進出口管位置變化對消聲器聲學性能的影響

習文輝

【摘 要】本文以HT01001X的發動機排氣消聲器為模型，運用三維有限元分析軟件對消聲器內部聲場進行數值模擬，分析了消聲器進、出口管位置偏置對消聲器聲學性能的影響。結果表明：消聲器進、出口管位置發生偏置對中、低頻噪聲的消聲性能影響很小，而對中高頻和高頻的消聲性能影響十分明顯。

【關鍵詞】消聲器；聲學性能；傳遞損失；有限元

中圖分類號： TB535.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0161-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.073

0 引言

在對汽車進行噪聲控制時，最簡單又有效的措施就是安裝消聲器，消聲器理論覆蓋的學科范圍非常廣泛，包括聲學、流體學、振動學、傳熱學、內燃機構造等諸多學科領域的知識都有涉及到[1]，且消聲器內部結構十分復雜，因此，對其設計和研究十分困難。消聲器的性能主要從聲學性能和空氣動力學性能兩個指標去衡量。設計出綜合性能較好的消聲器一直是該領域始終在追尋的目標。

傳統消聲器進、出口管位置一般與消聲器外殼同軸。本文對消聲器進、出口管位置進行偏置設計，采用聲學有限元分析方法，利用專業的聲學分析軟件LMS Virtual.Lab Acoustic及相關軟件對消聲器內部聲場進行了數值模擬分析，研究消聲器進出口管位置偏置對該消聲器聲學性能的影響，為今后消聲器的設計和研究提供一定的理論依據。

1 聲場基礎理論

1.1 基本假設

在進行數值模擬分析時，需要進行一定的假設，本文進行的假設主要有：

（1）介質為理想均質流體，即介質不存在粘滯性，聲波在傳播過程中沒有能量的損耗。

（2）聲波傳播是一個絕熱過程，與外界不存在熱交換。

（3）介質靜態壓強和靜態密度都為常數。

（4）消聲器為剛性管壁組成，聲波不會透過管壁向外輻射。

1.2 聲學方程

在均勻介質、非粘性和絕熱狀態下的聲學波動方程：

？塄2p'-

式中：拉格朗日算子？塄2=為聲波在流體介質中的傳播速度，c與時間t的關系為，c≈331.6+0.6t，？酌為氣體定壓比熱容與定容比熱容之比，對于空氣，？酌=1.402；ρ0為流體靜態情況下的密度；p'為外界擾動引起的流體聲壓；q'為流體微元體內單位體積的體積速度引起的附加質量。

在消聲器的設計和評價中有很多指標，對于聲學性能，常用的有插入損失、傳遞損失和末端減噪量等參數，對于插入損失等參數的計算，需要聲源特性以及聲阻抗特性，往往需要實驗獲取此類參數，很不方便。而傳遞損失是消聲器本身具有的特性，因此，在消聲器設計以及數值計算時用傳遞損失來作為評價指標非常方便。消聲器傳遞損失計算公式：

式中，Win、Wout分別為入口和出口平面波的聲功率；p1、p2分別為入口和出口聲壓；Ain、Aout分別為入口和出口截面積。本文中消聲器出口和入口截面積相同，即Ain/Aout=1，則公式化簡為

TL（dB）=10lg（3）

2 排氣消聲器模型的建立

2.1 物理模型

圖1為所研究消聲器模型的基本結構尺寸。該消聲器為典型的抗性消聲器，具有三個腔室，每個腔室由帶孔的隔板及帶穿孔的進、出口管相連接，內部結構較為復雜，對其內部聲場的分析研究具有很大意義。如圖，消聲器總長982mm，進口與出口管直徑均為65mm，消聲器外徑為182mm，進口管長537mm，出口管長445mm，進、出口管穿孔300個，小孔直徑6mm，中間腔室隔板每塊上均布有6個直徑為20mm的孔來連接各腔室，模型厚1mm。圖中，左端為進口，右端為出口。

通過對消聲器原有模型的進、出口管位置進行偏置設計，得出圖2所示三種設計方案：A方案僅對進口管位置進行偏置15mm，B方案僅對出口管位置偏置15mm，C方案為消聲器進出口管同時偏置15mm。三種設計方案中，模型的其他結構尺寸以及位置等均不發生變化，圖中粗實線為入口管，細虛線為出口管。

2.2 有限元模型

在進行有限元計算之前，首先對消聲器三維模型進行網格劃分。由于研究的是消聲器內部聲場，因此需先將UG建立的消聲器三維實體模型提取內部空腔部分，然后導入專業有限元網格劃分軟件Hypermesh內進行網格劃分。網格劃分質量對計算結果有很大影響，鑒于該消聲器內部結構較為復雜，為保證計算精度，在消聲器隔板及穿孔管處進行網格細化。當然，數值計算結果是由大部分網格所決定的，并非網格越細越好，為保障計算速度，需合理控制網格劃分大小和劃分精度。網格大小由最高響應頻率決定，單元大小滿足公式：LMAX≤（4）

