在现代工业和交通运输中，噪声控制是一个重要的课题。管道系统，如通风管道、空调系统和车辆消声器，常常需要有效地减少噪声污染。传统的消声方法往往存在体积大、成本高、效果有限等局限。

如何在不增加管道系统体积和成本的前提下，有效降低管道噪声？

针对此问题，丰田公司发明了一种新型的管道降噪技术，专利号为US11965442B2。这项专利通过在管道中设置上游和下游谐振器，实现对噪声的有效吸收和反射，为管道降噪领域带来新的解决方案。


管道结构设计

这项专利的核心在于其独特的谐振器设计。管道主体#12定义了一个入口#14、一个出口#16以及连接入口和出口的通道#18。在通道的上游和下游，分别设置了一个上游谐振器#20和一个下游谐振器#22。


专利图1展示了包括一个管道主体的管道示例，该管道本体定义了一个进口、一个出口、连接进口和出口的通道、一个上游谐振器和一个下游谐振器。

  • 上游谐振器包括一个位于通道#18外部的上游环形腔体#24和一个与上游环形腔体#24共面的环形穿孔板#26，穿孔板上的穿孔具有延伸至上游环形腔的穿孔颈部。

  • 下游谐振器包括一个位于通道#18外部的下游环形腔#28和一个与下游环形腔共面的环形开口#30，环形开口具有延伸至下游环形腔的环形开口颈部，且环形开口颈部的长度大于穿孔颈部的长度。


专利图2展示了图1管道的横截面视图。
谐振器工作特性
  • 上游谐振器一般设计为有损谐振器，其吸收声波的能力与多个因素紧密相关。具体包括上游环形腔的体积，体积大小直接影响其对声波能量的容纳和消耗能力；环形穿孔板的厚度，厚度不同会改变声波传播过程中的阻力和能量损耗；穿孔的直径，直径大小决定了气体进出环形腔的流量和速度，进而影响声波的吸收效果；以及穿孔的孔隙率，孔隙率的大小控制着气体与声波的接触和作用程度。
  • 下游谐振器通常作为无损谐振器（如常见的亥姆霍兹谐振器），其主要功能是反射声波。其反射效果主要取决于下游环形腔的体积和环形开口颈部的横截面积。较大的环形腔体积能够提供更大的空间来容纳和反射声波，而环形开口颈部的横截面积则决定了声波反射的效率和方向。

专利图3A展示了图1和图2管道的吸收光谱示例，这些光谱对应于上游谐振器和下游谐振器之间的不同距离。图3B展示了图1和图2管道的反射、透射、吸收光谱示例。
共振耦合机制
  • 上游和下游谐振器相互配合，形成共振耦合，这是降低管道内噪声的关键原理。它们各自的共振频率在这个过程中起着重要作用，有时两者的共振频率会设计成基本相等，以达到最佳的协同效果；有时也会根据实际需求设置为不同的值。

  • 共振耦合的效果与两个谐振器之间的距离密切相关。这个距离是通道内声波波长的函数。专利中提到，在实际应用中，经过大量实验和理论推导发现，当距离为大约 100 毫米时，能够实现非常显著的降噪效果，吸声效果可达 80% 及以上。

应用领域
  • 在车辆领域，该管道可作为高效的消声器应用于车辆系统中。车辆发动机在运行过程中会产生大量噪声，这些噪声通过排气管道等传播，严重影响车内的舒适性和车外的环境噪声水平。该专利管道能够有效地降低发动机产生的噪声，提升车辆的品质和驾驶舒适性。

  • 除车辆外，在诸如 HVAC（供暖、通风和空调）系统等其他需要输送气体且对噪声有严格要求的场合，也具有重要的应用价值。在 HVAC 系统中，空气在管道内的流动产生的噪声可能会干扰室内环境的安静程度，该管道的降噪特性能够显著改善这一问题，提高系统的性能和用户体验。

