高壓排氣消聲器消聲模擬及其收底部位組織分析

嚴倪

摘 ?要：為了減小高壓氣源系統排氣放空時噪聲對環境的影響，該文設計了一種多級節流—小孔噴注高壓排氣消聲器，在結構上采用內襯吸聲材料。通過建模、描繪聲強流線分布等環節進行聲學分析，并通過對收底部位進行金相分析來驗證設計效果。結果表明，該消聲器在中高頻段具有優良的消聲效果，其收底部位的良好晶粒尺寸能有效避免裂紋產生。

關鍵詞：高壓消聲器;模擬檢測;消聲效果

中圖分類號：TB535+.2 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

高壓排氣消聲器是一種對排出的高壓氣體進行消聲降噪的裝置。在現代工業和軍工國防等領域，隨著對降噪要求的不斷提高，高壓排氣消聲器需要承受的壓力不斷增加，生產出能夠承受高壓力的排氣消聲器是提高產品競爭力的前提和基礎[1]。目前，在國內外對消聲器的研究中，專利WO2018067321-A1采用纖維材料填充旋轉消音器的結構 ，Williams等人設計了混合反應消散式消聲器 [2]，Huang HP等人采用穿孔和吸聲材料填充消聲器[3]，以上研究均取得較好的消聲效果。為進一步提高消聲器的消聲效果，該文根據小孔噴注理論和多級節流降壓理論[4-6]，設計了一種多級節流—小孔噴注高壓排氣消聲器，并以良好綜合性能的304不銹鋼作為內襯消聲材料，用UG建立消聲器整體模型，采用用ANSYS軟件進行聲學模擬，并與中空消聲器進行對比。同時，對實現消聲功能的關鍵位置——收底部位采用金相顯微鏡進行觀察，查看晶粒尺寸的大小情況，從微觀組織角度檢驗其是否滿足消聲要求。

1 消聲器的消聲模擬

1.1 消聲體模型定義及其有限元模型建立

高壓排氣消聲器的結構設計，建立三維結構模型。在建模中做出以下4種假設。1） 內壓力均勻分布在高壓排氣消聲器內表面，外壓力均分布在高壓排氣消聲器外表面。2）高壓排氣消聲器材料各向同性。3） 高壓排氣消聲器在徑向和軸向沒有發生移動。4） 忽略高壓排氣消聲器的自重和內部所通氣流的重量。

使用Delany-Bazley模型[6]的基本系數構建域方程，并設置邊界條件，入口處壓力為35 MPa，采用頻域分析的方法，分析頻率設定在50 Hz～20 000 Hz。壓力聲學模型采用線彈性波，內部消聲器結構采用多孔Delany-Bazley-Miki聲音材料模型。

通過一系列的布爾運算，將各部分組成為一個整體，最終獲得整體結構的幾何模型。

1.2 含內襯吸聲材料消聲器的聲學性能分析

按照圖1對含內襯的高壓排氣消聲器進行網格劃分，劃分網格一般受結構模型和計算精度的影響，為了保證精度，應當在小孔和薄壁結構處進行網格細化。為了保證計算的速度，需要盡量使用規則網格進行單元的劃分，采用四面體網格進行自由劃分，長度方向按0.1 m的大小劃分網格，圓面方向按0.05 m的大小劃分網格。圖1為在50 Hz～20 000 Hz內6個典型頻率（100 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz、6 000 Hz、12 000 Hz、16 000 Hz）下的聲強流線分布圖，其中流線代表局部速度。由圖1可見，在低頻及中低頻處流線能量方向一致、數量多，且聲壓強度從入口處的4.5×106 Pa驟降到消聲棉部分的0.5×106 Pa，說明內襯吸聲材料在低頻及中低頻處發揮了很好的消聲作用。而多級消聲體內的速度下降不明顯，且能量流并不散亂，證明多級消聲體在該頻率范圍內發揮的作用不大。在中頻到高頻的范圍，隨著頻率的升高，速度總體逐漸變慢，且能量流方向逐漸趨于雜亂，聲壓強度從基本維持在0.5×107 Pa，說明在該頻率處多級消聲體發揮了很大的消聲作用。依靠多級消聲體分散能量流，再經消聲棉進一步消聲，逐步散耗能量以達到消聲的效果。

2 消聲器殼體收底部位金相組織分析

高壓排氣消聲器殼體收底完成后，對收底部位進行組織觀察，因為收底部位是旋壓成型，因此，要取不同半徑上的點。取4個部位，觀察截面金相組織，研究熱成型對微觀組織的影響。晶粒度差別不大，但是由于各部位塑性變形情況不同，加上翻板旋壓摩擦也會產生較大熱量，因此晶粒尺寸隨著變形量的增加而變大。

對比GB/T 6394—2002《金屬晶粒度評定圖譜》，原始組織和封口組織晶粒度等級分別為有孿晶晶粒等級中的5級和1級，晶粒在熱成型后明顯長大，判定溫度對奧氏體晶粒的長大有很大作用。鍛態試樣在高溫下保溫2h后進行固溶處理，通過金相觀察發現在長時間保溫下，晶粒長大臨界溫度為1 175 ℃。隨著溫度的不斷升高，碳化物在晶界上聚集長大，當溫度持續升高時，碳化物逐漸溶解，不能釘扎晶界，有長大趨勢大的晶粒便會擇優長大，形成混晶。

對消聲器殼體的收底部位進行金相組織分析，對比可以看出， 晶粒度差別不大，晶粒尺寸大小與消聲設計要求基本一致。但由于各部位塑性變形情況不同，加上翻板旋壓摩擦也產生較大熱量，因此晶粒尺寸隨著變形量的增加而略微變大，但總體均滿足設計要求。

3 結論

首先，加入內襯吸聲材料后的高壓排氣消聲器，總體上在各頻段的消聲能力都較中空高壓排氣消聲器有所提升，而且彌補了在衰減驟降處無法有效消聲的缺點，且消聲能力最好的頻段在高頻段。其次，對殼體收底部位進行晶粒尺寸分析發現，各部位的晶粒度差別較小，但因各部位塑性變形情況不同，晶粒尺寸隨著變形量的增加而略微增大，但晶粒尺寸均滿足設計要求，其細小晶粒有助于避免消聲器在排氣過程中，因溫度降低或受到外力作用產生裂紋或其他形式的失效。

參考文獻

[1]易翔峰.高壓蒸汽排空消聲器設計與應用[J].廣州環境科學，2005（4）：20-22.

[2]Williams P， Kirby R. Reducing low frequency tonal noise in large ducts using a hybrid reactive-dissipative silencer[J]. Applied Acoustics，2018（2）：61-69.

[3]Huang HP， Ji ZL. Influence of perforation and sound-absorbing material filling on acoustic attenuation performance of three-pass perforated mufflers[J]. Advances in Mechanical Engineering，2018，22（1）：51-60.

[4]周敬宣， 熊輝.多級降壓小孔噴注式消聲器設計，優化理論探索[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版）， 2019（4）：23-26.

[5]曹玉煌.復雜消聲器的三維聲學性能數值模擬及其優化設計[D].武漢：武漢理工大學， 2010.

[6]Janowski GM， Biancaniello FS， Ridder SD. Beneficial effects of nitrogen atomization on an austenitic stainless steel[J]. Metallurgical Transaction A，1992，23（11）： 3263-3272.