黃龍 蔣彥龍 王瑜 方堃

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009）

集成式催化消聲器三維聲場仿真及試驗研究

黃龍1蔣彥龍1王瑜2方堃1

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009）

在有流速和無流速情況下，對某型號集成式催化消聲器采用雙負(fù)載法測量其傳遞損失，并與ACTRAN軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。利用該軟件對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究不同消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)（內(nèi)插管孔數(shù)量、擋板上孔數(shù)量、內(nèi)插管管徑）對消聲效果的影響并進(jìn)行評價，聲場分析結(jié)果對催化消聲器的設(shè)計有一定指導(dǎo)作用。

1 前言

為了限制汽車噪聲，國家已經(jīng)制定了越來越嚴(yán)格的強(qiáng)制性噪聲標(biāo)準(zhǔn)，汽車產(chǎn)業(yè)政策也規(guī)定未達(dá)到國家法定噪聲的汽車產(chǎn)品不得銷售和使用，因此降低汽車噪聲已經(jīng)成為各汽車生產(chǎn)廠家面臨的一項重要課題[1-4]。而降低噪聲最主要、最有效的處理方式是采用排氣消聲器，因此排氣后處理及消聲裝置的研發(fā)對達(dá)成柴油發(fā)動機(jī)整體性能要求具有重要意義。

東風(fēng)汽車股份有限公司與東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司關(guān)于《騰龍ISD4.5國四發(fā)動機(jī)搭載整車產(chǎn)品開發(fā)》中的子課題之一“后處理及消聲排氣系統(tǒng)開發(fā)”提出了一種新型消聲器，將消聲單元和催化器集成在一起（圖1），該結(jié)構(gòu)的消聲器相對于催化器與消聲器分別布置的結(jié)構(gòu)（圖2）有布置緊湊、統(tǒng)籌考慮聲場流場分布、輕量化等優(yōu)勢。本文針對柴油機(jī)集成式催化消聲器進(jìn)行聲場及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，提出研發(fā)集成式消聲器的可行性，并為其生產(chǎn)制造提供有力的理論依據(jù)。

圖1 集成式催化消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 分體式催化器和消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

2 聲學(xué)有限元仿真及結(jié)果分析

2.1 聲學(xué)計算理論

傳遞損失（TL）的定義是末端為無反射端的條件下，消聲器入射聲功率級與透射聲功率級之差，其表達(dá)式為：

式中，Wi為入射聲功率；Wt為透射聲功率；LWi為入射聲功率級；LWt為透射聲功率級。

假定入口處聲壓和聲學(xué)速度分別為Pi、vi，出口處聲壓和聲學(xué)速度分別為Po、vo，有如下關(guān)系式：

式中，T為傳遞矩陣[5-7]。

首先建立ACTRAN的聲學(xué)有限元模型，在兩種工況條件下計算傳遞矩陣的參數(shù)。第一，封閉出口端即聲學(xué)速度為零，在入口端加單位聲學(xué)速度，計算入口、出口的聲壓，可以求得傳遞矩陣的參數(shù)A、C：

第二，假設(shè)出口聲壓為零，在入口端仍加單位聲學(xué)速度，計算入口聲壓、出口聲學(xué)速度，求得傳遞矩陣的參數(shù)B、D：

由求得的傳遞矩陣，可以計算傳遞損失，也稱為透射損失[[88]]：

2.2 催化消聲器模型建立

以某型號催化消聲器為研究對象，采用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，腔室尺寸與管徑、穿孔直徑等都與實際催化消聲器相近。該樣件的整體模型分為兩個部分，左邊是催化部分，右邊是消聲部分。具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 催化器結(jié)構(gòu)圖

簡化后催化消聲器內(nèi)腔三維模型如圖5所示。

采用ICEM軟件建立有限元模型，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，催化劑部分設(shè)為solid，其余區(qū)域為fluid，網(wǎng)格大部分為四面體網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格越密計算越準(zhǔn)確，但越密計算效率越低，綜合考慮得出兩個樣件的網(wǎng)格和其網(wǎng)格數(shù)量如圖5所示。

圖4 樣件整體結(jié)構(gòu)圖

圖5 樣件的有限元模型

2.3 ACTRAN軟件的設(shè)置及計算

2.3.1 邊界條件設(shè)置

在聲場的有限元模型中，入口處的輸入為聲壓激勵，頻率范圍為10～2 000 Hz，每隔10 Hz取一個計算點，激勵在入口面處均勻分布，入口處質(zhì)點振動速度為1 m/s。入口為無反射入口，可以保證能量全部透射，出口端為無反射出口。入口端和出口端的介質(zhì)均為空氣。

