專利名稱：減噪音的擴(kuò)散器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減小聽覺噪音的裝置和方法，聽覺噪音由聲源產(chǎn)生，如氣體通過氣體分配系統(tǒng)的噴嘴后會(huì)產(chǎn)生噪音。
在所涉及的環(huán)境中，無論是地下、水下、高空、甚至在太空，氣體分配系統(tǒng)通常包括壓力氣罐，氣體通過很小的出口噴嘴排放至周圍環(huán)境中。噴嘴的直徑可小于1/20英寸。氣體流，如氮或氧，可由罐內(nèi)的100磅/平方英寸(psi)或更高的壓力驅(qū)動(dòng)，排放至大氣壓左右的在0至大約14.7psi的外部壓力下。這個(gè)壓力差會(huì)產(chǎn)生超聲氣流，并產(chǎn)生沖擊波，當(dāng)氣體離開噴嘴時(shí)，會(huì)產(chǎn)生哨聲。在最容易被人耳聽到的頻率范圍65至8000Hz內(nèi)，這種聲音可達(dá)80dB或更高。
該噪音量對任何噴嘴附近的人來說都心煩意亂。另外，如果不在聲源處減小噪音，噪音會(huì)傳播至很遠(yuǎn)的距離，干擾所涉及的環(huán)境中的其他的人。因此，已經(jīng)對在系統(tǒng)中的噪音源處或短距離內(nèi)作出過努力，以減小與其他分配系統(tǒng)相關(guān)的噪音量。但是，這些努力一直沒有完全成功。
以前的系統(tǒng)一直采用的技術(shù)有消音器，該消音器在聲波的路徑上延伸，以試圖減小噪音。一旦與消音器相接觸，聲波就損失一些能量，消音器通過振動(dòng)散失能量。然而，與消音器的能量交換并不非常有效，難于使消音器定位，以在所有的方向上幫助吸收聲音的能量；也難以改變消音器的尺寸，以在較寬的聽覺頻率范圍內(nèi)與聲音的能量進(jìn)行有效的相互作用。因此，在減小噪音方面，消音器的效果不好，特別是在聽覺范圍的高頻端，大約在1250至8000Hz效果不好，然而，這在使人耳最不舒服的范圍內(nèi)。
相應(yīng)地，一直需要在噪音源處有效和立即地減小聲音的能量，如噪音源通常在氣體分配系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)。
從聲源，如氣體分配噴嘴，傳播的聲波具有縱向、徑向(橫向)和切向分量。本發(fā)明可減小與聲波相關(guān)聯(lián)的噪音，方法是迫使由沖擊波產(chǎn)生的很多聲音能量轉(zhuǎn)化為徑向分量，然后，徑向分量通過與外殼的內(nèi)壁的多點(diǎn)接觸以熱能散發(fā)。
當(dāng)聲波通過外殼傳播時(shí)，外殼的有效直徑至少為波長的1/4(λ/4)，即聲波將被扭曲。本發(fā)明使聲源，如氣體噴嘴，下游產(chǎn)生的聲波在外殼內(nèi)傳播，該外殼的有效直徑小于λ/4，最好遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ/4，從而使聲波扭曲，迫使其重新構(gòu)造。另外，該外殼離聲源的開始距離不超過λ/4。重新構(gòu)造的聲波具有減小的縱向分量和增大的徑向分量，以反復(fù)沖擊外殼的內(nèi)壁，然后才到達(dá)外殼的遠(yuǎn)處端，從而使外殼的內(nèi)壁加熱，以在離開外殼之前損失很多能量。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供了把從聲源發(fā)出的人可聽到的聲波能量減小至可接受的音量的裝置。該裝置包括一細(xì)長外殼，其位置可接受聲波的能量，并且適合于把一部分聲波能量的縱向分量轉(zhuǎn)化為增大的聲波能量的徑向分量；和細(xì)長外殼的內(nèi)壁，其適合于吸收一部分聲波能量的徑向分量。
在本發(fā)明的一個(gè)特別推薦的應(yīng)用中，可恰好在氣體噴嘴的下游(在聲波波長的1/4至最小之間)設(shè)置擴(kuò)散器，以使由排放氣體所產(chǎn)生的聲音能量最小化。該擴(kuò)散器的直徑小于聲波波長的1/4，直至最小。該擴(kuò)散器可有彎角或彎曲，以改善聲音的最小化，該擴(kuò)散器的形狀也可以是這樣的，即多個(gè)氣體噴嘴公用一個(gè)擴(kuò)散器。
本發(fā)明還提供了吸收一些來自聲源的聲波能量的方法。該方法包括把一部分聲波能量的縱向分量轉(zhuǎn)化為增大的聲波能量的徑向分量。該方法還包括使一表面定位，以與聲波能量的徑向分量相作用，從而散發(fā)至少一部分聲波能量的徑向分量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的氣罐、噴嘴和減噪音的擴(kuò)散器的橫截面圖。
圖2是氣體從氣罐的端部排出，途經(jīng)噴嘴進(jìn)入所附減噪音的擴(kuò)散器的橫截面圖。
