內插錐管擴張室消聲器消聲性能的仿真分析

黃澤好，袁光亮，譚章麒，劉 通

（重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054）

0 引言

隨著汽車品質的提高，對消聲器的性能也提出了更高的要求。傳統的抗性消聲結構往往都不能同時兼顧消聲器的聲學性能和氣流再生噪聲。所以，如何兼顧聲學性能與氣流再生噪聲成為消聲器設計的重要課題。錐管結構因其具有良好的空氣動力性能和聲學性能，越來越多的應用到消聲器的設計中。然而錐管對消聲器性能的影響還缺乏規律性的了解，設計中存在盲目性，降低了消聲器的開發效率。為此已有學者開始了這方面的研究，Allam[1]等研究了錐形進出口在柴油機后處理設備中的應用及對氣流再生噪聲的影響。姜鵬明[2]等研究發現錐管對低頻噪聲有明顯抑制作用，且能有效減小氣流再噪聲。司斌[3]等研究發現錐管運用于擴張式消聲器中對傳聲損失曲線具有移頻、降幅、改善通過頻率處消聲性能的作用。

本文應用聲學有限元法和流體力學方法通過數值計算與聯合仿真，對如圖1所示內插錐管結構的擴張室消聲器，建立聲學有限元模型和消聲器流場模型，對其進行傳聲損失與氣流再生噪聲的仿真分析，歸納出內插錐管結構參數對消聲性能的影響關系，為提高內插錐管在消聲器中的消聲效果提供參考與指導。

1 氣流再生噪聲的計算方法

一般假設聲源區的尺度遠小于聲波波長，即所謂的緊致聲源[4]，這樣就可以不考慮各聲源的距離不同，只從單個聲源考慮其輻射特性。

根據Lighthill聲類比方程如式(1)：

等式(2)中：等號右邊三項為由低速氣流表面加速度引起單極子聲源項；由表面脈動壓力引起的聲源偶極子聲源；高速流體紊流所產生的四極子聲源。

由于消聲器內部的氣流流速在一般在30m/s～50m/s[6]，屬于低馬赫數范圍。同時消聲器管道與腔室截面的變化，壁面與氣流相互作用引起渦流而發聲[7]，所以在計算消聲器中的氣流再生噪聲時主要考慮偶極子噪聲。

2 仿真模型

如圖1所示，本文以內插錐管擴張室消聲器模型。在擴張室結構參數保持不變的條件下，內插錐管的主要結構參數為錐度和錐管長度。

圖1 內插錐管擴張室消聲器三維模型

表1 內插錐管擴展室消聲器模型參數

本文應運Virtual.Lab Acoustic建立聲學有限元模型（如圖2所示），用于研究消聲器傳聲損失與氣流再生噪聲的傳播。聲場網格的劃分網格大小將直接影響分析結果的誤差。對于線性有限元和邊界元模型，通常要求最大單元的邊長要小于最短波長的1/6。聲音在某流體介質中傳播速度是c，某個線性單元的長度是L，那么這個單元計算到的最大頻率為[5]：

圖2 內插錐管擴展室消聲器聲學有限元模型

本文計算的最高頻率為5000Hz，聲速為340m/s，則單元長度不應大于0.0113m。而本次計算聲學網格的最大邊長為6mm，網格量為132895，在滿足要求的同時也保證了計算精度。

通過對消聲器內部流暢的分析，將得到氣流再生噪聲的聲源。所以建立了如圖3所示的流場模型。網格類型為四面體非結構網格，單元大小設為4mm，網格量為289232。在進行氣動噪聲計算時湍流模型選為大渦模擬，所以通過y+理論，邊界層第一層的厚度為0.01mm。

圖3 內插錐管擴展室消聲器流體模型

3 錐管結構參數對消聲器傳聲損失的影響

計算中流體介質采用空氣，聲速c取340m/s，空氣密度ρ取1.225kg/m3。入口邊界條件在入口平面施加單位速度激勵，實部為-1m/s，虛部為0；出口邊界條件定義為全吸聲邊界，取聲阻抗實部 416.5kg/（m2s），虛部為0。計算步長取20Hz，頻率范圍為20Hz～5000Hz。

3.1 正反流內插錐管的影響

如圖4所示為錐度分別為0、10/14、30/14，錐管長度為14mm的傳聲損失曲線與進出口互換后的傳聲損失曲線。由圖可見，正反流內插錐管的傳聲損失基本是一致的，說明在擴張室消聲器中內插錐管的方向并不會影響傳聲損失，與文獻[3]的結論相同。由文獻[6]擴張室消聲器的高頻截止頻率為：，其中c為聲速，S為擴張室橫截面面積。本文聲速為340m/s，擴張室截面面積為0.02m2，高頻截止頻率為2933Hz。在高頻截止頻率以下，傳聲損失與直內插管（錐度為0）擴張室消聲器是一致的。在高頻截止頻率以上，擴張室消聲器的消聲效果受到限制。由圖可見，因為內插錐管的存在，高頻截止頻率在小范圍內發生變化。隨著錐度的增加，高頻截止頻率處的傳聲損失減小。

