姚進(jìn)峰，張 昆，陸修進(jìn) ，樊 睿

（1.昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，云南 昆明 650000）

1 引言

噪聲不僅影響到人們的日常生活而且對(duì)人身心健康造成傷害，甚至?xí)l(fā)耳聾、頭昏、記憶力衰退、神經(jīng)衰弱等不良作用。汽車尾氣噪聲是城市噪聲污染的主要組成部分，大約占四分之一左右，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示目前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到了2.64億輛[1]，因此汽車尾氣噪聲成為企業(yè)和消費(fèi)者們不可忽視的污染問題，給汽車行業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的壓力。安裝消聲器進(jìn)行排氣降噪的同時(shí)，排氣背壓也不可避免的會(huì)升高，從而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量變少、燃燒效率降低、機(jī)械效率下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗升高、排氣溫度升高、輸出扭矩降低，碳煙排放的惡化，功率損失嚴(yán)重等問題。所以在汽車正逐步地向高性能、低排放量的方向發(fā)展過程中，對(duì)于如何控制好汽車尾氣排放噪聲的要求越來越高。抗性消聲器由于聲阻抗的存在，消聲量和排氣背壓大小是相互牽制的，往往表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的規(guī)律，想設(shè)計(jì)出低噪聲低背壓的高性能消聲器十分困難。在以往的研究中通常是單一地控制（消聲量或排氣背壓）在可接受范圍內(nèi)來提升另一方的性能，這并未能使消聲器的消聲量與排氣背壓達(dá)到理想結(jié)果，且未對(duì)兩者存在怎樣關(guān)系做出分析以及找出相關(guān)規(guī)律[2-3]。在分析軟件ANSYSCFX、LMSVirtual.Lab以及消聲器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，探究變化的排氣背壓對(duì)消聲量有何影響，為消聲器設(shè)計(jì)提供了新途徑和理論依據(jù)。

2 有限元建模及計(jì)算方法

為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，同一個(gè)消聲器在流場(chǎng)分析和聲場(chǎng)分析中所用的有限元模型一致，且不同結(jié)構(gòu)消聲器的建模、網(wǎng)格劃分方法以及邊界條件相同。

2.1 幾何建模

在抗性消聲器聲學(xué)分析中存在與幾何尺寸大小有關(guān)的上、下失效頻率[4-5]，對(duì)噪聲分析有效計(jì)算頻率范圍有影響，所以在建模時(shí)就要考慮。

上限失效頻率表達(dá)式：

下限失效頻率表達(dá)式：

式中：S—腔體截面積；l—腔體長(zhǎng)度；V—腔體體積。

根據(jù)汽車尾氣噪聲頻率范圍確定了一系列的消聲器模型腔體的直徑和其他尺寸[6]，在UG建立的幾何模型，如圖1所示。其中簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)消聲器的進(jìn)出口管長(zhǎng)度和直徑以及腔體直徑都分別為100mm、40mm、160mm；擴(kuò)張式、偏置式、直通管式腔體長(zhǎng)度都為280mm；雙腔式第一、二腔長(zhǎng)度分別為215mm、105mm，隔板有10個(gè)直徑為20mm的通氣孔；偏置式兩軸偏置50mm；直通式的穿孔小孔按正方形排列，孔徑為6mm，穿孔率為16%；HT0100-1型消聲器分為進(jìn)出口長(zhǎng)度和直徑及腔體直徑分別為50mm、62mm、180mm，第一、二、三腔長(zhǎng)度分別是 280、200、270，小孔孔徑為6mm，穿孔率為16%。

圖1 消聲器幾何模型Fig.1 The Model of Exhaust Muffler

2.2 網(wǎng)格劃分

從5種結(jié)構(gòu)的消聲器腔體內(nèi)抽取計(jì)算流體域，并在HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量直接決定了分析計(jì)算的速度和精度，因此必須同時(shí)考慮流場(chǎng)和聲場(chǎng)分析網(wǎng)格要求[7]。網(wǎng)格只要保證聲場(chǎng)分析要求即可完全滿足流場(chǎng)。消聲器的聲學(xué)分析在網(wǎng)格劃分中要求網(wǎng)格單元長(zhǎng)度小于等于最小聲波波長(zhǎng)的1/6，具體表述式（3）所示[8]：

