高小新+匡芳+褚志剛

摘 要：以簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器為研究對(duì)象，基于CFD+Virtual.Lab聯(lián)合仿真方法，從聲源類型角度分析了抗性消聲結(jié)構(gòu)中氣流再生噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。結(jié)果表明，偶極子和四極子是造成消聲器氣流再生噪聲的主要因素，且擴(kuò)張消聲器中氣流速度和出口管偏置距離的增加都會(huì)導(dǎo)致其氣流再生噪聲值的增大；相較于偶極子聲源，四極子聲源是擴(kuò)張式消聲結(jié)構(gòu)中氣流再生噪聲的主要來(lái)源，且在低頻處聲壓貢獻(xiàn)量尤為明顯。最后通過(guò)對(duì)比基于兩種不同方法的氣流再生噪聲仿真結(jié)果，證明兩種聲源類型對(duì)氣流再生噪聲的貢獻(xiàn)量不相關(guān)，為氣流再生噪聲計(jì)算提供了新思路。

關(guān)鍵詞：消聲器；偶極子；四極子；氣流再生噪聲

中圖分類號(hào)：U467.4+93 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.08

Abstract：The regeneration noise mechanism and influence factors of simple reactive muffler were studied from the point of view of sound source type based on CFD and Virtual.Lab. The results show that flow regeneration noise is primarily caused by the dipole and quadrupole source and it becomes larger when the flow velocity and offset distance of outlet pipe are increased. The quadrupole is the main source of flow regeneration noise in the reactive muffler when compared with the dipole， especially in the low frequency region.Finally the conclusion drawn from the comparison of simulation results of the two methods shows that the two source types are irrelevant. The paper provides a new idea to calculate the flow regeneration noise.

Keywords：muffler； dipole source； quadrupole source； regeneration noise

隨著內(nèi)燃機(jī)逐漸向高速化發(fā)展，氣流再生噪聲已成為影響消聲器消聲性能的重要因素。關(guān)于排氣系統(tǒng)中氣流再生噪聲的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。1981年，NESLON等[1]給出了排氣系統(tǒng)中存在單個(gè)擾流板時(shí)，擾流板造成的流體再生噪聲聲功率級(jí)表達(dá)式。MAK等[2-5]在前人基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了在低速流體管中存在兩個(gè)密集型擾流板時(shí)，擾流板產(chǎn)生的再生噪聲聲功率級(jí)表達(dá)式。LAFON等[6]從二維、三維及試驗(yàn)的角度研究了蒸汽管道中的流體噪聲現(xiàn)象，并分析了流體-噪聲耦合，流體-結(jié)構(gòu)耦合對(duì)流體噪聲的影響。MAK等[7]通過(guò)CFD仿真，建立了再生噪聲輻射聲功率與擾流板區(qū)域湍流動(dòng)能的聯(lián)系，以此預(yù)測(cè)存在多個(gè)擾流板時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)管道中再生噪聲的聲功率。鄧兆祥等[8]對(duì)穿空管消聲單元在不同結(jié)構(gòu)尺寸和氣流速度下進(jìn)行了氣流再生噪聲測(cè)量，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流再生噪聲的影響，并揭示了穿孔管消聲單元?dú)饬髟偕肼暤漠a(chǎn)生機(jī)理。趙海軍等[9]建立了穿孔管消聲器氣流再生噪聲總功率的公式，探討了穿孔率、穿孔直徑、穿孔部分長(zhǎng)度及腔體直徑對(duì)氣流再生噪聲的影響。吳大轉(zhuǎn)等[9]通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法研究了抗性消聲器再生噪聲特性。

上述文獻(xiàn)對(duì)氣流再生噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、測(cè)量方法進(jìn)行了研究分析，并探討了結(jié)構(gòu)尺寸、流體速度等因素對(duì)其的影響規(guī)律，為消聲器聲學(xué)性能的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有益參考，但鮮有文獻(xiàn)從聲源類型角度對(duì)氣流再生噪聲進(jìn)行分析。

