習(xí)文輝

【摘 要】本文以HT01001X的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器為模型，運(yùn)用三維有限元分析軟件對(duì)消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了消聲器進(jìn)、出口管位置偏置對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：消聲器進(jìn)、出口管位置發(fā)生偏置對(duì)中、低頻噪聲的消聲性能影響很小，而對(duì)中高頻和高頻的消聲性能影響十分明顯。

【關(guān)鍵詞】消聲器；聲學(xué)性能；傳遞損失；有限元

中圖分類號(hào)： TB535.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0161-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.073

0 引言

在對(duì)汽車進(jìn)行噪聲控制時(shí)，最簡(jiǎn)單又有效的措施就是安裝消聲器，消聲器理論覆蓋的學(xué)科范圍非常廣泛，包括聲學(xué)、流體學(xué)、振動(dòng)學(xué)、傳熱學(xué)、內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造等諸多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)都有涉及到[1]，且消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此，對(duì)其設(shè)計(jì)和研究十分困難。消聲器的性能主要從聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能兩個(gè)指標(biāo)去衡量。設(shè)計(jì)出綜合性能較好的消聲器一直是該領(lǐng)域始終在追尋的目標(biāo)。

傳統(tǒng)消聲器進(jìn)、出口管位置一般與消聲器外殼同軸。本文對(duì)消聲器進(jìn)、出口管位置進(jìn)行偏置設(shè)計(jì)，采用聲學(xué)有限元分析方法，利用專業(yè)的聲學(xué)分析軟件LMS Virtual.Lab Acoustic及相關(guān)軟件對(duì)消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究消聲器進(jìn)出口管位置偏置對(duì)該消聲器聲學(xué)性能的影響，為今后消聲器的設(shè)計(jì)和研究提供一定的理論依據(jù)。

1 聲場(chǎng)基礎(chǔ)理論

1.1 基本假設(shè)

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，需要進(jìn)行一定的假設(shè)，本文進(jìn)行的假設(shè)主要有：

（1）介質(zhì)為理想均質(zhì)流體，即介質(zhì)不存在粘滯性，聲波在傳播過(guò)程中沒(méi)有能量的損耗。

（2）聲波傳播是一個(gè)絕熱過(guò)程，與外界不存在熱交換。

（3）介質(zhì)靜態(tài)壓強(qiáng)和靜態(tài)密度都為常數(shù)。

（4）消聲器為剛性管壁組成，聲波不會(huì)透過(guò)管壁向外輻射。

1.2 聲學(xué)方程

在均勻介質(zhì)、非粘性和絕熱狀態(tài)下的聲學(xué)波動(dòng)方程：

？塄2p'-

式中：拉格朗日算子？塄2=為聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度，c與時(shí)間t的關(guān)系為，c≈331.6+0.6t，？酌為氣體定壓比熱容與定容比熱容之比，對(duì)于空氣，？酌=1.402；ρ0為流體靜態(tài)情況下的密度；p'為外界擾動(dòng)引起的流體聲壓；q'為流體微元體內(nèi)單位體積的體積速度引起的附加質(zhì)量。

在消聲器的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)中有很多指標(biāo)，對(duì)于聲學(xué)性能，常用的有插入損失、傳遞損失和末端減噪量等參數(shù)，對(duì)于插入損失等參數(shù)的計(jì)算，需要聲源特性以及聲阻抗特性，往往需要實(shí)驗(yàn)獲取此類參數(shù)，很不方便。而傳遞損失是消聲器本身具有的特性，因此，在消聲器設(shè)計(jì)以及數(shù)值計(jì)算時(shí)用傳遞損失來(lái)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)非常方便。消聲器傳遞損失計(jì)算公式：

式中，Win、Wout分別為入口和出口平面波的聲功率；p1、p2分別為入口和出口聲壓；Ain、Aout分別為入口和出口截面積。本文中消聲器出口和入口截面積相同，即Ain/Aout=1，則公式化簡(jiǎn)為

