復雜穿孔板結構消聲器傳遞損失研究

陳　敏，郭　輝，徐　馳，王巖松，劉寧寧

（上海工程技術大學，上海201620）

復雜穿孔板結構消聲器傳遞損失研究

陳敏，郭輝，徐馳，王巖松，劉寧寧

（上海工程技術大學，上海201620）

為分析穿孔板結構參數對穿孔板消聲器傳遞損失的影響，以某車用消聲器為研究對象，利用有限元方法建立該復雜穿孔板消聲器聲學模型，并基于兩負載法搭建實驗臺，驗證模型的正確性。在此基礎上，分析孔隙率、孔徑、板厚等穿孔板結構參數對消聲器傳遞損失的影響。結果表明，隨著孔隙率的增大，低頻傳遞損失峰值向高頻方向移動，中高頻頻帶變寬；隨著孔徑的增大，傳遞損失變化不大，高頻頻帶變寬；隨著板厚的增加，高頻傳遞損失變大。研究結果對復雜穿孔板結構消聲器設計及結構優化具有一定的指導意義。

聲學；消聲器；傳遞損失；兩負載法；穿孔板

微穿孔板消聲結構理論最早由馬大猷［1-3］提出，因其結構簡單和良好的寬頻消聲特性，被廣泛應用于汽車消聲器中。作為一種共振消聲結構，單層穿孔板一般只有一個共振峰值，且消聲頻帶較窄［4］。為改進其消聲特性，Kimihiro等［1，5］通過數值計算方法分析雙層穿孔板消聲特性，結果表明雙層結構有利于拓寬其消聲頻帶。左曙光［6］利用數值方法分析穿孔板數目對消聲器消聲性能的影響，結果顯示，隨著穿孔板數目增加，傳遞損失相應增大，但當隔板數目達到一定值時傳遞損失不再增大。康鐘緒［7］利用有限元法在有流情況下分析穿孔板結構參數對穿孔聲阻抗的影響，研究表明，穿孔聲阻抗隨著孔隙率的增加而降低，隨著孔徑的增大而降低。劉玲［8］在穿孔板基礎上研究褶皺復合結構的吸聲特性，研究顯示，褶皺的高度對吸聲性能影響最大。上述研究對象皆為典型的簡化結構，對于實際使用的復雜結構消聲器，難以建立精確的數學模型、確定其邊界條件來準確預測穿孔板對消聲器聲學性能的影響，而三維仿真方法卻可以對消聲器傳遞損失進行準確模擬，已成為消聲器性能預測和優化設計的有效方法。

本文以某車實用消聲器為研究對象，首先利用有限元方法建立穿孔板消聲器的聲學模型，然后搭建實驗臺并運用兩負載法驗證模型的正確性；在此基礎上，分析穿孔板結構參數對穿孔板消聲器傳遞損失的影響。

1　消聲器聲學理論基礎

1.1傳遞損失計算方法

消聲器傳遞損失指的是聲音能量的衰減，即消聲器排氣口在全消的情況下，消聲器入射聲功率和透射聲功率的差值［9］，傳遞損失表達式如下式中LWi為消聲器入射聲功率級，LWt為透射聲功率級；Wi為入射聲功率，Wt為透射聲功率；pi為入射聲壓，pt為透射聲壓。消聲器進口處聲壓p1是可由Pi和Pr之和表示，即

