基于COMSOL的泡沫鋁阻性消聲器消聲性能研究

0 引言

泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后，經(jīng)過發(fā)泡工藝而成，同時兼有金屬和氣泡的特征

。它具有密度小、高吸收沖擊能力強、耐高溫、防火性能強、抗腐蝕、隔音降噪、導(dǎo)熱率低、電磁屏蔽性高、耐候性強、有過濾能力、易加工、易安裝、成形精度高、可進行表面涂裝等優(yōu)點

。因其具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能使其在當(dāng)今的材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是很有開發(fā)前途的工程材料，尤其是在現(xiàn)代汽車制造應(yīng)用領(lǐng)域

。阻性消聲器作為一種常見的汽車消聲裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、流動阻力損失低且在中高頻段表現(xiàn)出的良好消聲性能而被廣泛使用。目前市面上大多數(shù)阻性消聲器中吸聲材料為玻璃棉或石棉等纖維材料，但其存在一個共性問題就是在長期使用的過程中吸聲材料容易產(chǎn)生老化、粉塵、吸潮等現(xiàn)象，從而使其消聲性能大大降低。泡沫鋁是通過金屬與氣體的共品凝固獲得的，所以其內(nèi)部儲藏大量氣體和骨架通道，當(dāng)聲波傳播至材料內(nèi)部時，由于材料內(nèi)部具有許多微小間隙和縱橫交錯連續(xù)貫通的氣泡，局部共振和摩擦?xí)?dǎo)致部分聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能從而起到很好的隔音降噪能力

，所以近些年被廣大研究學(xué)者廣泛研究應(yīng)用于噪音源的吸隔聲材料。梁李斯

等設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)的泡沫鋁消聲器，分別計算了其插入損失并與普通擴張式消聲器相比消聲性能更好；王應(yīng)武

等研究了Al-Si12 泡沫芯消聲器吸聲性能與泡沫芯孔結(jié)構(gòu)、泡沫長度及聲波頻率的關(guān)系；韓寶坤

等在原有泡沫鋁消聲器的結(jié)構(gòu)上通過改變進出口管和中間管的長度和直徑，對其消聲器性能進行了優(yōu)化分析；張緒濤

對比了消聲器中泡沫鋁、銅粉末燒結(jié)件兩種不同材質(zhì)吸聲材料的排氣和消聲性能。上述研究大部分都是針對消聲器本體結(jié)構(gòu)進行分析研究，而對于消聲器內(nèi)部元件(例如內(nèi)部穿孔管)或泡沫鋁材料其它結(jié)構(gòu)參數(shù)對其消聲性能的研究較少。本文基于Delany-Bazley-Miki多孔介質(zhì)聲學(xué)模型，運用COMSOL有限元軟件研究和分析了內(nèi)部穿孔管和泡沫鋁吸聲材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對泡沫鋁阻性消聲器消聲性能的影響，為實際工程應(yīng)用泡沫鋁阻性消聲器的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值建模

首先基于COMSOL有限元軟件對泡沫鋁阻性消聲器進行了三維幾何建模，如圖1所示，其中穿孔管位于膨脹腔內(nèi)部并于進出口兩端相連，如圖2所示。

綜上所述，妊娠期高血壓疾病患者出現(xiàn)早期腎功能損傷情況下，其血清Cys-C、Hcy及尿mALB表達水平升高，并與病情嚴(yán)重程度呈正相關(guān)關(guān)系，提示檢測血清Cys-C、Hcy及尿mALB能幫助臨床醫(yī)師判定病情嚴(yán)重程度，利于及早制定防治措施；血清Cys-C、Hcy與尿mALB對臨床診斷妊娠期高血壓疾病患者早期腎功能損傷具有較高的臨床價值，值得推廣應(yīng)用。

1.1 控制方程：

泡沫鋁阻性消聲器內(nèi)部存在兩種介質(zhì)：空氣和泡沫鋁吸聲材料。對于均質(zhì)吸聲材料中的聲波，需要在理想靜態(tài)氣體聲波方程的基礎(chǔ)上進行修改以考慮孔隙率、流阻率和結(jié)構(gòu)因子的影響。得到的修正聲波方程如下所示：