本文基于CFD+Virtual.Lab聯(lián)合仿真方法，首先探討了氣流速度、出口管偏置距離對(duì)偶極子聲源和四極子聲源的影響規(guī)律，進(jìn)而研究了兩種不同聲源類型對(duì)氣流再生噪聲聲壓貢獻(xiàn)量的大小，最后通過(guò)對(duì)比兩種方法計(jì)算出的擴(kuò)張式消聲結(jié)構(gòu)中氣流再生噪聲曲線，給出了兩種聲源之間的關(guān)系。

1 流場(chǎng)控制方程

c0為聲速，m/s；為固體表面；V0為聲源分布體； n為外法線矢量；S（y）為流體中物體表面積，m2；V（y）為流體中物體體積，m3。

2 不同聲源類型對(duì)氣流再生噪聲的影響

氣動(dòng)聲學(xué)的基本聲源包括單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。其中，單極子聲源只是存在于低速氣流的不穩(wěn)定狀態(tài)，通常忽略其影響；偶極子聲源則發(fā)生于氣流速度較高時(shí)氣流遇見(jiàn)異物，由壁面壓力脈動(dòng)形成，偶極子輻射聲功率與氣流速度成6次方關(guān)系；四極子聲源則產(chǎn)生于高速氣流中，流場(chǎng)中無(wú)障礙物，四極子輻射聲功率與氣流速度成8次方關(guān)系，由湍流速度脈動(dòng)形成。

2.1 偶極子聲源對(duì)擴(kuò)張消聲器氣流再生噪聲的影響

擴(kuò)張式消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)、出口管布置在腔室不同側(cè)的端板上，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文結(jié)構(gòu)尺寸取為：

d1d236 mm，l1l2100 mm，l200 mm，D200 mm。

圖2分別給出了擴(kuò)張式消聲器中偶極子聲源在不同氣流速度和出口管偏置距離時(shí)的氣流再生結(jié)果。圖2a是進(jìn)口管與腔體同軸，出口管偏置0.63倍腔體半徑[12-13]的擴(kuò)張式消聲器在不同氣流速度下的再生噪聲比較。由圖可知，再生噪聲值隨著氣流速度增加而明顯增大，說(shuō)明汽車(chē)排氣速度越大，氣流再生噪聲也越大。此外，氣流再生噪聲值隨著頻率的增加先增大后減小，頻譜呈現(xiàn)出寬頻特性。圖2b和圖2c是進(jìn)口管與腔體同軸，出口管分別偏置0、20 mm、36 mm、63 mm和80 mm時(shí)擴(kuò)張式消聲器氣流再生噪聲的比較。綜合比較兩圖可知，出口管偏置后擴(kuò)張式消聲器氣流再生噪聲在整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)有所提高，但是出口管偏置距離達(dá)到臨界值（進(jìn)出口管管徑）后，繼續(xù)增大偏置距離對(duì)消聲器的氣流再生噪聲不再有明顯影響。這是因?yàn)槌隹诠芷煤螅瑥倪M(jìn)口管流入的高速氣流未能全部直接從出口管出去，而是部分撞擊到對(duì)面腔體壁上，產(chǎn)生較大壓力脈動(dòng)，所以出口管偏置后氣流再生噪聲值會(huì)明顯增大。但當(dāng)偏置距離達(dá)到一定值后，從進(jìn)口流入的氣流束全部撞擊到對(duì)面腔體壁面上，偏置距離繼續(xù)增大已經(jīng)對(duì)撞擊到對(duì)面腔體壁面的氣流束沒(méi)有影響，所以氣流再生噪聲值基本保持穩(wěn)定。對(duì)于本文研究的消聲器結(jié)構(gòu)，偏置距離的臨界值為36 mm，即進(jìn)出口管的管徑。