質點振動速度ν1可以表示為

式中ρ0為空氣密度，c0為聲速。

兩式相加得

若消聲器出口處為全消，則出口處聲壓p2=pt。所以傳遞損失又可表示為

1.2穿孔板的等效模擬

由于該消聲器內部結構中存在穿孔結構，所以利用聲阻抗率邊界條件等效代替穿孔板［10］。穿孔等效阻抗率Zp可以表示為

式中ΔP為穿孔板內外聲壓差；V為孔內粒子平均振速；Rp和Xp分別為Zp的實部和虛部。

當穿孔板厚度l≤4a時，ZP可根據Mechel公式計算

式中ω為角頻率；η為粘滯系數；ρ0為空氣密度；a為穿孔半徑；l為穿孔板壁厚；ε為穿孔率；Δl為小孔分布校正系數。ε和Δl的計算公式如下

式中d為穿孔孔距。其中，穿孔率計算公式與穿孔結構的布置形式有關，具體計算可參考文獻［11］進行。如圖1所示，該消聲器中穿孔排列形狀為正六邊形。

圖1　正六邊形排列

該消聲器中a=2.5 mm，d=7.25 mm，a/d=0.34，故取

2　消聲器理論模型及驗證

2.1消聲器物理模型

圖2為某車排氣消聲器的結構簡圖。該消聲器總共分為兩腔，被隔板C分為腔A和腔B，腔A是帶有內插管（即進氣管）和穿孔板的單節赫姆霍茲共振腔，內插管存在12個直徑為3 mm的小孔；穿孔板和隔板厚度均為1.2 mm，穿孔板上存在160個直徑為5 mm的小孔；腔B內裝有一個內排氣管；尾氣排氣管由上，下兩個排氣管組成，排氣管分成三段，前段位于A腔，中段位于B腔，排氣管的前段和中段的小孔個數相同且直徑均為3.5 mm，前段小孔數為20個，中段為120個。

圖2　消聲器結構簡圖

該消聲器降噪原理為：使用穿孔板/管拓寬消聲頻帶，利用共振腔A腔降低低頻噪聲，通過擴張腔B腔消減中低頻噪聲。發動機產生的噪聲從進氣管進入，氣流一部分通過內插管直接進入B，一部分氣流在內插板和共振腔的作用下，最后經過內排氣管進入腔B；另一條線路是氣流從腔A直接進入下排氣管，最終達到降低噪聲的目的。

2.3實驗臺搭建

消聲器傳遞損失測量的方法一般有四種，分別為傳遞函數法、聲波分解法、兩聲源法和兩負載法［12，13］。其中兩負載法通過改變消聲器末端聲阻抗條件而得到系統參數，因實施起來比較容易而得到廣泛應用，本文利用兩負載法來測量和計算消聲器的傳遞損失。圖3為消聲器傳遞損失實驗簡圖。

圖3消聲器傳遞損失測量系統示意圖

圖4為消聲器實驗現場圖，利用阻抗管測試傳遞損失。該系統主要由三部分組成：信號發生系統、采集系統和消聲器。其中，信號發生系統由電腦和揚聲器組成，揚聲器由阻抗管本身提供；信號采集系統由兩個四分之一英寸傳聲器、數據采集系統和信號采集與處理軟件系統構成。

圖4　實驗現場圖

根據兩負載法的測試規定，被測消聲器應為單排氣口，測試時將該消聲器其中一個排氣口用吸聲棉堵住，使聲音傳播到該處被全部吸收。傳聲器被固定在消聲器上端和下端的管道上，不會破壞管道內部聲場。聲源信號被兩個傳聲器拾取，經過功率放大器放大后輸入多通道分析儀進行分析運算。

2.4仿真和實驗結果對比分析

圖5為仿真和實驗結果對比圖，從圖中可以看出，消聲器仿真結果和實驗結果大體趨勢一致且吻合較好。但大多情況下，仿真值低于實驗值，導致這一現象的主要原因是：

（1）仿真計算是在近乎理想的邊界條件下進行的，默認噪聲到尾端被全部吸收，實驗測量時尾端存在反射聲壓；

（2）建立三維模型時，因為參數不全，仿真過程中孔的排布和實體模型并不完全一致。雖然仿真結果和實驗值稍有出入，但是總體吻合良好，驗證了有限元仿真計算的有效性，可用于消聲器聲學研究。

從圖5中可以發現，當頻率為30 Hz時，存在一個共振峰值，其傳遞損失值為13 dB。這是由于該消聲器存在一個帶有穿孔板的單節赫姆霍茲共振腔結構（如圖2所示），利用下式可計算其固有頻率。式中ε為穿孔板孔隙率，n為穿孔數，d為板厚，r為孔徑，L為板后空氣域的徑向距離。