应用拓展
除了本专利中提到的内容，该技术有潜力与其他材料或技术相结合，以进一步提升降噪效果。以下是一些可能的结合方式：
材料结合
1.吸声材料

  • 多孔材料：在上游谐振器的环形腔室中填充多孔材料（如泡沫、纤维、矿物棉等），可以增加声波在腔室内的吸收，降低反射声波的能量。多孔材料的孔隙结构能够使声波在进入材料内部后不断反射和散射，从而消耗声波能量，提高降噪效果。

  • 阻尼材料：在谐振器的某些关键部位（如穿孔板、腔室壁等）涂覆阻尼材料（如橡胶、沥青等），可以有效抑制结构振动，减少噪声的产生和传播。阻尼材料能够将振动能量转化为热能，降低结构的共振响应，进一步提高降噪性能。

2.复合材料
  • 金属-塑料复合材料：利用金属的强度和塑料的轻质、吸声特性，制造出具有优良力学性能和吸声性能的谐振器部件。例如，金属框架可以提供结构支撑，而塑料部分则用于吸收声波能量，实现轻量化和高效降噪。

  • 纳米材料：纳米材料具有独特的物理和化学性质，如纳米多孔材料具有极高的比表面积和孔隙率，能够更有效地吸收声波能量。将纳米材料应用于谐振器的某些关键部位，可能进一步提高其吸声性能。

技术结合
1.主动降噪技术
  • 电子控制：结合电子控制技术，实时监测管道中的噪声信号，并通过电子设备产生与噪声信号相位相反的声波进行抵消。例如，在管道中安装麦克风和扬声器，麦克风采集噪声信号，电子控制器分析信号并驱动扬声器发出反相声波，与噪声声波相互抵消，实现主动降噪。这种结合可以弥补被动降噪技术在某些频率范围内的不足，提高整体降噪效果。

  • 智能优化：利用人工智能算法对谐振器的参数进行智能优化，根据不同的工况和噪声特性，自动调整谐振器的结构参数（如腔室体积、穿孔板厚度等），以达到最佳的降噪效果。例如，基于机器学习模型，分析大量噪声数据和谐振器性能数据，建立噪声特性与谐振器参数之间的关系模型，实现对谐振器参数的实时优化。

2.结构优化技术
  • 几何优化：通过优化谐振器的几何形状和布局，进一步提高声波在谐振器内的传播路径和反射次数，增强声波能量的消耗。例如，设计具有复杂几何结构的腔室，使声波在腔室内多次反射和散射，增加声波与腔室壁的接触面积和时间，提高吸声效果。
  • 多级谐振器结构：在管道中设置多级谐振器结构，形成多个共振腔室的串联或并联组合，可以覆盖更宽的频率范围，实现更全面的降噪效果。例如，上游谐振器主要吸收低频噪声，而下游谐振器则吸收高频噪声，通过多级谐振器的协同作用，达到宽频带降噪的目的。
综合应用
1.集成系统
将上述材料和技术结合应用于一个集成的降噪系统中，实现被动降噪与主动降噪的协同作用。例如，在管道系统中，首先利用谐振器和吸声材料进行被动降噪，消除大部分噪声；然后通过电子控制设备进行主动降噪，进一步降低残留噪声，实现更高效的降噪效果。
2.定制化解决方案
根据不同应用场景的具体需求，定制化设计和优化降噪方案。例如，在汽车排气系统中，结合车辆的发动机特性、排气管路布局以及驾驶环境等因素，综合运用谐振器、吸声材料、主动降噪技术和智能优化技术，为不同车型提供个性化的降噪解决方案，满足不同用户的降噪需求。
结语
在当前的市场环境下，管道降噪技术多种多样，丰田的这项专利有其独特的优势和价值。通过在管道内设置上游和下游谐振器结构，利用共振耦合原理实现降噪，从原理上更为高效。
当然，这项专利也可能面临一些挑战。在实际的大规模生成和安装过程中，对于谐振器的精度要求可能会增加生产成本和工艺难度。而且，在复杂的实际工况下，如管道内气体流量和温度变化较大时，如何确保谐振器始终保持稳定的降噪性能，还需要进一步研究和验证。