2001年9月，Honeywell公司研究人員，利用脈沖聲波的音量聲強快速變換，讓人能夠在密閉空間的強反射環(huán)境下，大致分辨出聲源方向，并對濃煙情況下有指向性脈沖聲音引導(dǎo)與無聲音引導(dǎo)進行了對比測試。測試結(jié)果顯示，有方向引導(dǎo)作用脈沖指示音頻的引導(dǎo)效率，是無方向引導(dǎo)作用脈沖指示音頻引導(dǎo)效率的4倍以上。

(1)

1.2 邊界條件：

在傳遞損失的計算中主要需要用到的幾種邊界條件如下所示：

c.內(nèi)部多孔管邊界，適用于消聲器的穿孔區(qū)域。

本次研究的頻率范圍為100-5000Hz，在進行三維幾何構(gòu)型和相關(guān)參數(shù)設(shè)定后需對其進行聲學(xué)網(wǎng)格劃分，具體聲學(xué)網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

(2)

b.平面波輻射邊界，適用于消聲器的進出口邊界。

(3)

給定入射聲壓

時有：

在應(yīng)用

軟件對消聲器的聲學(xué)性能進行聲學(xué)仿真時，其進出口邊界均被定義為平面波輻射邊界，則其出口聲壓即為透射聲壓，而入射聲壓為給定值 。故只用利用出口聲壓 就可以求得消聲器的傳遞損失，即：

(4)

（1） 菌懸液的制備。將供試菌金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌分別接種到斜面牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上，再培養(yǎng)18～24 h，取出后使用5 mL無菌生理鹽水洗出，稀釋成質(zhì)量濃度為1×107～1×108CFU/mL的菌懸液置于無菌操作室內(nèi)備用。

(5)

(6)

(7)

內(nèi)部硬聲場邊界，適用于聲場內(nèi)部固體邊界。

式中，角標(biāo)“1”、“2”代表穿孔管的兩側(cè)；

表示動力粘度系數(shù)；

表示孔隙率；

表示壁厚；

表示孔徑；

表示端部修正；

表示流阻。

(8)

(9)

1.3 材料定義：

在COMSOL中定義消聲器內(nèi)部流體材料為空氣、吸聲材料為泡沫鋁

、內(nèi)部板為穿孔管，其基本屬性參數(shù)分別如表1、表2、表3所示：

傳遞損失定義為出口無反射端時，消聲器進口處入射聲功率級與出口處透射聲功率級之差

，表示為：

時代是思想之母，實踐是理論之源。中國改革開放四十年的理論和實踐，實現(xiàn)了經(jīng)濟社會快速發(fā)展，被譽為“中國奇跡”，給世界上既希望快速發(fā)展又希望保持自身獨立性的國家和民族提供了全新選擇，為解決人類發(fā)展問題貢獻了中國智慧和中國方案。“一切向前走，都不能忘記走過的路；走得再遠、走到再光輝的未來，也不能忘記走過的過去”[5]。值改革開放40周年之際，我們不禁要問，中國改革開放成功的原因是什么？中國創(chuàng)造經(jīng)濟社會發(fā)展奇跡的奧秘是什么？

1.4 傳遞損失：

本文在Chen和Juvenal(2016)的模型基礎(chǔ)上，將垂直專業(yè)化納入企業(yè)成本函數(shù)以反映匯率變動對生產(chǎn)成本的影響，引入垂直專業(yè)化的“成本效應(yīng)”，即垂直專業(yè)化程度越高的企業(yè)生產(chǎn)的出口產(chǎn)品中進口中間品的比例也越高，當(dāng)匯率升值使得進口中間品相對更便宜時，垂直專業(yè)化程度越高的企業(yè)生產(chǎn)的成本也會越低。

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)

(10)

曹瓊德先生的作品融合了現(xiàn)代藝術(shù)觀念，借助立體主義、超現(xiàn)實主義的繪畫語言，超越了以往的鄉(xiāng)土寫實繪畫，構(gòu)筑了一個地方化的“在場”。從曹瓊德先生的《屯堡記憶》系列作品中呈現(xiàn)了貴州屯堡人民樸實的生活狀態(tài)，采用變化多樣的刀法和一種獨特的印痕語言，傳遞了樸實而濃重的生活氣息，喚起了人們記憶深處對家鄉(xiāng)的思念。以客觀的世俗真相，去認識和思索民族的生態(tài)，從圖像世界中還原出地方生活，構(gòu)建一個物我合一的精神世界。

