曾發(fā)林，王在波，李建康

(江蘇大學 汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 232013)

0 引言

汽車的發(fā)明與汽車工業(yè)的飛速發(fā)展對人們生活質(zhì)量的提高和人類文明的進步起著巨大的推動作用，但隨著汽車保有量的飆升，由此帶來的噪聲問題也顯得更加突出。過高的噪聲嚴重影響著外界環(huán)境人們的生活、工作和健康；過高的噪聲對駕乘人員的健康有直接的危害；過高的噪聲給世界的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。汽車噪聲主要是排氣噪聲，因此，提高消聲器的傳遞損失是十分必要的事。

但是，消聲器的結構復雜，聲波之間的相互干涉嚴重。消聲器的某一個結構參數(shù)對其在不同頻段聲波上的傳遞損失影響程度不一樣，故要針對某一具體頻段聲波，提高消聲器的傳遞損失[2]。消聲器的不同結構參數(shù)對其在某一具體頻段聲波的傳遞損失影響程度也不一樣。如果盲目地去改變結構參數(shù)，可能對消聲器的傳遞損失并沒有多大提高。故提高消聲器的傳遞損失是非常困難的。

本文以某四缸內(nèi)燃機消聲器為例，提高消聲器在1000Hz~1500Hz頻段聲波上的傳遞損失。通過正交試驗可以快速、有效地找出對消聲器傳遞損失影響程度較大的結構參數(shù)，然后研究傳遞損失隨著影響程度較大的結構參數(shù)變化時的變化規(guī)律，進而提出提高傳遞損失的方案。

1 消聲器基本理論

1.1 基本假設

消聲器的基本假設如下所示[3]。

1)介質(zhì)為理想流體；

2)介質(zhì)中傳播的是小振幅聲波，符合線性傳遞關系；

3)介質(zhì)的靜態(tài)壓強和靜態(tài)溫度都是常數(shù)；

4)消聲器壁是絕熱的剛性壁，聲傳播是絕熱過程且聲波不會透過管壁向外輻射。

1.2 控制方程

聲波應滿足三個基本方程，即運動方程，連續(xù)方程和物態(tài)方程，如式(1)～式(3)所示[4]。運動方程描述了介質(zhì)密度、聲質(zhì)點振動速度、聲壓三者之間的關系；連續(xù)方程描述了介質(zhì)密度、聲質(zhì)點振動速度兩者之間的關系；物態(tài)方程描述了聲壓、介質(zhì)密度兩者之間的關系。

運動方程：

連續(xù)方程：

物態(tài)方程：

根據(jù)上述三個方程，可以得到理想介質(zhì)中小振幅的聲波波動方程，如式(4)所示。

式(1)～式(4)中，ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；c為介質(zhì)中的聲速，m/s；p為聲壓，pa；v為聲質(zhì)點振動速度，m/s；t為時間，s。

1.3 傳遞損失

傳遞損失為消聲器的入口端入射聲功率級與出口端透射聲功率級之差，如式(5)所示。

式中，W1為消聲器入口端入射聲功率，w；W3為消聲器出口端透射聲功率，w；P1為消聲器入口端入射聲壓，Pa；P3為消聲器出口端透射聲壓，Pa；Ain為消聲器入口端面積，m2；Aout為消聲器出口端面積，m2。

1.4 聲導納

實際進行消聲器設計時，為了減少流體的阻力和增大隔聲效果，通常會在消聲器的管壁(隔板)上設計許多通氣孔，聲波在通過這些小孔時，會有一定的能量衰減。由于這些小孔的存在，使得劃分有限元的網(wǎng)格變得非常困難，因為劃分網(wǎng)格的時候，要保留下這些小孔，必須把小孔周圍的網(wǎng)格劃分得非常細致。這樣，網(wǎng)格質(zhì)量非常差，網(wǎng)格的單元長度也非常小，網(wǎng)格的數(shù)量會非常巨大,計算時間長且計算結果不準確，顯然是行不通的。為了解決小孔的問題，在建立聲學有限元網(wǎng)格時，通常忽略小孔，在聲學計算的時候，在穿孔管(隔板)兩側的網(wǎng)格之間定義一種傳遞導納關系，間接模擬這些小孔[5]。

在有限元模型中，穿孔管(隔板)是通過引入一個連續(xù)均勻的阻抗邊界條件來表示的。穿孔管(隔板)的聲阻抗為式(6)所示。

式中，Δp為穿孔管(隔板)兩側聲壓差，Pa；V為小孔處的平均聲質(zhì)點速度，m/s。

在穿孔管(隔板)的厚度比小孔半徑的四倍小很多的情況下，穿孔管(隔板)的聲阻和聲抗如式(7)和式(8)所示。

式中，ε為孔隙率；ω為角頻率，rad/s；η為流體動力粘度，aP·s；ρ為流體密度，kg/m3；l為穿孔管厚度，m；a為小孔半徑，m；Δl為壁厚修正系數(shù)，m。

1.5 正交試驗

正交試驗是利用正交表科學地安排和分析多因素多水平的一種試驗方法，是最常用的試驗方法之一。

正交表具有兩個重要特性：1)表中任一列各水平都出現(xiàn)，且出現(xiàn)的次數(shù)相等；2)表中任何兩列之間各種不同水平的所有可能組合都出現(xiàn)，且出現(xiàn)的次數(shù)等。這兩個性質(zhì)合稱為正交性，它使試驗點在試驗范圍內(nèi)排列整齊、規(guī)律，也使試驗點在試驗范圍內(nèi)散布均勻，即“整體可比，均衡分散”。