流體一律設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下25℃的純凈空氣，根據(jù)汽車尾氣噪聲頻率范圍（通常在20Hz～3600Hz）計(jì)算出能確保計(jì)算精度的最大網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為15.7mm，綜合考慮后確定每個(gè)消聲器網(wǎng)格單元大小為6mm，完全滿足要求。

2.3 邊界條件

根據(jù)流體力學(xué)理論通過馬赫數(shù)和雷諾數(shù)Re確定了流體為不可壓縮、湍流流動(dòng)的流體[9]。背壓流場(chǎng)分析中采用RNGκ-ε湍流模型，湍流強(qiáng)度為10%；入口為速度進(jìn)口流速為60m/s的邊界；出口為以一個(gè)大氣壓力為參考的邊界；一系列消聲器的壁面光滑無滑移、流速為0。聲場(chǎng)分析中的邊界條件為：給聲學(xué)有限元模型定義包絡(luò)網(wǎng)格，并定義入口以單位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為邊界條件，出口設(shè)定無反射邊界條件。

3 排氣背壓流場(chǎng)分析

消聲器排氣背壓是流體流經(jīng)管道截面突變和管道彎曲處產(chǎn)生的脫體現(xiàn)象以及流體與管道粗糙壁面的摩擦等引起流體的能量損失，通常也稱壓力損失。它是消聲器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，表達(dá)了消聲器排氣過程流暢程度，通常背壓越小發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失越小、燃油經(jīng)濟(jì)性越好。式（4）為抗性消聲器排氣背壓經(jīng)驗(yàn)公式，排氣背壓與單位重量的動(dòng)壓頭成正比，從而與流體的流速密切相關(guān)[10]。

3.1 壓力分布

圖2 5種結(jié)構(gòu)的消聲器壓力分布云圖Fig.2 Pressure of Five Structure Mufflers

如圖2所示，從進(jìn)氣口到出氣口一系列消聲器的壓力都作逐漸遞減的變化趨勢(shì)，不同消聲器壓力變化梯度不一樣。此外在流體慣性力的作用下，壓力首先集中在流體壓力束中心，隨后再逐步向四周擴(kuò)散，因消聲器結(jié)構(gòu)不同它們的擴(kuò)散速度不盡相同，越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)擴(kuò)散越慢，壓力變化越大[12]。簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔式消聲器進(jìn)口平均壓力5110Pa，腔體內(nèi)部平均壓力為3465Pa，出口平均壓力為2215Pa，排氣背壓為2895Pa；偏置消聲器進(jìn)口平均壓力與出口平均壓力差距比較明顯，壓力損失比較嚴(yán)重，排氣背壓為4635Pa；雙腔式消聲器的氣流首先充滿第一腔后再通過隔板上的小孔進(jìn)入第二腔，壓力損失主要集中在隔板部位，排氣背壓為6642Pa；直通穿孔管式消聲器大部分氣流未進(jìn)入腔體內(nèi)，其平均排氣背壓只有974Pa；HT0100-1型消聲器為三腔消聲器，壓力變化梯度比較明顯，且每腔的壓力分布比較均勻，進(jìn)氣穿孔管在第二腔部位被堵住所以壓力比較大，排氣背壓為10212Pa。