其中C為聲速，fmax為最高計算頻率[2]。由于對消聲器進行分析計算時，流體材料選擇空氣，聲速為340m/s，最高計算頻率為3000Hz，所以最大網格尺寸為18.8mm，網格劃分采用四面體網格。如圖3為方案A的消聲器有限元模型（僅以方案A的有限元模型為例），從圖中可以看出，為提高計算精度，對模型腔室隔板小孔以及進、出口管穿孔位置進行了細化，該模型有121689個節點，569360個單元。

將劃分好的網格導入LMS Virtual.Lab Acoustic軟件內進行求解計算。首先確定分析類型，選擇FEM Frequency Fluid ，定義流體材料屬性，使用系統默認屬性為空氣。然后進行邊界條件的定義。

2.3 邊界條件

（1）入口邊界條件：傳遞損失是消聲器的固有屬性，與輸入無關，入口端可施加單位速度邊界條件，也可輸入一定的聲功率。本文入口輸入（0，1）階平面波，聲功率為1w。

（2）出口邊界條件：消聲器出口端施加全吸聲邊界條件， 對于吸聲屬性，可以通過聲阻抗和聲導納來定義，即吸聲系數α=1或聲阻抗為416.5kg/m2/s。本文定義消聲器出口面為無反射面。

（3）壁面邊界條件：設壁面為剛性壁面， 即不考慮壁面吸聲， 吸聲系數α=0[3-4]。

3 聲場計算及分析

本文所研究的消聲器為抗性消聲器，中、低頻的消聲效果較好[5]，并且發動機排氣噪聲頻率主要集中在3200Hz以內[6]，因此，對消聲其進行數值模擬分析時，計算頻率選擇為20Hz至3000Hz，步長為20Hz。如圖4為不同方案的消聲器與原消聲器傳遞損失的對比。

從圖中可以看出，在20Hz至940Hz頻率范圍以內，不同方案的消聲器傳遞損失曲線與原消聲器傳遞損失曲線基本重合，因此，在此頻率范圍內，消聲器進、出口管位置的偏置對消聲性能幾乎沒有影響。940Hz以后不同方案的消聲器傳遞損失開始發生變化。

圖5和圖6分別為380Hz和2220Hz時各消聲器聲壓級分布云圖。從圖5中可以看出，頻率等于380Hz時，每個消聲器內部除了隔板小孔附近出現小的球面波，在同一橫截面上的聲壓級都相等，聲音在消聲器內是以平面波的形式在傳播，且不同方案下每個消聲器的聲壓級云圖基本相同，說明在該頻率點附近，消聲器進、出口管位置的偏置對消聲器的聲學性能基本沒有影響，與圖4中傳遞損失曲線在中、低頻區域反應的情況是一致的。而從圖6中可以發現，頻率等于2220Hz時，同一消聲器同一橫截面上的聲壓級不再相等，聲波以球面波的形式傳播；不同消聲器同一截面附近的聲壓級分布也大不相同，說明消聲器進、出口管位置的偏置對該頻率點附近消聲器的聲學性能有一定影響。

下面對940Hz以上頻率的不同方案下的消聲器的傳遞損失進行進一步分析。如圖7為方案A（進口管偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖7中可以看出，進口管偏置消聲器在980Hz和2140Hz處均有一消聲峰值，原消聲器則沒有；而在1240Hz處兩者均出現峰值，但原消聲器的幅值更大；在2740Hz至2940Hz內，原消聲器有較好消聲效果。如圖8為方案B（出口管偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖8中可以看出，出口管偏置的消聲器在1020Hz、1420Hz、1800Hz、2180Hz、2860Hz和2980Hz處均出現消聲峰值，原消聲器則沒有，說明在這些頻率附近出口管位置偏置的消聲器具有較好的消聲性能；而在1240Hz處出口管偏置的消聲器未出現較大消聲峰值；在2740Hz至2840Hz和2900Hz至2960內，原消聲器有較好消聲效果；其它頻率兩者消聲效果基本一致。如圖9為方案C（進出口管同時偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖9中可以看出，進、出口管同時偏置的消聲器與原消聲器相比，增加了大量通過頻率，總消聲量遠不及原消聲器，整體消聲效果較差。因此，在以后的消聲器設計中應該避免進出口管同時偏置的情況。

4 結束語

根據對汽車排氣消聲器內部聲場的數值模擬分析， 可以得知：消聲器的進、出口管位置偏置對消聲器的消聲性能具有一定影響，在消聲器設計時，可根據具體情況對消聲器進、出口管位置進行偏置，以達到相應的消聲要求。同時，仿真分析結果顯示，消聲器進出口管位置同時偏置會使消聲器產生大量通過頻率，降低消聲性能。因此，在消聲器設計時應該盡可能避免這種設計方案。

【參考文獻】

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[2]李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustic聲學仿真計算高級應用實例[M].北京：國防工業出版社.2014.

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[4]詹福良，徐俊偉.Virtual.Lab Acoustic聲學仿真計算從入門到精通[M].西安：西北工業大學出版社.2013.

[5]曹玉煌，羅馬吉，劉志恩.不同截面布置的抗性消聲器三維聲學性能分析[D].武漢理工大學.2009.

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