黃加晟,趙曉丹，孫黎明，，王志鵬

（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.拖拉機動力系統(tǒng)國家重點實驗室 洛陽拖拉機研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

汽車的普及在給人們帶來方便的同時，其噪聲也對人們的正常生活、工作及身心健康帶來了煩惱。其中發(fā)動機噪聲是汽車最主要的噪聲源，排氣噪聲對發(fā)動機噪聲有不可忽略的影響作用。隨著汽車產(chǎn)量的提高，排氣噪聲的控制也是各大廠商越來越重視的焦點。

使用排氣消聲器是降低排氣噪聲的有效手段，對消聲器的研究一直受到關注。左曙光[1]分析了隔板對微穿孔管聲學特性的影響，溫逸云[2]研究了部分穿孔消聲器穿孔率、插入長度、周向和軸向穿孔分布、擴張腔直徑等設計參數(shù)對消聲器消聲性能的影響。杜江[3]探討了氣流流速大小和消聲器結構參數(shù)的變化對插入管消聲器聲學特性的影響。A．Selamet[4]研究了雙膨脹腔帶內插管消聲器的幾何結構尺寸對消聲器性能的影響，包括中間擋板的位置、消聲器的總長和內插管的內徑，這些工作是在消聲器的內部做研究。消聲器的出口端對整個消聲器的性能也是有影響的，本文注意到聲波在管口的輻射具有一定特性，聲能在管道中并不會完全輻射出管口，會有部分聲能反射回管道。目前對此還沒有得到充分重視，在使用Virtual.Lab Acoustics軟件計算消聲器傳遞損失時一般使用空氣特性阻抗ρc作為邊界條件，這樣未考慮到出口的輻射特性，與真實情況有差異。本文計算了管口的聲阻抗，將其作為邊界條件，考慮管口聲輻射特性，利用管口直徑小反射更為劇烈的特性，提出消聲器出口端采用多出口管降低噪聲輻射，進行了相應的計算和試驗研究。

1 管口聲輻射特性

聲波在剛性壁管道中傳播時具有開管的特性，理論上開管在管道末端具有反射特性[5]。對于這種反射現(xiàn)象，盛勝我做了深入研究，測量了管道出口的聲壓反射系數(shù)，結果表明當管口附近沒有其他反射體時，管內平面波到達管口，其中一部分將反射回管內,一部分輻射到管外空間[6]。通常波數(shù)k與管口半徑a的乘積小于3，盛勝我研究得出了在ka小于3的情況下，聲壓反射系數(shù)幅值R的近似表達式

本文也做了相應的試驗，使用北京聲望SW002型駐波管測量了駐波管開管的吸聲系數(shù)，駐波管管口外徑為100 mm，觀察它的輻射特性。使用駐波管測量聲壓級最大值Lpmax和最小值Lpmin，則可獲得吸聲系數(shù)

式中：ΔL=Lpmax-Lpmin，由吸聲系數(shù)α得到聲能反射系數(shù)γ=1-α，反射系數(shù)曲線見圖1。可以看出聲波在開管中并不是全部輻射出去的，有明顯的反射現(xiàn)象，尤其是在低頻部分非常明顯，與盛勝我研究的特性相符。

消聲器無論腔體內部結構有何不同，出口端常采用一段直管，故管口的聲輻射特性也同樣適用于消聲器出口端。在管口的聲輻射特性中，由式（1）看出聲壓反射還和管口半徑a有關，半徑越小反射系數(shù)越大。

圖1 開管反射系數(shù)

2 消聲器管口聲壓反射特性計算

研究消聲器端口聲能反射情況，出口模型見圖2?？紤]到不增加排氣背壓[7]，需要保持出口的截面積不變，分別采用單出口管，雙出口管，三出口管。

圖2中，（a）單圓孔出口直徑為40.0 mm；（b）雙圓孔出口直徑為28.3 mm；（c）3圓孔出口直徑為23.1 mm。（a）（b）（c）3 種出口總面積相等 ，均為400 π mm2，出口管凸臺長度均為170 mm，腔體直徑100 mm，腔體長1000 mm。

使用三維仿真軟件Virtual.Lab Acoustics計算消聲器傳遞損失，在計算中遇到的關鍵問題是出口端邊界條件的設定。計算傳遞損失傳統(tǒng)方法是將空氣特性阻抗ρc作為出口邊界條件[8]，來進行模擬計算。由于出口定義為無反射邊界，所以只有透射聲功率而無反射聲功率，即聲音在出口處沒有反射的效果，無法反映出實際管口有聲反射的情況。

本文提出計算出管口的聲阻抗，作為出口邊界條件代入軟件進行計算。聲阻率μ與聲抗率ν采用以下公式計算[6]

式中：j表示虛數(shù)，r為聲壓反射系數(shù)

式中：R為聲壓反射系數(shù)幅值，其計算見式(1)，l為末端修正值，修正公式為

圖2 3種出口端網(wǎng)格模型

由式（1）、式（3）、式(4)、式（5）計算得到的管口聲阻抗作為邊界條件代入軟件，計算圖2中（a）單出口管模型的消聲性能，為了對比，同時使用空氣特性阻抗ρc作為出口邊界計算進行比較，比較結果見圖3。