2.3.2 約束條件

聲場仿真只在模型內(nèi)部有聲傳播的介質(zhì)，可以保證聲音只在腔體內(nèi)部傳播，所以不需要壁面外添加額外的約束。

2.4 仿真結(jié)果分析

2.4.1 前端催化部分對消聲效果影響分析

圖6為集成式催化消聲器前端催化部分傳遞損失變化趨勢圖。

圖6 前端催化部分傳遞損失

從圖6中可以看出，整個頻域帶內(nèi)，在890 Hz傳遞損失最大，為42 dB，平均傳遞損失為18 dB，催化部分具有一定的消聲效果。這是因為催化段作為多孔介質(zhì)當(dāng)聲波穿過時存在摩擦，載體的存在類似于阻性的吸聲材料，引起孔內(nèi)氣體的振動，可以將聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

2.4.2 流場對消聲器消聲效果影響分析

在實際排氣系統(tǒng)中，在氣流的作用下消聲器的消聲性能會受到影響[9]。為了研究消聲器內(nèi)氣流對聲場的影響，將劃分好的聲場網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)定入口速度10 m/s和20 m/s先進(jìn)行流場計算，然后將流場計算結(jié)果導(dǎo)入到ACTRAN軟件中，將網(wǎng)格各個節(jié)點流體的壓力、流速、溫度等值賦在聲場網(wǎng)格上，然后進(jìn)行聲場計算。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 排氣系統(tǒng)樣件無流/有流時傳遞損失曲線

通過圖7中不同入口流速3條曲線對比可以看出，在中低頻段（10～800 Hz）內(nèi)，有流速和無流速對消聲器的傳遞損失影響不大，在頻率為1 500 Hz時傳遞損失達(dá)到最大，而隨著氣流速度增加傳遞損失峰值降低，即消聲效果下降。

2.4.3 不同結(jié)構(gòu)消聲器消聲效果分析

針對集成式消聲器的原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化改進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[10-11]，提出3種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如圖8所示。改進(jìn)方案1是改變內(nèi)插管孔的數(shù)量即改變孔密度；改進(jìn)方案2是改變擋板上小孔數(shù)量；改進(jìn)方案3是改變內(nèi)插管管徑。對改變后的結(jié)構(gòu)建模計算并分析傳遞損失。

圖8 消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖

2.4.3.1 內(nèi)插管孔數(shù)量對消聲器消聲效果的影響

分別計算內(nèi)插管孔數(shù)量為11×25個、15×25個、19×35個時消聲器的傳遞損失（見圖9），最大傳遞損失如圖10所示，平均傳遞損失如表1所示。

從圖9中可以看出，在中低頻部分（0～800 Hz）內(nèi)插管上小孔數(shù)量的改變對于消聲器消聲效果基本沒有影響。傳遞損失影響較大的頻率集中在900～2 000 Hz。從圖10可以看出，隨著內(nèi)插管孔數(shù)量增大，最大傳遞損失值增加。從表1可以看出，隨著內(nèi)插管穿孔數(shù)量增加，平均傳遞損失值逐漸增大。因此，內(nèi)插管孔數(shù)量增加促進(jìn)消聲器消聲效果。

圖9 內(nèi)插管孔數(shù)量對消聲器傳遞損失的影響

圖10 不同內(nèi)插管孔數(shù)量對應(yīng)最大傳遞損失

表1 不同內(nèi)插管孔數(shù)量下平均傳遞損失（0～2 000 Hz）

2.4.3.2 擋板上孔數(shù)量對消聲器消聲效果影響

分別計算擋板上孔數(shù)量為6個、8個、10個時消聲器的傳遞損失（見圖11），最大傳遞損失如圖12所示，平均傳遞損失如表2所示。

表2 擋板上不同孔數(shù)量下平均傳遞損失（0～2 000 Hz）

從圖11可以看出，在中低頻部分（0～800 Hz）擋板上小孔數(shù)量的改變對于消聲器消聲效果基本沒有影響。傳遞損失影響較大的頻率集中在900～2 000 Hz。從圖12可以看出，隨著擋板上孔數(shù)量增多，最大傳遞損失先增大，當(dāng)孔數(shù)量為8個時傳遞損失峰值為84 dB，具有較好的消聲效果，孔數(shù)量再增加時峰值降低。從表2可以看出，隨著擋板上孔數(shù)量增加平均傳遞損失先增大后減小。因此，擋板上的孔數(shù)量有一最優(yōu)值可促進(jìn)消聲器消聲效果。

圖11 擋板上孔數(shù)量對傳遞損失的影響

圖12 擋板上不同孔數(shù)量對應(yīng)最大傳遞損失

2.4.3.3 內(nèi)插管管徑對消聲器消聲效果影響

分別計算內(nèi)插管管徑為0.068 m、0.076 m、0.084 m時消聲器的傳遞損失（見圖13），最大傳遞損失如圖14所示，不同擋板上孔數(shù)量下的平均傳遞損失如表3所示。

從圖13可以看出，內(nèi)插管管徑改變在在低頻部分（0～800 Hz）消聲器傳遞損失影響不大，傳遞損失影響較大的頻率集中在900～2 000 Hz。從圖14可以看出，隨著內(nèi)插管管徑增加，最大消聲量降低，從表3可以看出，隨著擋板上孔數(shù)量增加平均傳遞損失減小。因此，管徑增加不利于消聲器的消聲效果。