圖4 不同錐度內插及錐管方向對傳聲損失的影響

3.2 反流內插錐管長度的影響

由上節結論可知錐管具有雙向傳聲特性，而消聲器中錐管的使用主要為反流插入，所以下面主要分析反流錐管插入。如圖所示，錐度保持不變，椎管長度為24mm的傳聲損失。由圖5可見，錐管長度的增加，在通過頻率800Hz與1800Hz處的傳聲損失增加，與直內插管改善擴張室消聲器部分通過頻率的理論分析是一致的，而錐度為20/28的內插管擴張室消聲與直內插管消聲器的傳聲損失基本相同。但從圖可知大錐度管口60/24使內插管擴張室消聲器在通過頻率1800Hz處的消聲效果變差。

圖5 內插錐管長度增加后對傳聲損失的影響

小錐度內插管與直內插管相比并沒有對擴張室消聲器的傳聲損失有很大改變，而大錐度內插管還會使內插管消除部分通過頻率的效果變差。鑒于錐形管的對擴展室消聲器傳聲損失影響有限，所以下面將對錐管在再生氣流噪聲中的影響進行分析。

4 錐度對消聲器氣流再生噪聲的影響

排氣噪聲主要產生于發動機排氣門產生的周期性壓力波。但是消聲器進出口連接處截面的突然擴大或縮小，引起空氣渦流會產生的氣流再生噪聲。隨著發動機轉速的提高，氣流再生噪聲的影響也會凸顯[8]。而擴張室消聲器中，錐管的應用必將改變擴張室消聲器的內部流場進而影響氣流再生噪聲。

4.1 不同錐度內插管擴張室消聲器的氣流再生噪聲

如圖6所示為錐度0、10/14、20/14、30/14反流內插錐管擴張室消聲器在入口流速為50m/s時的氣流再生噪聲。從圖中可以看出，錐管的存在大大降低了擴張室消聲器在中高頻的寬頻氣流噪聲，但錐度為10/14與30/14的錐管在1900Hz左右氣流再生噪聲出現一個小的峰值，說明錐度過大或過小都會不利于中高頻的消聲效果。

圖6 不同錐度內插錐管擴展消聲器氣流再生噪聲

4.2 不同氣流速度對氣流再生噪聲的影響

圖7分別為錐度0、10/14、20/14、30/14反流錐管插入擴張室消聲器在不同進口流速v（40m/s、50m/s和60m/s）情況下的氣流再生噪聲。

圖7 不同流速對內插錐管擴展室消聲器氣流再生噪聲的影響

從圖7(a)中可以看出，直內插擴張室在入口為40m/s與50m/s氣流速度下，氣流再生噪聲在800Hz以上幾乎一樣，而60m/s的流速的氣流再生噪聲則比50m/s的氣流再生噪聲大8dB左右。說明直管擴張室消聲器對低流速的氣流再生噪聲影響較小，而對高流速的氣流再生噪聲較敏感。

從圖7(b)中可以看出，錐度為10/14的錐管口擴張室在入口為50m/s與60m/s氣流速度下，氣流再生噪聲在幾乎一樣，而40m/s的流速的氣流再生噪聲則比50m/s的氣流再生噪聲小8dB左右。說明小錐度的錐管口擴張室對高流速的氣流再生噪聲影響較小，而對低流速的氣流再生噪聲較敏感。

圖7(c)為錐度20/14的內插錐管擴展室消聲器的氣流再生噪聲，從圖中可以看出，氣流的變化對氣流再生噪聲影響較小。說明該錐度的錐管口對氣流敏感度較低。

圖7(d)為錐度30/14的錐管口消聲器的氣流再生噪聲，從圖中可以看出，氣流的變化對氣流再生噪聲影響較大。說明該錐度的錐管口對氣流敏感度較高。

5 結論

1）內插錐管的方向并不會影響聲學傳聲損失，錐管具有雙向傳聲特性。

2）錐管長度不變，隨著錐度的增大，擴張室消聲器截止頻率處的傳聲損失減小。

3）錐度不變，錐管長度增大，大錐度錐管長度將影響內插管對擴張室消聲器消除部分通過頻率的效果。

4）反流內插錐管有利于降低擴張室消聲器的氣流再生噪聲，內插錐管比直內插管擴張室的氣流再生噪聲平均小10dB左右。

5）大錐度錐管氣流再生噪聲對氣流速度比較敏感，小錐度錐管氣流再生噪聲對低速氣流較敏感。

[1] Allam,Sabry.Abom,Mats. Acoustic modelling of an aftertreatment device (ATD)[J].ActaAcustica (Stuttgart),2003,85.

[2] 姜鵬明.一種低阻損的低頻錐管消聲結構[A].第十屆全國噪聲與振動控制工程學術會議論文集[C],2005.

[3] 司斌,陳劍,李家柱.錐管結構消聲性能的有限元分析[J].噪聲與振動控制,2014,34(5)：214-218.

[4] Modellingflow-inducednoise[R].LMSInternational,2006.

[5] Ffowcs Williams J E,Hawkings D L.Sound generation byturbulence and surfaces in arbitrary motion[J].Proc. Roy.Soc. Lond. A,1969,264( 1151)：321-342.

[6] 盛美萍,王敏慶,孫進財.噪聲與振動控制技術基礎[M].北京：科學出版社,2007：132-153.

[7] 馬大猷.現代聲學理論[M].北京：科學出版社,2004：296-297.

[8] Desantes, J.M.；Torregrosa, A.J..Broatch, A. Experiments on Flow Noise Generation in Simple Exhaust Geometries[J].ActaAcustica united with Acustica,2001,85(1)：45-55.