新型阻抗復合式消聲器性能研究

中圖分類號：TB535 文獻標志碼：A

Abstract： To investigate the muffling performance and aerodynamic performance of a novel impedance hybrid mufler， COMSOL Multiphysics finite element analysiswas employed to simulate the internal acoustic field，flow field and noise attenuation characteristics of the muffler. The pressure loss and insertion loss of eight muflers were further analyzed， and the mufling performance was compared. The results show that the proposed impedance hybrid muffler achieves superior muffling effect under low， medium， and high frequency， with particularly outstanding performance at 0～500Hz where its insertion loss increases by 175% to 2000% compared with that of other types of mufflers

Keywords： muffler; pressure loss; insertion loss; air flow velocity

隨著現代社會工業迅速發展，設備配套能力逐漸提高，在生產效率不斷增長的同時，噪聲污染隨即產生，其中通風管道噪聲更是不可避免地出現在各種應用場合。據了解，操作者在噪聲超過 80dB 的生產環境中連續工作 8h ，輕則會對其工作造成一定的干擾，重則會對其神經系統、內分泌系統、心血管系統等造成某些不可逆損傷，并導致聽力異常等疾病[1]。

通過安裝消聲器可以有效控制通風空調設備產生的空氣動力噪聲[2]。良好的消聲器設計應能最大限度地降低噪聲。消聲器按照消聲原理可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合式消聲器3]。阻抗復合式消聲器將阻性消聲器和抗性消聲器部分串聯，同時兼具阻性消聲器的消聲體和抗性消聲器的擴張室等特點，從而在不同頻率下均可實現更好的消聲效果[4]

消聲器的性能評價主要從聲學性能指標、空氣動力性能指標、氣流再生噪聲特性指標3個方面進行[5]。對于消聲器復雜幾何形狀的數值模擬主要采用有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）[6]

有限元法因其結構適應性和守恒性較強，在三維計算領域較有優勢，應用更為廣泛。Mehdizadeh等利用三維有限元法預測了填充消聲器和并聯擋板消聲器在給定頻率范圍的傳輸損耗。LeRoy等8利用有限元法對消聲器的聲壓級及其他元件的參數化進行了研究。Young 等[9]開發了一種基于有限元法的數值模擬方法，用于分析聲學元件系統和消聲器中膨脹室的性能。Barbieri等[10]結合有限元分析開發了設計消聲器形狀的方法。陸森林等[11利用三維有限元法計算出消聲器的四端子參數，并預估了消聲器的性能。

上述研究大部分是針對單一屬性消聲器進行有限元分析，而針對阻抗復合式消聲器的有限元分析較少。本文利用SOLIDWORKS軟件建立模型，運用COMSOLMultiphysics多物理場有限元軟件對消聲器內部聲場和流場進行模擬，提出一種新型阻抗復合式消聲器，以期為阻抗復合式消聲器的設計優化、工程應用提供建議。

消聲器Ⅱ（4）作為第Ⅱ類消聲器的代表。每種消聲器內均勻布置消聲體。消聲體表面布滿細小孔以達到良好的吸聲效果[12]，消聲體內部由玻璃棉填充。消聲體參數如表2所示。

1.2 網格劃分與邊界條件

在有限元聲學特性分析中，為了保證聲學分析結果的可靠性，所建立的網格單元長度需小于等于最小聲波波長的 1/6^[13] ，即

式中： A 為波長； c₀ 為聲速； l 為網格單元長度； f_max 為所研究頻域的最大頻率。

1 數值模型

1.1 物理模型

本文選用3類消聲器，分別為矩陣式消聲器、圓柱式消聲器、復合式消聲器，編號依次為I、Ⅱ、Ⅲ，如圖1所示。其中，第Ⅱ類消聲器尺寸有6種，具體參數如表1所示。圖1中選取