3.2 速度分布

流速通過流動(dòng)狀態(tài)對(duì)消聲器排氣背壓產(chǎn)生影響。從消聲器速度云圖可知，簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔式流體進(jìn)入擴(kuò)張腔后一部分保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)幾乎未受到影響就排出，而有部分氣流受腔內(nèi)靜止低壓空氣的干擾向四周以噴射式擴(kuò)散開，并帶動(dòng)氣體產(chǎn)生渦流、漩渦等不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)；此外在空腔與出口管銜接處氣流發(fā)生急劇的收縮而速度大小和方向都發(fā)生了很大的變化，速度大小大約73m/s，在這些結(jié)構(gòu)處消耗了氣體的能量。偏置式消聲器輸出管與輸入管軸心偏置50mm，氣流進(jìn)入腔體后首先與腔體的壁面發(fā)生撞擊并回流，在腔體內(nèi)發(fā)生回流、渦流等劇烈而反復(fù)運(yùn)動(dòng)過程，至少發(fā)生兩個(gè)180°的大轉(zhuǎn)彎才排出腔外，產(chǎn)生了湍動(dòng)能而壓力損失嚴(yán)重；同理出口流速很大達(dá)到80m/s。雙腔式消聲器除了在空腔內(nèi)部進(jìn)出口處速度和壓力變化較大外，在隔板穿孔處有強(qiáng)烈的射流引起射流勢(shì)核能量，在第一、二腔內(nèi)會(huì)有漩渦和湍流等情況。直通穿孔管式消聲器速度差很小。對(duì)復(fù)雜消聲器進(jìn)口管并未與第二腔連通，氣流從小孔進(jìn)入第一腔。該消聲器速度變化梯度分明，基本上都在穿孔部位。

圖3 5種結(jié)構(gòu)的消聲器壓力分布及速度分布Fig.3 Pressure and Velocity of Five Structure Mufflers

分析結(jié)果表明：在25℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣以60m/s速度通過消聲器時(shí)，不同結(jié)構(gòu)消聲器發(fā)生不同程度的壓力消耗，主要發(fā)生在流速變化大，發(fā)生漩渦、湍流、回流的結(jié)構(gòu)；比如；流體通過截面突然擴(kuò)張或突然收縮（管孔、隔板孔、進(jìn)出腔體）時(shí)發(fā)生脫體噴射、流動(dòng)方向發(fā)生大幅度改變（回流）等分子間發(fā)生劇烈的碰撞而消耗流體運(yùn)動(dòng)能量。

4 消聲器聲場(chǎng)分析

4.1 背壓數(shù)據(jù)與聲學(xué)網(wǎng)格的映射關(guān)系

本節(jié)采用ANSYSCFX流場(chǎng)分析的排氣背壓作為聲學(xué)分析的聲源。首先將背壓網(wǎng)格數(shù)據(jù)以CGNS文件形式輸出，在LMS Virtual.Lab中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能被Acoustic FEM識(shí)別的CATAnalysis文件，將CFD網(wǎng)格上背壓數(shù)據(jù)與聲學(xué)網(wǎng)格建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，其數(shù)據(jù)傳遞具體流程，如圖4所示。最后更新聲學(xué)網(wǎng)格屬性，觀察其能確保計(jì)算精度的最小計(jì)算頻率是否大于等于3600Hz，如果是則進(jìn)行計(jì)算，否則重新調(diào)整。

圖4 背壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移映射流程Fig.4 Process of the Transfer Mapping of Back Pressure Data

4.2 排氣背壓對(duì)消聲量影響分析

變化的排氣背壓是通過改變消聲器出口流通截面來控制，經(jīng)過計(jì)算對(duì)比分析證明該方法對(duì)研究結(jié)果幾乎沒有影響具有可行性。幾種簡(jiǎn)單消聲器的進(jìn)出口管直徑都為40mm，面積為1256mm2，其流通截面為圓形。為更準(zhǔn)確的反映仿真分析結(jié)果，每種消聲器進(jìn)行十組不同截面不同背壓下的分析，出口截面積，如表1所示。對(duì)于HT0100-1模型同理可得，在此不再贅訴。

表1 出口截面積Tab.1 The Export of Cross-sectional Area

4.2.1 擴(kuò)張腔式消聲器

聲壓云圖表述的是消聲器排氣噪聲傳播方式、聲壓大小分布情況的一種表面現(xiàn)象視圖，只以擴(kuò)張式消聲器三種特殊頻率作為例子來說明。擴(kuò)張式消聲器最小背壓640Hz、1850Hz和2600Hz下的聲壓云圖，如圖5所示。它們各自是通過頻率、峰值頻率和失效頻率的代表。其中640Hz為通過頻率，消聲器消聲效果很差或者起不到消聲作用，消聲量大小為0.83dB；1850Hz為峰值頻率，消聲器消聲效果最好，消聲量大小為29.11dB，由圖可知這兩種頻率下的噪聲聲波以平面波的形式傳播，對(duì)計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。2600Hz為失效頻率，失效頻率處聲波不是以平面波的形式傳播，聲學(xué)方程的建立都是基于平面波理論，所以該頻率計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖5 擴(kuò)張式消聲器不同頻率聲壓分布Fig.5 The Sound Pressure of Different Frequency

