声器的一种改进，在基本不对现有消声器结构进行改动的情况下，通过对现有消声器管道外壁安装低温制冷系统的方法，为其额外提供逾量消声量。

实施例1和实施例8的验证实验结果业已证明：利用“冷陷阱”捕获并降低噪声的方法-即：基于温度梯度、声线偏折具有低温制冷降噪技术的可行性和降噪的有效性。一方面，由于冷端产生的温度梯度，导致声线弯曲偏折引起的附加消声量，说明原有消声器还是具备一定的消声潜质，通过冷端产生的温度梯度，导致管内声线弯曲偏折，将这些降噪潜质发挥出来了；另一方面，即使是在垂直入射的情况下，冷端吸声结构的吸声性能也有一定程度的提高。在温度梯度的作用下，冷端温度使得部分垂直入射声波难得反射“逃逸”，又重新进入吸声结构，再次接受吸声处理。

通过优化选择和改变低温制冷系统的冷端产生方式(低温制冷系统可以采用专用压缩机制冷、半导体制冷、液氮制冷、干冰制冷、声制冷、化学制冷、磁制冷、吸附制冷、脉管制冷、太阳能制冷等，也可以利用周围环境既有制冷系统的输送低于管道内温度的气体，甚至采用消声器壳体外壁覆盖冰层来提供冷端的方式等)和安装方式产生能够满足大幅度降噪需求和应用环境允许的冷端温度梯度，以满足不同噪声控制场合的要求。

本发明可应用于航空发动机短舱消声、直升机涡轴发动机消声涵道、燃气涡轮等进排气管路系统和其他方便并允许提供冷端低温制冷系统的环境条件。