圖3 不同出口邊界條件的計算結果對比

觀察曲線可知，直接將空氣特性阻抗作為出口邊界條件時，計算結果隨頻率的變化基本為一條平直的直線，因為空氣特性阻抗為定值，計算結果無法反映出隨頻率變化出口端的聲反射情況，考慮了管口處的聲反射特性后，計算得到的結果隨頻率有明顯的高低起伏變化，兩者有顯著的區(qū)別。將圖23種出口端模型的管口聲阻抗分別代入軟件計算各自管口的聲輻射情況，得到入射聲能與輻射聲能比值的曲線如圖4。

圖4 3種出口端消聲性能軟件計算結果

計算結果顯示，端口的輻射特性隨頻率高低起伏變化，在低頻處的反射更為強烈，與開管的反射特性相符，說明計算有一定合理性。在900 Hz左右出現(xiàn)低谷，這與出口端的管長有關，然后又有所上升。對比計算結果顯示，雙出口管向外輻射的總聲能小于單出口管輻射的聲能，3出口管向外輻射的總聲能又小于雙出口管輻射的總聲能，說明在出口端使用小管徑的多管向外輻射的總聲能比大管徑的出口管更少。

3 試驗

對計算結果開展試驗驗證，通過使用駐波管測量吸聲系數(shù)，來反映出口端聲能的反射與輻射。試驗裝置如圖5所示。

圖5 駐波管試驗裝置示意圖

利用駐波管安裝套筒的卡槽將消聲器單出口管模型安裝到駐波管末端，電腦發(fā)出信號推動聲源箱逐頻產(chǎn)生聲波，每隔50 Hz測量吸聲系數(shù)。更換雙出口管和3出口管進行相同的測量，得到相應的吸聲系數(shù)，3種出口端吸聲系數(shù)測量曲線如圖6。

圖6 3種出口端吸聲系數(shù)測量結果

試驗中吸收的聲能量即是通過管口輻射出去的聲能量，由吸聲系數(shù)曲線可以獲得入射聲能與輻射聲能比值的曲線，單位用分貝表示，獲得消聲性能曲線如圖7。

圖7 3種出口端消聲性能測量結果

由圖7可知，消聲器單管出口端消聲性能測量結果并不是一條隨頻率無變化的直線，而是一條隨頻率有明顯高低起伏變化的曲線，與圖3中使用管口聲阻抗作為出口邊界計算所得的曲線趨勢相符。說明使用管口聲阻抗代入軟件計算比使用空氣特性阻抗計算所得的結果更合理，能夠反映出實際管口聲輻射的特征。

對比圖4的計算結果與圖7的測量結果，均在800 Hz及1800 Hz左右出現(xiàn)消聲低谷，在1300 Hz左右均出現(xiàn)消聲高峰，在250 Hz到600 Hz左右的低頻范圍的數(shù)值均高于1300 Hz左右的波峰。分析圖7，試驗結果在800 Hz到1900 Hz時，保持相同的截面面積，采用管徑28.3 mm的雙出口管比管徑40 mm的單出口管反射回管內的總聲能多，向外輻射的總聲能少；采用管徑23.1 mm的三出口管比管徑28.3 mm的雙出口管反射回管內的總聲能也多，向外輻射的總聲能進一步減少；采用管徑23.1 mm的三出口管比管徑40 mm的單出口管向外輻射的總聲能減少得更明顯。測量結果與計算結果都反映出減小出口管直徑對減少噪聲輻射有利，研究表明利用管口反射聲能的特性后，消聲器采用多管出口能夠起到一定的提高消聲作用。

4 結語

（1）管口存在一定的聲輻射特性，本文計算出管口的聲阻抗結合Virtual.Lab Acoustics作為邊界條件代入計算，能夠反映出管口具有的反射特性，比直接使用空氣特性阻抗作邊界條件更能反映出消聲器實際輻射聲能的情況，計算結果更合理。

（2）研究管口的聲輻射特性，合理的設計和利用消聲器出口端對提高消聲性能有一定的作用。受到計算的啟發(fā)，進行了相應的試驗研究，結果表明，在保持相同的流通面積下，采用多根小管時管口反射特性更加強烈，能夠起到更好的消聲效果。

[1]左曙光，龍國，吳旭東，等.隔板對汽車微穿孔管消聲器聲學特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014(11)：53-60.

[2]溫逸云，鄧兆祥，張楊.部分穿孔管消聲器聲學性能有限元分析[J].噪聲與振動控制，2016，36(6)：182-185.

[3]杜江，歐陽華，杜朝輝.氣流影響下的插入管消聲器聲學特性的實驗研究[J].噪聲與振動控制，2010，30(4)：104-109.

[4]A SELAMET,F D DENIA,A J BESA.Acoustic behavior of circular dual-chamber mufflers[J].Journal of Sound and Vibration,2003,265(5):967-985．

[5]趙松齡.噪聲的降低與隔離上冊[M].上海：同濟大學出版社，1985：44-45.

[6]盛勝我.存在氣流時管口聲阻抗的變化[J].應用聲學，1988(3)：12-16.

[7]谷芳，劉伯潭，李洪亮，等.基于CFD數(shù)值模擬的汽車排氣系統(tǒng)結構分析[J].內燃機學報，2007(4)：358-363.

[8]劉飛，陸森林，劉紅光，等.擴張室式消聲器聲學特性的有限元分析[J].噪聲與振動控制，2010，30(3)：144-147.