根據該式計算得到該消聲器的共振頻率為29.48 Hz，與圖5相吻合。從圖5還可以看出，1 Hz～900 Hz的通過頻帶較寬，這是因為穿孔板和擴張腔起到了擴寬頻帶的作用，但是1 Hz～400 Hz的傳遞損失最高只達到23 dB，消聲器低頻降噪能力較弱；1 100 HZ～1 900 HZ頻帶較窄，是因為在高頻階段，出現了高次波，擴張腔的作用降低。因此，需進一步計算分析該消聲器結構參數對其消聲性能的影響規律。

圖5　仿真和實驗結果對比圖

3　穿孔板結構參數對消聲性能的影響

在影響消聲器消聲性能的參數中，穿孔板結構參數至關重要。根據季振林等［14，15］的研究，穿孔板的小孔可以看作小的共振室，在共振頻率處有消聲作用，由此達到消聲的目的；同時穿孔板有利于擴寬消聲器頻帶和提高低頻降噪的能力。重點分析穿孔板穿孔率、孔徑和板厚等參數對消聲器傳遞損失的影響。由于仿真中利用穿孔聲阻抗率邊界條件等效代替穿孔板，因此可以通過改變穿孔管聲阻抗率相關系數，來達到模擬改變穿孔管結構參數的目的。

3.1孔隙率對傳遞損失的影響

分析穿孔率不同的3個穿孔板消聲器對傳遞損失的影響。穿孔板穿孔率依次為2%、3%、4%，其它參數取值如下：孔徑為9 mm，板厚為1.2 mm。計算得到的傳遞損失如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著穿孔率的增大，1 Hz～400 Hz傳遞損失逐漸增大，低頻傳遞損失峰值向高頻方向移動，但是移動幅度不大；中高頻傳遞損失變化不大，但頻帶變寬。這表明增大穿孔板孔隙率有利于提高消聲器低頻降噪能力。由以上可知，要想提高消聲器低頻降噪能力，在設計消聲器的時候，可以適當增大穿孔管的穿孔率。

3.2孔徑對傳遞損失的影響

分析孔徑不同的3個穿孔板消聲器對傳遞損失的影響。穿孔板孔徑依次為5 mm、7 mm、9 mm，其它參數取值如下：孔隙率為3%、板厚為1.2 mm。計算得到的傳遞損失如圖7所示。

圖7　不同穿孔板孔徑的傳遞損失曲線

從圖7可以看出，穿孔板孔徑的變化對消聲器低頻消噪能力影響不大，高頻通過頻率變寬，但是隨著穿孔孔徑的變化，消聲效果整體趨勢沒有多大變化。由以上可知，要想提高消聲器高頻通過頻帶，在設計過程中，可以相對增大穿孔板孔徑，但穿孔孔徑不能無限增加，因為孔徑過大會導致壓力損失減小，不利于提高消聲器消聲性能。

3.3板厚對傳遞損失的影響

分析板厚不同的3個穿孔板消聲器對傳遞損失的影響。穿孔板板厚依次為1.0 mm、1.2 mm、2.2 mm，其它參數取值如下：孔隙率為3%、孔徑為5 mm。計算得到的傳遞損失如圖8所示。

圖8　不同厚度傳遞損失曲線

從圖8可以看出，穿孔板厚度對消聲器低頻消聲效果影響不大，隨著板的厚度增加，中高頻段傳遞損失變化明顯，高頻消聲效果變好，并且頻帶變寬。從圖中可以發現，消聲器共振頻率極為接近且傳遞損失相差很小，共振頻率隨著板厚的增大有向低頻方向移動的趨勢，壓降和傳遞損失變化一致。考慮到工業效益，板不宜過厚，但在高速、高溫氣流下，穿孔板過薄容易損壞。

4　結語

建立穿孔板消聲器聲學模型，并基于兩負載法搭建實驗臺，驗證了穿孔板消聲器模型的準確性。在此基礎上，分析穿孔板結構參數對該消聲器傳遞損失的影響。研究表明：

（1）消聲器低頻傳遞損失隨著穿孔板孔隙率的增加而增大，中高頻傳遞損失變化不大，但頻帶變寬；

（2）穿孔板孔徑變化對消聲器低頻消噪能力影響不大，但隨著孔徑增大，高頻通過頻帶變寬；

（3）穿孔板厚度對消聲器低頻消聲效果影響不大，但若板厚增加，則高頻傳遞損失明顯增大，且頻帶變寬。

當然，在消聲器工程設計、優化及制造使用實踐中，需要綜合分析各類參數對消聲性能的影響，以獲得更為優越的消聲性能。

［1］馬大猷.微穿孔板吸聲結構的理論和設計［J］.中國科學，1975，18（3）：38-50.