隨著噪聲頻率增加消聲器傳遞損失曲線呈現(xiàn)波峰與波谷交替，并大約以640Hz為一個(gè)周期周期性地規(guī)律變化，在2540Hz處開始失效，如圖6所示。首先隨著排氣背壓增大，大約在（10～640）Hz低頻率段處消聲量表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，如該頻率段下在2.8kPa的平均消聲量為13.58dB，而327.3kPa的平均消聲量為10.85dB。其次消聲器的中心頻率往高頻處移動(dòng)，在低頻率段比較明顯但越往高頻率中心頻率的移動(dòng)越小，如2.6kPa、63.2kPa和327.3kPa對(duì)應(yīng)的峰值頻率分別為310Hz、320Hz和390Hz。從整個(gè)有效計(jì)算頻率上來看，隨著排氣背壓的增大消聲量整體隨之增加，且隨著頻率的升高增加的幅度越來越明顯，如當(dāng)背壓由2.8kPa增為68.6kPa時(shí)平均消聲量增加為11.39%，從68.6kPa增為337.6kPa時(shí)平均消聲量增加23.43%。

圖6 擴(kuò)張式消聲器不同背壓傳遞損失Fig.6 Transmission Loss of Expansion Muffler Under Different Back Pressure

4.2.2 偏置式消聲器

該消聲器進(jìn)出氣管偏置50mm，聲波要在腔體內(nèi)要經(jīng)過多次折射、反射和干涉，傳遞損失曲線作無規(guī)則變化，如圖7所示。大約在（600～1500）Hz處消聲量最好，平均消聲量為28.94 dB。同樣地在低頻率處隨背壓變大消聲量減小，在4.6kPa平均消聲量為21.47dB，在298kPa平均消聲量為18.53dB；沿著有效計(jì)算頻率隨著排氣背壓變大消聲量隨之增加，當(dāng)4.6kPa增為78.3kPa時(shí)平均消聲量增加5.42%，當(dāng)78.3kPa增為298kPa時(shí)平均消聲量增加8.33%，對(duì)比相同頻率段下每增加1kPa背壓增加的幅值可知，背壓對(duì)消聲量的影響隨背壓的增加有逐漸變小的趨勢(shì)。

圖7 偏置式消聲器不同背壓傳遞損失Fig.7 Transmission Loss of Interpolation Offset Muffler Under Different Back Pressure

4.2.3 雙腔隔板式消聲器

該消聲器根據(jù)了消聲器第一腔的通過頻率是第二腔峰值頻率的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，所以它的消聲量相對(duì)其他簡(jiǎn)單消聲器在相同背壓下的要高，如7.6kPa的最高消聲量達(dá)到109.51dB，尤其在（960～1620）Hz處消聲頻帶較寬效果最好，平均消聲量為49.45dB。從傳遞損失曲線不難看出，隨排氣背壓的變大，低頻率的消聲量總體變小，背壓從7.6kPa增為76.3kPa時(shí)平均消聲量降低12.07%，從76.3kPa增為336kPa時(shí)平均消聲量降低13.89%。但對(duì)于整個(gè)計(jì)算頻率內(nèi)消聲量是隨背壓的升高而增加的，背壓從7.6kPa增為76.3kPa時(shí)平均消聲量增加4.63%，從76.3kPa增為336kPa時(shí)平均消聲量增加12.6%，如圖8所示。

圖8 雙腔式消聲器不同背壓傳遞損失Fig.8 Transmission Loss of Double Cavity Plate Muffler Under Different Back Pressure