(11)

1.5 聲學(xué)網(wǎng)格劃分：

a.硬聲場邊界，適用于聲場的固定邊界與對稱邊界。

2 仿真分析

以上述構(gòu)建的泡沫鋁阻性消聲器三維幾何模型和聲學(xué)模型為依據(jù)，基于Delany-Bazley-Miki多孔介質(zhì)聲學(xué)模型，運用COMSOL有限元軟件首先計算了原泡沫鋁阻性消聲器的傳遞損失，如圖4所示，然后分別分析研究了消聲器內(nèi)部穿孔管穿孔率、壁厚、孔徑以及泡沫鋁吸聲材料厚度、流阻率、空氣背襯等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其消聲性能的影響，分別如圖5、6所示。

從圖4可以看出當(dāng)頻率范圍在100-2200Hz左右時，泡沫鋁阻性消聲器消聲性能隨著頻率的增大而不斷升高，峰值約為72dB。之后隨著頻率的不斷增加其消聲性能不斷降低。

根據(jù)圖5分析得知，當(dāng)內(nèi)部穿孔管穿孔率較小時，在低頻段(100-1000Hz)時其消聲性能較好，但隨著頻率的不斷增大傳遞損失逐漸減小至0dB，隨著穿孔率的不斷增大，其中低頻段的消聲性能逐漸降低，中高頻段消聲性能提升較為明顯且傳遞損失的峰值逐漸向高頻段移動；隨著穿孔管壁厚的不斷增大，導(dǎo)致傳遞損失在中低頻段略有上升，但在中高頻段下降較為明顯且峰值逐漸向低頻段移動下降明顯；傳遞損失隨著孔徑的不斷增大在中低頻段變化幅度較小，但在中高頻段隨著頻率的不斷增大消聲量出現(xiàn)階梯式下降且峰值逐漸向低頻段移動不斷降低。

由圖6可以得知泡沫鋁阻性消聲器消聲性能隨泡沫鋁厚度和頻率的影響較大，當(dāng)頻段在100-3000Hz左右時，材料厚度太小會導(dǎo)致消聲性能變差，但隨著材料厚度的增加消聲性能在低頻段提升，中頻段降低且峰值下降左移。當(dāng)頻率大于3000Hz左右時，較小的材料厚度會提升消聲性能且隨著頻率不斷增大，材料厚度的影響對其消聲性能的影響不大；流阻率對消聲性能的影響主要體現(xiàn)在中高頻段，隨著流阻率的不斷增大傳遞損失峰值不斷向左平移，但當(dāng)流阻率過大時其消聲性能反而會逐漸下降；空氣背襯對于消聲性能的影響較大，無空氣背襯時的傳遞損失明顯優(yōu)于有空氣背襯。隨著空氣背襯的不斷增大，在低頻段100-500Hz時消聲性能不斷提升，大于500Hz時整體消聲性能隨空氣背襯的逐漸增大而下降，當(dāng)頻率大于5000Hz時空氣背襯的改變對消聲性能基本無影響。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)部穿孔管穿孔率、壁厚、孔徑，泡沫鋁吸聲材料的厚度、流阻率、空氣背襯等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對泡沫鋁阻性消聲器消聲性能均產(chǎn)生影響。

(2)對于內(nèi)部穿孔管而言穿孔率較低會導(dǎo)致消聲性能急劇下降，具體要根據(jù)實際工程情況進行選擇。壁厚、孔徑的改變會使得傳遞損失呈現(xiàn)周期性規(guī)律。

(3)泡沫鋁吸聲材料的厚度隨頻率的變化對其消聲性能影響較大，流阻率的增大可適當(dāng)提高消聲性能，但過大反而會導(dǎo)致其消聲性能下降，空氣背襯的存在會使得泡沫鋁阻性消聲器消聲性能急劇下降。

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