圖3是噴嘴和擴(kuò)散器的放大橫截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的彎曲或有彎角的擴(kuò)散器的側(cè)面圖。
圖5是如圖4所示的彎曲擴(kuò)散器的前視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的帶兩個(gè)鈍彎角的擴(kuò)散器的側(cè)面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的具有螺旋的擴(kuò)散器的透視圖。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器，其用于從兩個(gè)氣源輸入氣體，通過一個(gè)外殼排放氣體。
圖9是采用兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器的氣體分配系統(tǒng)的透視圖。
圖10示出了來自氣體擴(kuò)散器的無蓋噴嘴的音量的曲線，和來自帶有消音器的同種噴嘴的音量的曲線。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)試驗(yàn)的擴(kuò)散器性能的曲線，此時(shí)，安裝了與產(chǎn)生如圖10所示的曲線時(shí)的同種噴嘴。
本發(fā)明可用于減小噪音和與多種聲波能源相關(guān)聯(lián)的其它干擾。然而，本發(fā)明的特別推薦的應(yīng)用是減小與通過噴嘴的氣體分布相關(guān)的噪音。
圖1示出了典型的帶罐10的氣室，罐10可容納如氮或氧的壓力氣體。壓力氣體可通過噴嘴12從罐10內(nèi)排出。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)推薦的實(shí)施例，擴(kuò)散器20安裝在噴嘴上，安裝位置恰好在其出口的下游(在聲波波長的四分之一至最小之間)。在本實(shí)施例中，擴(kuò)散器為細(xì)長的圓筒，其方向是從噴嘴的出口向外延伸，大致與離開噴嘴的氣體的主流方向平行。擴(kuò)散器的兩端都是開口的，以允許氣體通過該擴(kuò)散器。
如圖2所示，在緊鄰噴嘴出口的一端22，即擴(kuò)散器的嘴部，其直徑比噴嘴的最小的直徑略大一點(diǎn)。擴(kuò)散器的有效直徑通常略寬于噴嘴的直徑，這樣，噴嘴還可控制氣體的流速，并保持由沖擊波造成的任何噪音。擴(kuò)散器的嘴部的位置可保證由排放氣體產(chǎn)生的聲波可完整地到達(dá)擴(kuò)散器。為保證聲波如此導(dǎo)向，擴(kuò)散器的嘴部的位置是這樣的，即從產(chǎn)生聲音的噴嘴開始不超過λ/4。把擴(kuò)散器緊鄰噴嘴是目前所推薦的。
在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，擴(kuò)散器如圖3所示安裝在噴嘴上。擴(kuò)散器焊接在周壁材料30上，該周壁材料30使擴(kuò)散器固定。如圖3所示，焊縫32位于外殼20的外側(cè)。這樣安裝擴(kuò)散器可保證焊縫不干擾排放氣體的主體流速。盡管這里推薦了焊接，任何固定連接并不干擾氣流的方法都是可接受的。在另外一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)散器可與噴嘴集成一體，形成一個(gè)相連的單元。當(dāng)氣體從高壓罐排放至低壓環(huán)境時(shí)，沖擊波還會(huì)發(fā)生，因此，根據(jù)本發(fā)明，符合正確的寬度和長度要求的噴嘴-擴(kuò)散器單元會(huì)降低聲音的量級(jí)。
擴(kuò)散器的寬度要經(jīng)過各種考慮。該擴(kuò)散器必須足夠?qū)?，以完全截獲噴嘴產(chǎn)生的聲波，同時(shí)，不干擾氣體的主體流速。然而，該擴(kuò)散器的有效直徑必須足夠小，以有足夠的聲音損失。該有效直徑應(yīng)小于λ/4，以重新構(gòu)造聲波，該有效直徑最好小于λ/4，以重新構(gòu)造聲波，從而產(chǎn)生可接受的噪音減小。
聲波具有縱向分量、徑向分量和切向分量?？v向分量是聲波的沿主流方向傳播的部分。這里，縱向傳播方向沿著圓筒的長度方向。徑向傳播方向垂直于主流的縱向傳播方向。這里，橫向傳播方向從擴(kuò)散器的中心徑向地向外指向擴(kuò)散器的側(cè)壁。
當(dāng)聲波在有效直徑小于1/4波長的擴(kuò)散器內(nèi)傳播時(shí)，某些縱向能量被窄小的直徑“切割”下來，并轉(zhuǎn)化為徑向的聲波能量。隨著徑向聲波在擴(kuò)散器內(nèi)傳播，它們與內(nèi)側(cè)壁相碰撞。并轉(zhuǎn)化為熱量，從而使聲波的總能量(音量)降低在噴嘴的直徑為0.032英寸的實(shí)施例中，直徑為0.052英寸的擴(kuò)散器可使聲音減弱和不干擾流速之間的折衷達(dá)到可接受的程度?？梢灶A(yù)見，在大多數(shù)應(yīng)用中，擴(kuò)散器的可接受的有效直徑比相關(guān)噴嘴寬125％至175％。還可以預(yù)見，擴(kuò)散器的有效直徑比相關(guān)噴嘴寬150％左右最好。擴(kuò)散器的有效直徑可以根據(jù)需要安靜的聲波能量的范圍和擴(kuò)散器的應(yīng)用進(jìn)行改變。