［2］馬大猷.微穿孔板結構的設計［J］.聲學學報，1988，13（3）：174-180.

［3］馬大猷.噪聲與振動控制手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.511-512.

［4］Ma D Y.Practical single MPP absorbe［J］.International Journal ofAcoustic and Vibration，2007，12（1）:3-6.

［5］Kimihiro Syoshiki N.Polot study on wideband sound absorberobtainedbycombinationoftwodifferent microperforatedpanel（MPP）absorbers［J］.Acoustic Science&Technology，2009，30（2）:154-156.

［6］左曙光，龍國.隔板對汽車穿孔管消聲器聲學特性的影響［J］.農業工程學報，2014，6（11）：53-58.

［7］康鐘緒.消聲器及穿孔元件聲學特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

［8］劉玲，蔡俊.穿孔板褶皺復合結構聲學性能優化研究［J］.噪聲與振動控制，2013，33（4）：20-23.

［9］Munjal M L.Velocity ratio-cu m-transfer matrix method for the evaluation of a muffler with mean flow［J］.Journal Sound and Vibration，1975，39:105-19.

［10］楊偉軍，蔡俊.微穿孔板—蜂窩夾心復合結構的隔聲性能［J］.噪聲與振動控制，2013，33（4）：122-126.

［11］Leo，Beranek.Noise and vibration control engineering：principles and applications［M］.John Wiley&Sons，2005.

［12］Tao Z，Seybert A F.A review of current techniques for measuring muffler transmission loss［J］.SAE Paper，2003，01-1605.

［13］褚志剛，周亞男.基于有限元虛擬實驗的消聲器傳聲損失測量［J］.農業工程學報，2013，29（1）：48-55.

［14］季振林.直通穿孔管阻性消聲器消聲性能計算及分析［J］.振動工程學報，2005，6（3）：235-238.

［15］孫新波，唐洪剛.穿孔消聲器構型對聲學性能的影響研究［J］.噪聲振動與控制，2010，30（6）：191-197.

Study on Transmission Loss of Complex Mufflers with Perforated Baffles

CHENMin，GUOHui，XUChi，WANG Yan-song，LIU Ning-ning
（College ofAutomotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

The acoustic model of a baffle muffler was established by means of finite element method，and the transmission loss of the muffler was analyzed.To measure the transmission loss，a test bench was built with the double-load method adopted.The results of experiments coincided well with the simulation results.On this basis，considering the baffle as a perforated baffle，the influence of some structure parameters，such as the porosity，the pore diameter and the thickness of the baffle，on the transmission loss of the muffler was calculated.The computation results reveal that when the porosity of the perforated baffle increases，the peak of the low-frequency transmission loss will shift toward the high-frequency direction and the high-medium frequency band is broadened；with the pore diameter increasing，the transmission loss has little change and the high-frequency band is broadened；with the thickness of the baffle increasing，the high-frequency transmission loss is enlarged.The results of this work can be used as a reference for the design and optimization of the complex mufflers with perforated baffles.

acoustics；muffler；transmission loss；two load method；perforated baffler

TU112.59+7

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.039

1006-1355（2015）05-0185-04+207

2015－03－28

上海市自然科學基金項目（14ZR1418600）；國家自然科學基金項目（51175320）；上海市教委科研創新項目（13YZ110）

陳敏（1990－），女，江蘇南通人，碩士研究生。研究方向：車輛消聲器技術。

E-mail:726439677@qq.com。

郭輝（1981－）男，副教授，碩士生導師。