2.2 四極子聲源對(duì)擴(kuò)張消聲器氣流再生噪聲的影響

圖3a給出了擴(kuò)張消聲器結(jié)構(gòu)中偶極子和四極子聲源分別在45 m/s及90 m/s時(shí)氣流再生噪聲的對(duì)比結(jié)果，圖例中第一組（黑線和紅線）代表偶極子，第二組（紫線和藍(lán)線）代表四極子。由圖可知，相同氣流速度下，二者的聲壓級(jí)曲線在低頻處差異明顯，四極子再生噪聲值明顯大于偶極子，而在中高頻差異很小。圖3b給出了偶極子和四極子聲源引起的噪聲值隨出口管偏置距離的變化。由圖可知，相同偏置距離時(shí)，四極子引起的氣流再生噪聲值亦大于偶極子。綜合兩圖可知，氣流速度和偏置距離對(duì)四極子聲源的影響規(guī)律和偶極子一樣，都隨其值增加而增大。

3 典型擴(kuò)張式消聲器氣流再生噪聲仿真

氣動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真方法有：直接數(shù)值模擬法（CAA），CFD氣動(dòng)聲學(xué)法和CFD+Virtual.Lab混合方法，表1給出了各種方法的應(yīng)用范圍。由表1可知，CFD+Virtual.Lab混合方法是目前應(yīng)用比較廣泛，也比較理想的一種方法，所以本文采用這一方法來(lái)計(jì)算消聲器氣流再生噪聲。

仿真流程如圖4所示。

3.1 擴(kuò)張式消聲器氣流再生噪聲

由于消聲結(jié)構(gòu)中氣流再生噪聲主要是偶極子和四極子聲源共同作用的結(jié)果。因此，本節(jié)以典型擴(kuò)張消聲器為研究對(duì)象，進(jìn)一步探討了偶極子和四極子共同作用引起的氣流再生噪聲，分析了兩種聲源類型對(duì)氣流再生噪聲聲壓貢獻(xiàn)量的大小。

圖5中藍(lán)線代表進(jìn)口管與腔體同軸，出口管偏置0.63倍腔體半徑的擴(kuò)張消聲器的氣流再生噪聲值隨頻率的變化曲線。相較于只考慮偶極子聲源，其氣流再生噪聲在0～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)明顯增大；而相較于只考慮四極子聲源，其氣流再生噪聲無(wú)明顯變化，兩條曲線幾乎完全重合。由此說(shuō)明對(duì)于擴(kuò)張式消聲器的氣流再生噪聲而言，四極子聲源的聲壓貢獻(xiàn)量在低頻處起主要作用。

3.2 偶極子和四極子聲源相關(guān)性分析

圖6是用兩種方法計(jì)算出的偶極子和四極子聲源共同作用引起的氣流再生噪聲。一種是同時(shí)考慮兩種聲源時(shí)計(jì)算出的結(jié)果，另一種則是將兩種聲源單獨(dú)的氣流再生噪聲聲壓級(jí)值相加得到的結(jié)果。由圖可知，說(shuō)明兩種聲源對(duì)氣流再生噪聲的貢獻(xiàn)量是不相關(guān)的，二者聲功率的和就等于氣流再生噪聲的總聲功率。

4 結(jié)論

（1）消聲器氣流再生噪聲的頻譜呈現(xiàn)寬頻特征，氣流速度越大再生噪聲越大。出口管偏置后擴(kuò)張式消聲器的氣流再生噪聲在整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)顯著增大，但是，當(dāng)出口管偏置距離達(dá)到臨界值（進(jìn)口管管徑）后，繼續(xù)增大偏置距離對(duì)消聲器的氣流再生噪聲不再有明顯影響。

（2）對(duì)于擴(kuò)張式消聲結(jié)構(gòu)，一般情況下四極子是氣流再生噪聲的主要聲源，其在低頻處的聲壓貢獻(xiàn)量尤為明顯。

（3）偶極子和四極子聲源對(duì)氣流再生噪聲的貢獻(xiàn)量不相關(guān)，將二者單獨(dú)計(jì)算得到的結(jié)果相加可得到消聲器總氣流再生噪聲值。

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