擴(kuò)散器的長度也要經(jīng)過多種考慮。該擴(kuò)散器要足夠長，以使有足夠的聲音減弱，但是，擴(kuò)散器也不能太長，以干擾周圍。在本實(shí)施例中，噴嘴的直徑為0.032英寸，擴(kuò)散器只需1英寸左右，以達(dá)到聲音量的有效減弱，推薦的長度在2至6英寸之間，目前3英寸最好。擴(kuò)散器的最大長度主要由外部的考慮，如空間和成本，進(jìn)行限制。
擴(kuò)散器可由任何具有足夠聲音吸附特性的材料制成。目前推薦的實(shí)施例采用由347奧氏體不銹鋼制成的擴(kuò)散器。然而，對于不同的聲音吸附特性或不同的環(huán)境，可采用不同的材料。例如，如果需要較少的聲音吸附，可采用鋁質(zhì)擴(kuò)散器，如果需要較多的聲音吸附，可采用鈦質(zhì)擴(kuò)散器。如果排放的氣體具有強(qiáng)腐蝕性，可采用耐腐蝕材料如鉻鎳鐵合金制造擴(kuò)散器。
涉及的能量吸附應(yīng)該是這樣的，即對擴(kuò)散器的內(nèi)側(cè)壁的任何加熱要很小，并僅限于表面現(xiàn)象。因此，在大多數(shù)應(yīng)用中，擴(kuò)散器不必由耐熱材料制成，擴(kuò)散器的壁厚也不是問題，除非有外部結(jié)構(gòu)的考慮。另外，在大多數(shù)應(yīng)用中，擴(kuò)散器不必絕熱，除非考慮外部溫度對氣體的影響。
如圖1所示，擴(kuò)散器可用任何傳統(tǒng)的方法制成無縫直管，然而，增加彎曲、拐角或曲線50可增大聲音能量的損失。圖4至圖7示出了擴(kuò)散器的不同的可能結(jié)構(gòu)。另外，外殼不必是圓筒形狀。它可以有任何適用的外部形狀和任何適用的內(nèi)部形狀，只要內(nèi)部的有效直徑足夠小，以進(jìn)行所需的聲音操作。
圖9示出了應(yīng)用中的本發(fā)明的兩個(gè)擴(kuò)散器，其帶有氣體分配系統(tǒng)。每個(gè)擴(kuò)散器與一個(gè)噴嘴(沒示出)相連，每個(gè)噴嘴通過接頭64與一個(gè)不同的氣體罐相通。擴(kuò)散器由外殼62進(jìn)行保護(hù)，以防止損壞。兩個(gè)擴(kuò)散器通過同一個(gè)排氣接頭排氣。另外，擴(kuò)散器可與多個(gè)噴嘴相連，接受氣體輸入、消除各噴嘴產(chǎn)生的聲音，然后，通過一個(gè)開口22(如圖8所示)排出氣體混合物。在另外一個(gè)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)擴(kuò)散器可平行在組合在一起，以處理既需要低噪音又需要大的主體流速的系統(tǒng)。
圖10示出了從無蓋噴嘴100排出的氣體的外部音量(以分貝dB表示)、從帶有消聲器102的同種噴嘴排出的氣體的外部音量、和在空間應(yīng)用的政府推薦的最大音量的曲線104。政府推薦的標(biāo)準(zhǔn)是NC-40，根據(jù)的事實(shí)是音量低于40dB對多數(shù)人是聽不見的。在圖10所示的每個(gè)例子中，氣體從大約100磅/平方英寸的壓力下通過0.032英寸直徑的噴嘴排放至大氣壓下。在兩個(gè)例子中，測試到了在聽覺范圍內(nèi)的大部分讓人討厭的比可接受的音量大得多的音量。在種個(gè)聽覺范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的消音器無法把音量減小到可接受的范圍內(nèi)。
圖11示出了從與產(chǎn)生圖10的曲線相同的噴嘴中排放氣體的外部音量曲線106(以分貝dB表示)，此時(shí)，噴嘴帶有根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器。同樣，氣體從大約100磅/平方英寸的壓力下通過0.032英寸直徑的噴嘴排放至大氣壓下。該擴(kuò)散器呈圓筒狀，具有兩個(gè)彎曲部，直徑為0.052英寸，長度為3英寸。帶有根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器的噴嘴所產(chǎn)生的外部音量比無蓋噴嘴或帶有消音器的噴嘴所產(chǎn)生的音量要低得多。注意，在2000Hz時(shí)，無蓋噴嘴所產(chǎn)生的音量110在76dB左右(如圖10所示)。當(dāng)加上根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器時(shí)，在2000Hz時(shí)的音量116降低至40dB左右(如圖11所示)。因?yàn)閐B是對數(shù)比例，比第一個(gè)音量低36dB的音量實(shí)際上是第一個(gè)音量的64倍。