TL（dB）=10lg（3）

2 排氣消聲器模型的建立

2.1 物理模型

圖1為所研究消聲器模型的基本結(jié)構(gòu)尺寸。該消聲器為典型的抗性消聲器，具有三個(gè)腔室，每個(gè)腔室由帶孔的隔板及帶穿孔的進(jìn)、出口管相連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)其內(nèi)部聲場(chǎng)的分析研究具有很大意義。如圖，消聲器總長(zhǎng)982mm，進(jìn)口與出口管直徑均為65mm，消聲器外徑為182mm，進(jìn)口管長(zhǎng)537mm，出口管長(zhǎng)445mm，進(jìn)、出口管穿孔300個(gè)，小孔直徑6mm，中間腔室隔板每塊上均布有6個(gè)直徑為20mm的孔來(lái)連接各腔室，模型厚1mm。圖中，左端為進(jìn)口，右端為出口。

通過(guò)對(duì)消聲器原有模型的進(jìn)、出口管位置進(jìn)行偏置設(shè)計(jì)，得出圖2所示三種設(shè)計(jì)方案：A方案僅對(duì)進(jìn)口管位置進(jìn)行偏置15mm，B方案僅對(duì)出口管位置偏置15mm，C方案為消聲器進(jìn)出口管同時(shí)偏置15mm。三種設(shè)計(jì)方案中，模型的其他結(jié)構(gòu)尺寸以及位置等均不發(fā)生變化，圖中粗實(shí)線為入口管，細(xì)虛線為出口管。

2.2 有限元模型

在進(jìn)行有限元計(jì)算之前，首先對(duì)消聲器三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于研究的是消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)，因此需先將UG建立的消聲器三維實(shí)體模型提取內(nèi)部空腔部分，然后導(dǎo)入專業(yè)有限元網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響，鑒于該消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保證計(jì)算精度，在消聲器隔板及穿孔管處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。當(dāng)然，數(shù)值計(jì)算結(jié)果是由大部分網(wǎng)格所決定的，并非網(wǎng)格越細(xì)越好，為保障計(jì)算速度，需合理控制網(wǎng)格劃分大小和劃分精度。網(wǎng)格大小由最高響應(yīng)頻率決定，單元大小滿足公式：LMAX≤（4）

其中C為聲速，fmax為最高計(jì)算頻率[2]。由于對(duì)消聲器進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，流體材料選擇空氣，聲速為340m/s，最高計(jì)算頻率為3000Hz，所以最大網(wǎng)格尺寸為18.8mm，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格。如圖3為方案A的消聲器有限元模型（僅以方案A的有限元模型為例），從圖中可以看出，為提高計(jì)算精度，對(duì)模型腔室隔板小孔以及進(jìn)、出口管穿孔位置進(jìn)行了細(xì)化，該模型有121689個(gè)節(jié)點(diǎn)，569360個(gè)單元。

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Acoustic軟件內(nèi)進(jìn)行求解計(jì)算。首先確定分析類型，選擇FEM Frequency Fluid ，定義流體材料屬性，使用系統(tǒng)默認(rèn)屬性為空氣。然后進(jìn)行邊界條件的定義。

2.3 邊界條件

（1）入口邊界條件：傳遞損失是消聲器的固有屬性，與輸入無(wú)關(guān)，入口端可施加單位速度邊界條件，也可輸入一定的聲功率。本文入口輸入（0，1）階平面波，聲功率為1w。

（2）出口邊界條件：消聲器出口端施加全吸聲邊界條件， 對(duì)于吸聲屬性，可以通過(guò)聲阻抗和聲導(dǎo)納來(lái)定義，即吸聲系數(shù)α=1或聲阻抗為416.5kg/m2/s。本文定義消聲器出口面為無(wú)反射面。

（3）壁面邊界條件：設(shè)壁面為剛性壁面， 即不考慮壁面吸聲， 吸聲系數(shù)α=0[3-4]。

3 聲場(chǎng)計(jì)算及分析

本文所研究的消聲器為抗性消聲器，中、低頻的消聲效果較好[5]，并且發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲頻率主要集中在3200Hz以內(nèi)[6]，因此，對(duì)消聲其進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，計(jì)算頻率選擇為20Hz至3000Hz，步長(zhǎng)為20Hz。如圖4為不同方案的消聲器與原消聲器傳遞損失的對(duì)比。