正交試驗結果分析最常用的方法是極差分析法。某一個因素的極差是該因素各水平的試驗指標和的最大值與最小值之差，用字母R表示，反映了該因素對試驗指標的影響程度，極差越大，說明該因素對試驗指標的影響程度越大[6]。

2 消聲器內(nèi)部結構

圖1所示為此四缸內(nèi)燃機的消聲器內(nèi)部結構圖，左端為入口端，右端為出口端[7]。此消聲器分隔了五個腔室，設計了前、中、后三段消聲管。為使氣流流動均勻，中段采用了沿圓周均布的三根消聲管。

圖1 消聲器內(nèi)部結構圖

3 消聲器結構參數(shù)對傳遞損失影響程度的分析

3.1 傳遞損失的仿真計算

首先在三維制圖軟件中建立消聲器的空腔三維模型；然后將三維模型導入有限元網(wǎng)格劃分軟件中，建立有限元網(wǎng)格模型；最后將有限元網(wǎng)格模型導入聲學軟件中進行傳遞損失的仿真計算，仿真的頻率范圍為1000Hz~1500Hz，步長為10Hz，得出傳遞損失曲線，進而可以計算出平均傳遞損失。

3.2 繪制正交表

易知，沿圓周均布的三根中消聲管的結構參數(shù)對傳遞損失的影響程度是一樣的，故只分析其中一根消聲管的結構參數(shù)對傳遞損失的影響程度。前段消聲管的管徑d1取40mm、60mm，孔徑a1取3mm、7mm，孔間距l(xiāng)1取10mm、14mm；中段消聲管中的某根消聲管的管徑d2取20mm、40mm，孔徑a2取3mm、7mm，孔間距l(xiāng)2取10mm、14mm，后段消聲管的管徑d3取40mm、60mm，位于后段消聲管前面的穿孔孔徑a31取3mm、7mm，孔間距l(xiāng)31取10mm、14mm，位于后段消聲管后面的穿孔孔徑a32取3mm、7mm，孔間距l(xiāng)32取10mm、12mm。繪制2水平11因素正交表，如表1所示。

由表1可知，前段消聲管管徑、孔間距，后段消聲管管徑這三個因素的極差較大，故它們對消聲器傳遞損失影響程度較大。

4 消聲器傳遞損失的優(yōu)化

4.1 研究消聲器的傳遞損失隨前段消聲管管徑變化的變化規(guī)律

消聲器的前段消聲管管徑分別取40mm、50mm和60mm，其他參數(shù)保持不變，進行傳遞損失的仿真計算，得出前段消聲管不同管徑下的傳遞損失曲線，如圖2所示。

由圖2可知，總體上，隨著消聲器前段消聲管管徑的不斷增大，傳遞損失不斷減小，前段消聲管管徑由40mm增大為50mm和由50mm增大為60mm，平均傳遞損失分別減小了4.47dB、3.79dB。這說明可以通過減小前段消聲管管徑來提高消聲器的傳遞損失。

圖2 前段消聲管不同管徑下的傳遞損失曲線

4.2 研究消聲器的傳遞損失隨前段消聲管孔間距變化的變化規(guī)律

消聲器的前段消聲管孔間距分別取10mm、12mm、14mm，其他參數(shù)保持不變，進行傳遞損失的仿真計算，得出前段消聲管不同孔間距下的傳遞損失曲線，如圖3所示。

圖3 前段消聲管不同孔間距下的傳遞損失曲線

表1 2水平11因素正交表

由圖3可知，總體上，隨著消聲器前段消聲管孔間距的不斷增大，傳遞損失不斷增大，前段消聲管孔間距由10mm增大為12mm和由12mm增大為14mm，平均傳遞損失分別提高了6.43dB、5.55dB。這說明可以通過增大前段消聲管孔間距來提高消聲器的傳遞損失。

4.3 研究消聲器的傳遞損失隨后段消聲管管徑變化的變化規(guī)律

消聲器的后段消聲管的管徑分別取40mm、50mm和60mm，其他參數(shù)保持不變，進行傳遞損失的仿真計算，得出后段消聲管不同管徑下的傳遞損失曲線，如圖4所示。

圖4 后段消聲管不同管徑下的傳遞損失曲線

由圖4可知，總體上，隨著消聲器后段消聲管管徑的不斷增大，傳遞損失不斷增大，后段消聲管管徑由40mm增大為50mm和由50mm增大為60mm，平均傳遞損失分別提高6.58dB、0.93dB。這說明可以通過增大后段消聲管管徑來提高消聲器的傳遞損失。

5 結論

1)通過正交試驗可以快速、有效地找出對消聲器傳遞損失影響程度較大的結構參數(shù)。

2)減小前段消聲管的管徑可以提高消聲器的傳遞損失；增大前段消聲管的孔間距可以提高消聲器的傳遞損失；增大后段消聲管的管徑可以提高消聲器的傳遞損失。

[1]羅振華.排氣消聲器仿真計算與優(yōu)化設計[D].廣西:廣西大學,2008.

[2]葛蘊刪,張宏波,等.汽車排氣消聲器的三維聲學性能分析[J].汽車工程,2006,28(1):51-56.

[3]孟曉宏,金濤.復雜結構消聲器消聲特性的數(shù)值分析及結構優(yōu)化[J].振動工程學報,2007,20(1):97-100.

[4]盛美萍,王敏慶,孫進才.噪聲與振動控制技術基礎[M].北京:科學出版社,2001.

[5]李增剛,詹良福.聲學仿真計算高級應用實例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[6]王巖,隋思漣.試驗設計與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M].北京:清華大學出版社,2012.

[7]鐘紹華,金國棟,等.消聲器優(yōu)化設計及其性能分析方法的研究[J].內(nèi)燃機工程,2005,26(1):55-59.