本發(fā)明不是僅僅應(yīng)用于某個(gè)特定的工業(yè)。任何包括控制氣體排放的應(yīng)用都可受益于本發(fā)明所述的擴(kuò)散器。醫(yī)院和制造工廠可用一個(gè)擴(kuò)散器減小來自各壓力氣體的噴嘴的噪音，或以組合的擴(kuò)散器控制大型的氣體分配過程。航天、汽車和航空工業(yè)可用擴(kuò)散器減小來自座艙空氣分配系統(tǒng)的噪音。采用本發(fā)明，甚至可把發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣所產(chǎn)生的噪音最小化。
盡管已經(jīng)說明和解釋了根據(jù)本發(fā)明的減噪音的擴(kuò)散器的幾個(gè)實(shí)施例，很明顯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可作出種種修改和變化。相應(yīng)地，應(yīng)當(dāng)知道，可在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的除這里特別說明的實(shí)施例之外的聲音擴(kuò)散器。
權(quán)利要求
1．一種用于減小與通過噴嘴分配的氣體相關(guān)聯(lián)的噪音的擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器包括一細(xì)長外殼，其具有至少一個(gè)開口輸入端，適合于恰好位于噴嘴的下游；和至少一個(gè)開口輸出端，進(jìn)入輸入端的氣體通過該輸出端排出；該外殼的有效直徑小于任何人可聽到的聲波波長的1/4，該聲波是通過噴嘴由在分配的氣體所產(chǎn)生的；和該開口輸入端與噴嘴的距離小于任何人可聽到的聲波波長的1/4，該聲波是通過噴嘴由在分配的氣體所產(chǎn)生的。
2．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼的有效直徑為噴嘴直徑的大約125％-175％之間。
3．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼的有效直徑為噴嘴直徑的大約150％。
4．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼的長度大于大約1英寸。
5．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼的長度在大約2-6英寸之間。
6．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼的長度大約為3英寸。
7．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，開口輸入端的位置直接與噴嘴相鄰。
8．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼呈圓筒狀。
9．如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，外殼由347奧氏體不銹鋼制成。
10．一種吸收一些來自聲源的聲波能量的方法，該方法包括下列步驟把至少一部分聲波能量的縱向分量轉(zhuǎn)化為增大的聲波能量的徑向分量；和使一表面定位，以與聲波能量的徑向分量相作用，從而散失至少一部分聲波能量的徑向分量。
11．一種把從聲源發(fā)出的人可聽到的聲波能量減小至可接受音量的裝置，該裝置包括一細(xì)長外殼，其位置適合于接受聲波的能量，并且適合于把一部分聲波能量的縱向分量轉(zhuǎn)化為增大的聲波能量的徑向分量；和細(xì)長外殼的內(nèi)壁，其適合于吸收一部分聲波能量的徑向分量。
全文摘要
一種減噪音的擴(kuò)散器,可減小由壓力氣體通過噴嘴排放所產(chǎn)生的聲音能量。該擴(kuò)散器包括細(xì)長的外殼,該外殼的端部具有開口,一端部與氣體噴嘴的出口相連。外殼的尺寸,特別是與聲源的距離、有效直徑和長度,是這樣選擇的,即:要消除由排放氣體所產(chǎn)生的可聽到的噪音,方法是把一部分聲波能量的縱向分量轉(zhuǎn)化為增大的徑向分量,然后,通過反復(fù)與細(xì)長外殼的內(nèi)壁相作用而散失。
文檔編號(hào)F17C7/00GK1213590SQ98116648
公開日1999年4月14日 申請日期1998年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月29日
發(fā)明者愛里亞斯·A·愛華德 申請人:愛里亞斯·A·愛華德