3 消聲器臺架試驗

3.1 試驗臺的組成

該試驗臺由風(fēng)機(jī)、阻性消聲器、聲源、消聲器聲學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)、消聲器試驗件及末端消聲器等組成。試驗臺端部安裝風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源，通過調(diào)節(jié)閥控制流量；音響之前安裝阻性消聲器，該消聲器能有效降低風(fēng)機(jī)噪聲；揚聲器作為聲源固定在音箱內(nèi)的隔板上，兩只250 W揚聲器在主管道兩側(cè)對稱放置，產(chǎn)生均勻聲場，聲源信號由多通道數(shù)據(jù)采集分析儀中的信號發(fā)生模塊產(chǎn)生，并通過功率放大器進(jìn)行驅(qū)動；消聲器聲學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)由4個壓電式傳聲器、4個電荷放大器及多通道數(shù)據(jù)采集分析儀及分析軟件組成。末端消聲器作為一種負(fù)載，用來改變出口處阻抗邊界條件。按照如圖15所示布置試驗，實際測試中，測試系統(tǒng)取直管和加載阻性消聲器兩種狀態(tài)，根據(jù)傳遞矩陣法得到待測量消聲器傳遞損失[12-13]，其測試連接圖及測試設(shè)備如圖15所示。

圖13 內(nèi)插管管徑對傳遞損失影響

圖14 內(nèi)插管管徑對應(yīng)最大傳遞損失

表3 不同內(nèi)插管管徑下平均傳遞損失（0～2 000 Hz）

本次測試集成件（催化器與消聲器）前端為催化器，后端為消聲器。調(diào)節(jié)分級閥門模擬氣流速度為0、10 m/s時測量消聲器傳遞損失、記錄測試結(jié)果并將試驗結(jié)果與ACTRAN仿真得到的傳遞損失進(jìn)行對比分析。

3.2 試驗與仿真對比分析

圖16和圖17中分別表示無流速及流速10 m/s時仿真和試驗傳遞損失隨頻率變化趨勢，從中可以看出，采用ACTRAN軟件對消聲器進(jìn)行仿真計算得到的傳遞損失隨頻率變化趨勢和試驗變化趨勢基本一致，說明采用仿真軟件模擬消聲器內(nèi)部聲場可行，能夠節(jié)約試驗時間，可應(yīng)用于消聲器的設(shè)計生產(chǎn)中。

圖15 消聲器傳遞損失測試連接圖及測試設(shè)備

圖16 無流速時試驗與仿真?zhèn)鬟f損失對比

圖17 流速10 m/s時試驗與仿真?zhèn)鬟f損失對比

4 結(jié)束語

以某型號集成式催化消聲器為研究對象，將其數(shù)值計算結(jié)果與采用雙負(fù)載法測量傳遞損失的結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證數(shù)值仿真的可行性：

a.將排氣系統(tǒng)樣件有流速和無流速的傳遞損失對比分析。在低頻段（0～800 Hz）內(nèi)，有流速和無流速對消聲器的傳遞損失影響差別不大。差別主要集中在中高頻（900～2 000 Hz），且無流速時傳遞損失峰值最大，而當(dāng)流速增加，傳遞損失峰值降低，即消聲效果下降。

b.消聲器結(jié)果參數(shù)對消聲效果的影響：隨著內(nèi)插管孔數(shù)量增大最大傳遞損失值和平均傳遞損失都增加，并且達(dá)到最大值對應(yīng)的頻率也在增大；隨著擋板上孔數(shù)量增多最大傳遞損失與平均傳遞損失都先增大，再降低，因此擋板上孔數(shù)量有一最優(yōu)值促進(jìn)消聲器消聲效果；隨著內(nèi)插管管徑增加最大傳遞損失和平均傳遞損失降低，因此管徑增加不利于消聲器的消聲效果。

c.采用雙負(fù)載法測試消聲器實際傳遞損失并與仿真結(jié)果對比分析，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Three-Dimensional Sound Field Simulation of Integrated Catalytic Muffler and Experimental Study

Huang Long1,Jiang Yan Long1,Wang Yu2,Fang Kun1
（1.Nanjing University of Aeronautics Astronautics,Nanjing 210016;2.Nanjing University of Technology,Nanjing 210009）

The double load measurement was used to measure catalytic muffler’s transmission loss with or without flow rate,and the measurement result was compared with the simulated result with ACTRAN software.This software was also used to optimize muffler structure,and investigate and assess the effect of different muffler structure parameters(number of holes on interior insert pipe,number of holes on baffle plate,diameter of interior insert pipe)on muffling,which shows that result of acoustic analysis can guide the design of catalytic muffler.

Acoustic,Transmission loss,Catalytic muffler,Acoustic finite element

聲學(xué) 傳遞損失 催化消聲器 聲學(xué)有限元

X734.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）12-0043-05

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2017年9月1日。