本文使用COMSOLMultiphysics軟件構建消聲器流場模型。以消聲器Ⅱ為例，由表1可知，該消聲器模型長 × 寬 × 高為 400mm×500mm× 500mm ，擴張室尺寸為 700mm×1000mm× 1 000mm ，人口端和出口端均延長 400mm 。該模型采用自由四面體結構化網格，網格總數為749584個。復合式消聲器網格劃分如圖2所示。對于聲學計算，消聲器主要用于處理低頻噪聲，因此本文選用DBM（Delany-Bazley-Miki）多孔介質模型[14]，其頻率可達 2800Hz ，步長設置為 25Hz 。入口邊界選用速度入口，速度分別為1、3和 5m/s ，入口入射波激勵為 1Pa ，相位為0；出口邊界選用壓力出口，靜壓為0，出口不設置入射波激勵，內部設置穿孔管邊，邊界設置絕對壓力為 101.325kPa ；內、外部均設置硬聲場邊界。消聲器I和消聲器Ⅱ建模參數設置同消聲器Ⅲ。

2計算結果及分析

2.1 消聲器流場分析

消聲器的空氣動力性能評價指標通常為壓力損失[15]。消聲器的壓力損失為氣流通過消聲器的壓降，也就是消聲器前、后管道內的平均全壓之差。若消聲器前、后管道內氣流速度相同，即動壓相等，則壓力損失等于消聲器前、后管道內的平均靜壓之差。

消聲器的壓力損失，既與消聲器的結構有關，又與通過消聲器的氣流速度有關。因此，在采用壓力損失表征消聲器的空氣動力性能時，必須同時表明通過消聲器的氣流速度[16]

以入口速度為 3m/s 為例，圖3為3種消聲器在進口段、中間段和出口段的速度云圖。由于3種消聲器結構不同，各消聲器中間段和出口段速度分布大不相同。

從圖3（a）可以看出：消聲器I內部管道為矩形，空氣在矩形管道之間的間隙流通；中間段氣流速度明顯大于出口段的值，且出口段氣流速度分布較為規則，在矩形管道中心處的氣流速度最大約為 8.5m/s ，最小約為 1m/s 。選取消聲器ⅡI（4）為例，由圖3（b）可見，其內部靠近兩側壁面處氣流速度最大，達 7m/s ；中間間隙處氣流速度最小約為 0.5m/s 。消聲器Ⅱ中間間隙處氣流速度較低，且隨著遠離擴張室，逐漸增大至最大速度。

將3類消聲器分別在1、3和 5m/s 氣流速度下的壓力損失進行對比，結果如圖4所示。由圖可知，8種消聲器的壓力損失隨氣流速度的變化基本一致：氣流速度越大，壓力損失越大。在較低氣流速度下，8種消聲器的壓力損失差別不明顯。在中、高氣流速度下，消聲器Ⅱ的壓力損失明顯大于消聲器I和消聲器Ⅲ。當氣流速度為 5m/s 時，8種消聲器壓力損失峰值差別較大，其中消聲器I和消聲器Ⅲ的壓力損失峰值均比消聲器Ⅱ的小。消聲器的壓力損失是由進、出□截面積變化和流體與固體壁面摩擦兩者共同造成的。相較于其他2類消聲器，消聲器Ⅱ中氣流在流經消聲體進人管道后截面積變化更大，在較高的氣流速度下會產生更大的壓力損失。因此，在 5m/s 的氣流速度下消聲器Ⅱ的壓力損失大于其他2類消聲器。

2.2 消聲器聲壓級分析

本節對8種消聲器的表面聲壓級進行分析。同樣針對消聲器Ⅱ選用消聲器ⅡI（4）作為代表，研究低頻（ 50Hz 、中頻 （1000Hz） 及高頻（ 2000Hz） 下消聲器各處表面聲壓級。結果如圖5所示。各消聲器出口處表面聲壓級均低于入口處的值，且有效吸聲段的表面聲壓級沿流向逐漸減小。消聲器I與消聲器Ⅱ（4）的表面聲壓級分布相似；消聲器Ⅲ由于存在擴張室，表面聲壓級在有效吸聲段出現突降，在部分區域低至 40dB 。

