汽車消聲器聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)改進建議

施忠良

上海世喆基汽車研發(fā)有限公司 上海市 201103

隨著社會的發(fā)展與人民生活水平的提高，汽車事業(yè)與交通工業(yè)迅速發(fā)展，汽車逐步變?yōu)樯鐣暮诵慕煌üぞ撸绱艘伯a(chǎn)生了越來越多的汽車噪音污染，而隨著人們對生活品質(zhì)的水平的提高，對汽車質(zhì)量的需求也在提高，如何減少汽車噪音成為提高汽車技術(shù)性能與質(zhì)量水平的核心指標之一。其中，汽車的主要噪音源是發(fā)動機噪音，而發(fā)動機的主要噪音源則是排氣噪音源，因而可以降低發(fā)動機的排氣噪音、控制汽車的車外噪音的消聲器的設(shè)計與改進對控制汽車噪音、提高汽車性能都具有極為重要的意義。

因此消聲器的性能優(yōu)劣直接影響著汽車性能的好壞。而常見的評價消聲器的消聲性能評價指標主要有聲壓極差、插入損失與傳遞損失等，其中消聲元件的消聲效果的評價指標主要為傳遞指標，而消聲系統(tǒng)的消聲效果的評價指標主要為聲壓極差與插入損失。

1 汽車消聲器聲學(xué)性能分析

消聲器分析與研究的早期主要依據(jù)的是平面波理論，并在此理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出消聲器聲學(xué)性能分析的主要計算方法，即以平面波理論為基礎(chǔ)的邊界元、有限元法與傳遞矩陣法等。但是，因為汽車排氣消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均較為繁復(fù)，其內(nèi)部聲場在聲波頻率較高時為三維，因而僅使用一維的平面波理論檢測會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，于是必須采取二維乃至三維的平面波檢測方法來分析它們的聲學(xué)性能。而對于具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的消聲器，如果僅是運用傳統(tǒng)的阻力系數(shù)理論與平面波理論相關(guān)的計算方法，就會產(chǎn)生相對較大的誤差。

因此，隨著計算方法的技術(shù)發(fā)展，從而產(chǎn)生了消聲器設(shè)計的新途徑。利用專業(yè)的聲學(xué)分析軟件建立消聲器的三維模型，而后運用有限元法進行數(shù)值分析與計算，就可以有效的彌補以上各方法的不足。例如，聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學(xué)計算軟件FLUENT。

1.1 運用有限元法進行性能分析

有限元法相對于邊界元法，具有可以大大簡化具有復(fù)雜的穿孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的消聲器的優(yōu)點，如此可以大大簡化分析的計算量。

1.1.1 利用建立聲學(xué)有限元模型的方法進行性能分析

對消聲器的結(jié)構(gòu)進行普遍分析，可以發(fā)現(xiàn)消聲器的原始幾何模型也是十分復(fù)雜的，因此對分析消聲器影響不大的幾何結(jié)構(gòu)特征可以進行相應(yīng)的簡化，從而對后面建立有限元模型網(wǎng)格創(chuàng)造有利條件。其次，為了避免在建立模型后期時出現(xiàn)局部模型網(wǎng)絡(luò)無法等效的情況，對經(jīng)過相應(yīng)簡化、重新建立簡單模型的消聲器，建立有限元模型時還需要著重注意相關(guān)模塊與模塊之間的有機聯(lián)系，必須注意反復(fù)調(diào)整分解與聯(lián)系模塊的方法以追求達到模型的整體等效平衡。在最后，為了能夠控制質(zhì)量不良的模型網(wǎng)格單元可以在一定的比例內(nèi)，還必須優(yōu)化和檢驗三維模型網(wǎng)格每單元的質(zhì)量。

1.1.2 運用三維聲學(xué)有限元法進行性能分析

根據(jù)有限元的聲學(xué)相關(guān)理論可以得出，在不考慮消聲器位于的相應(yīng)氣體環(huán)境下的氣體的熱傳導(dǎo)性與空氣粘性等因素的條件下，可得氣場的三維波動理論方程為：

而后通過變分原理可得亥姆霍茲方程：

其中，2指的是拉普拉斯算子，k0指的是波數(shù)；

然后，運用三維有限元法對消聲器性能進行分析，需要首先利用消聲器周圍的環(huán)境氣體建立起離散化模型，而后再利用伽遼金法建立起離散化方程：

其中，{φn}指的是所有離散節(jié)點的速度勢矩陣；

而后，將邊界條件代入上式，即可計算出各離散節(jié)點的壓力與速度。

1.2 消聲器的傳遞損失的性能分析

作為消聲器的評價指標之一的傳遞損失，指的是消聲器進口端與出口端的功率級的差值，而由于進出口的功率級不可以直接進行測量，但是在消聲器的進口端和出口端的管道截面的面積相同時，沿截面聲壓近似為均勻分布，因此消聲器的傳遞損失的數(shù)值等于進口端的入射聲壓級減去出口端的投射聲壓級。其表達式為：