從圖中可以看出，在20Hz至940Hz頻率范圍以內(nèi)，不同方案的消聲器傳遞損失曲線與原消聲器傳遞損失曲線基本重合，因此，在此頻率范圍內(nèi)，消聲器進(jìn)、出口管位置的偏置對(duì)消聲性能幾乎沒(méi)有影響。940Hz以后不同方案的消聲器傳遞損失開(kāi)始發(fā)生變化。

圖5和圖6分別為380Hz和2220Hz時(shí)各消聲器聲壓級(jí)分布云圖。從圖5中可以看出，頻率等于380Hz時(shí)，每個(gè)消聲器內(nèi)部除了隔板小孔附近出現(xiàn)小的球面波，在同一橫截面上的聲壓級(jí)都相等，聲音在消聲器內(nèi)是以平面波的形式在傳播，且不同方案下每個(gè)消聲器的聲壓級(jí)云圖基本相同，說(shuō)明在該頻率點(diǎn)附近，消聲器進(jìn)、出口管位置的偏置對(duì)消聲器的聲學(xué)性能基本沒(méi)有影響，與圖4中傳遞損失曲線在中、低頻區(qū)域反應(yīng)的情況是一致的。而從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，頻率等于2220Hz時(shí)，同一消聲器同一橫截面上的聲壓級(jí)不再相等，聲波以球面波的形式傳播；不同消聲器同一截面附近的聲壓級(jí)分布也大不相同，說(shuō)明消聲器進(jìn)、出口管位置的偏置對(duì)該頻率點(diǎn)附近消聲器的聲學(xué)性能有一定影響。

下面對(duì)940Hz以上頻率的不同方案下的消聲器的傳遞損失進(jìn)行進(jìn)一步分析。如圖7為方案A（進(jìn)口管偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖7中可以看出，進(jìn)口管偏置消聲器在980Hz和2140Hz處均有一消聲峰值，原消聲器則沒(méi)有；而在1240Hz處兩者均出現(xiàn)峰值，但原消聲器的幅值更大；在2740Hz至2940Hz內(nèi)，原消聲器有較好消聲效果。如圖8為方案B（出口管偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖8中可以看出，出口管偏置的消聲器在1020Hz、1420Hz、1800Hz、2180Hz、2860Hz和2980Hz處均出現(xiàn)消聲峰值，原消聲器則沒(méi)有，說(shuō)明在這些頻率附近出口管位置偏置的消聲器具有較好的消聲性能；而在1240Hz處出口管偏置的消聲器未出現(xiàn)較大消聲峰值；在2740Hz至2840Hz和2900Hz至2960內(nèi)，原消聲器有較好消聲效果；其它頻率兩者消聲效果基本一致。如圖9為方案C（進(jìn)出口管同時(shí)偏置）與原消聲器在940Hz至3000Hz的傳遞損失的比較。

從圖9中可以看出，進(jìn)、出口管同時(shí)偏置的消聲器與原消聲器相比，增加了大量通過(guò)頻率，總消聲量遠(yuǎn)不及原消聲器，整體消聲效果較差。因此，在以后的消聲器設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免進(jìn)出口管同時(shí)偏置的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)汽車排氣消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)的數(shù)值模擬分析， 可以得知：消聲器的進(jìn)、出口管位置偏置對(duì)消聲器的消聲性能具有一定影響，在消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體情況對(duì)消聲器進(jìn)、出口管位置進(jìn)行偏置，以達(dá)到相應(yīng)的消聲要求。同時(shí)，仿真分析結(jié)果顯示，消聲器進(jìn)出口管位置同時(shí)偏置會(huì)使消聲器產(chǎn)生大量通過(guò)頻率，降低消聲性能。因此，在消聲器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能避免這種設(shè)計(jì)方案。

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