同樣，上述3類消聲器在不同頻率下均存在出口處表面聲壓級較大的現象；相同頻率下，出口處表面聲壓級高于入口處的值。在幾何模型的中間位置，表面聲壓級存在最小值。對于消聲器Ⅲ，表面聲壓級最小值通常出現在擴張室內的兩側，且表面聲壓級較小的區域隨頻率的增大而減小。

2.3消聲聲學性能分析

插入損失作為評價消聲器的重要指標，其優點是更加準確、直觀。相較于傳遞損失，插入損失用于消聲器的性能預測更加可靠。插入損失通常被用來評價整個聲學系統的聲學特性。消聲器的插入損失為消聲器安裝前、后出口處聲功率級的差值。消聲器的插入損失計算式為

式中： L_I 為插入損失； L_W1，L_W2 分別為安裝消聲器前、后出口處聲功率級； W₁ 、 W₂ 分別為安裝消聲器前、后出口處透射聲功率。

根據數據分析，在不同氣流速度下，插人損失的變化極其微小，因此針對氣流速度為 5m/s 的情況對插入損失進行分析。圖6為消聲器插入損失。從圖可以看出，所有類型消聲器的插入損失均隨頻率增大呈上升趨勢。消聲器Ⅱ（2）的插入損失整體低于其他類型消聲器的值。消聲器Ⅱ（5）在頻率達到 500Hz 后插入損失高于其他類型消聲器的值，且在頻率為 2200Hz 時達到最大值。阻抗復合式消聲器消聲頻率范圍較寬，在低、中、高頻下均有良好的消聲效果。阻抗復合式消聲器在頻率為 0～500Hz 時插入損失遠高于其他類型消聲器的值，約增大 175%～ 2000% ，且在頻率為 250Hz 時出現首個峰值;當頻率達到 500Hz 后其插入損失的整體上升趨勢與消聲器I和消聲器Ⅱ的基本相同。

對比消聲器Ⅱ的6種消聲器可知，隨著有效吸聲長度的增加，消聲器插入損失整體增加。將消聲器Ⅱ（1）和ⅡI（2）、消聲器Ⅱ（3）和Ⅱ（4）、消聲器Ⅱ（5）和Ⅱ（6）劃分為3組進行對比分析可知，有效吸聲長度一定時，隨著消聲體間距的增加插入損失反而降低，尤其是在較高頻率下。這一趨勢隨著有效吸聲長度的增加更加明顯。通過對比消聲器I、ⅡI（3）、ⅡI（4）和Ⅲ的插入損失也證實了這一觀點。

3結論

本文基于矩陣排列吸聲的思想，提出一種垂直圓柱消聲體結構消聲器，運用DBM多孔介質模型計算了在不同消聲體直徑與間距下的消聲器性能，并基于最優結構改進提出了新型阻抗復合式消聲器，得出如下結論：

（1）阻抗復合式消聲器（Ⅲ）在低、中、高頻下均有良好的消聲效果，在頻率為 0～500Hz 時插入損失遠高于其他類型消聲器的值，約增大 175%～2 000% 。矩陣式消聲器（I）在不同氣流速度下壓力損失與復合式消聲器（Ⅱ）的接近，其插入損失在中、低瀕下有較大起伏。消聲器Ⅱ（5）在中、高頻下的插入損失高于阻抗復合式消聲器的值，但在不同氣流速度下其壓力損失遠高于阻抗復合式消聲器的值。（2）有效吸聲長度增加和消聲體間距減小，均能增加插人損失；消聲體間距減小能夠促使插人損失峰值往高頻方向移動。（3）當消聲器的結構發生改變時，消聲量增加的同時伴隨著壓力損失的增大，因此選用消聲器時應綜合考慮壓力損失與消聲效果的影響。

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