其中，TL指的是傳遞損失，LW1指的是進口端的入射聲壓級，LW2指的是出口端的投射聲壓級。

而消聲器的傳遞損失與消聲器的出口端的聲學(xué)性能、聲源性能與消聲元件在消聲器系統(tǒng)中的位置無關(guān)，而只取決于汽車消聲器元件的截面積、元件的結(jié)構(gòu)與消聲介質(zhì)的阻抗率。因此分析與評價消聲器的消聲性能是否優(yōu)越與是否滿足設(shè)計要求，運用傳遞損失分析則最為適宜。

它的分析與測量方法主要有脈沖法、兩聲源法、兩負載法與聲波分解法等。其中因為汽車尾氣長期處于高壓、高溫的氣流狀態(tài)，對位于這種高溫、高壓情況下的消聲器是無法進行動態(tài)的傳遞損失分析與測量的，所以對于這種情況下的消聲器只能運用靜態(tài)的傳遞損失方法進行分析與測量。

消聲器的傳遞損失的分析與測量方法主要為靜態(tài)的四傳聲器法的測量方法。其主要采取的是直接通過多通道數(shù)據(jù)采集與信號分析儀進行分析與測量。而使用多通道數(shù)據(jù)采集與信號分析儀的主要方法、步驟為：首先：在分析儀的信號輸出端輸出在一定電壓信號的頻率范圍內(nèi)進行掃頻或者按照1/1倍頻率或1/3倍頻率的電壓信號的中心變化頻率，而后經(jīng)由功率放大器將其頻率輸送到揚聲器內(nèi)，從而在揚聲器中轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的聲波，然后將其在測試管中進行傳播。

2 消聲器聲學(xué)結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化建議

2.1 改進與優(yōu)化消聲器穿孔器的幾何參數(shù)

對消聲器的幾何尺寸進行改進與優(yōu)化，對其進行有效增大，能夠有效增大消聲器的消聲量。然而，首先由于消聲器的裝配空間會對消聲器的幾何尺寸產(chǎn)生限制，因此消聲器的腔體幾何尺寸大都不適合進行改變。其次，增大消聲器的腔體幾何尺寸，也會增大消聲器的傳遞損失。

所以，改進與優(yōu)化消聲器穿孔板的幾何參數(shù)，即在消聲器內(nèi)部的隔板或管壁上增加許多微小的穿孔，聲波在通過消聲器穿孔板上的這些微小穿孔時，可以造成有效的聲波能量衰減。因此，可以有效減少消聲器穿孔板的幾何參數(shù)，可以減少消聲器對壓力損失的影響，而且可以有效改善消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能，因此對提高消聲量更加具有實際意義。

2.2 確定消聲器穿孔板的阻抗

在消聲器的實際設(shè)計中，如果采用大量的微小穿孔，則會大大增加劃分有限元模型網(wǎng)格的工作量。因此，如果想要保存這些微小穿孔，則需要建立以四面體為基礎(chǔ)模型網(wǎng)絡(luò)類型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，或者以六面體為基礎(chǔ)模型網(wǎng)絡(luò)類型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)加以應(yīng)對，從而將微小穿孔附近的空氣劃分成為十分細節(jié)的網(wǎng)絡(luò)。

2.3 確定有限元模型的邊界條件

消聲器的有限元模型網(wǎng)格在聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab中的邊界條件，主要有消聲器穿孔板內(nèi)表面與外表面之間的導(dǎo)納與傳遞關(guān)系、入口的質(zhì)點振動速度、入口邊界、出口阻抗與出口邊界，其余的邊界表面則會自動被LMS Virtual Lab 默認為絕熱剛性壁。入口邊界指的是消聲器入口端的包絡(luò)面網(wǎng)格單元選中，而出口邊界指的是消聲器出口端的包絡(luò)面網(wǎng)格單元選中，其中出口邊界還需要進一步確定它的消聲屬性。如果將消聲器的出口端管道直接通往大氣，則通過出口邊界，聲波可以直接傳播到大氣中。但如果不對消聲器的壁面進行任何處理，因為聲學(xué)有限元的模型網(wǎng)格為實體的網(wǎng)格，則傳播到出口邊界時，聲波就會被壁面全部反射回來。

3 結(jié)語

隨著社會科技的發(fā)展，出現(xiàn)了新的三維聲學(xué)有限元法，例如聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學(xué)計算軟件FLUENT，為分析消聲器的聲學(xué)性能提供了一個更加有效、快速的方法，可以有效對汽車的消聲器的靜態(tài)的傳遞損失進行檢測與分析，從而也可以為分析、改進與設(shè)計消聲器的聲學(xué)性能提供了相應(yīng)的有效依據(jù)。同時，根據(jù)相關(guān)分析，改進與優(yōu)化消聲器穿孔器的幾何參數(shù)，可以有效提高消聲器的消聲性能與效果。