4.2.4 直通穿孔管式消聲器

穿孔管的消聲原理是將小孔與腔體組成了彈性系統(tǒng)，聲波在系統(tǒng)傳播會(huì)產(chǎn)生共振，引起空氣分子間的摩擦消耗聲能而達(dá)到降低噪聲的效果，人們常常將它看成共振消聲器。消聲器不同背壓下的傳遞損失曲線變化規(guī)律與擴(kuò)張式消聲器相差不大，但它們的消聲效果卻不一樣，相同背壓下后者比前者好，這就是穿孔管存在的消聲優(yōu)勢(shì)；它們?cè)诘?、中、高頻率處不同背壓下消聲量規(guī)律也基本相同，只是幅度不同。在低頻段背壓從0.9kPa增為66kPa時(shí)平均消聲量降低7.1%，從66kPa增為356.5kPa時(shí)平均消聲量降低8%，在中、高頻段背壓從0.9kPa增為66kPa時(shí)平均消聲量增大10.32%，從66kPa增為356.5kPa時(shí)平均消聲量增大30.2%，如圖9所示。

圖9 直通穿孔管消聲器不同排氣背壓下傳遞損失Fig.9 Transmission Loss of Straight-Through Perforated Pipe Muffler Under Different Back Pressure

4.2.5 復(fù)雜型消聲器

為能全面深入探究消聲器背壓與消聲量的聯(lián)系，本節(jié)引入了HT0100-1型消聲器。該消聲器的噪聲聲波在有效計(jì)算頻率上也是以平面波傳播的，低頻消聲效果差，中、高頻率消聲效果良好。同簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)消聲器一樣在低頻處隨排氣背壓的升高消聲量減小，從10.2kPa增為81.1kPa時(shí)平均消聲量降低20.11%，從81.1kPa增為322kPa時(shí)平均消聲量降低17.97%。總體上隨背壓升高消聲量變大，從10.2kPa增加為81.1kPa時(shí)平均消聲量增加13.02%，從81.1kPa增加為322kPa時(shí)平均消聲量增加18.9%，如圖10所示。

圖10 HT0100-1型消聲器不同背壓傳遞損失Fig.10 Transmission Loss of HT0100-1Muffler Under Different Back Pressure

在整個(gè)有效計(jì)算頻率范圍內(nèi)不同結(jié)構(gòu)式消聲器不同背壓下消聲量對(duì)比曲線，如圖11所示。由于噪聲在不同抗性消聲器中傳播路徑和方式的差異，一系列消聲器在不同背壓下的平均消聲量大小順序?yàn)?HT0100-1（27.58dB）＞雙腔隔板式（24.13dB）＞偏置式（23.32dB）＞直通穿孔管式（17.86dB）＞擴(kuò)張式（16.21dB），隨著排氣背壓的升高整體平均消聲量增加的幅值為擴(kuò)張式為17.4%、偏置式為7、雙腔隔板式為8.6%、直通穿孔管式為20.3%、HT0100-1型消聲器為15.6%；對(duì)于進(jìn)出口管、腔體尺寸大小基本相同的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)消聲器，雙腔隔板式曲線變化比較平緩且與偏置式有交點(diǎn)，直通穿孔管式與擴(kuò)張式變化規(guī)律相同。

圖11 消聲量對(duì)比曲線Fig.11 The Contrast Curve of Niose Eliminate

5 結(jié)論

（1）每一類消聲器變化的排氣背壓對(duì)消聲量是有影響的，隨著排氣背壓的升高它們的變化規(guī)律都表現(xiàn)為：在低頻率噪聲下的消聲效果變差，中高頻消聲效果好但隨噪聲頻率的升高這種趨勢(shì)變?nèi)酰虼嗽诘捅硥呵闆r下可以提高低頻率噪聲的消聲量。（2）在低頻段處隨背壓變大中心頻率向高頻方向移動(dòng)，但這種趨勢(shì)隨噪聲頻率越高中心頻率幾乎沒有移動(dòng)。（3）背壓對(duì)不同結(jié)構(gòu)消聲器的消聲性能影響程度不同，這是由于背壓升高后氣流會(huì)隨著消聲器結(jié)構(gòu)不同而做著不同劇烈復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，因此聲波發(fā)生不同程度的干涉、衍射、反射從而表現(xiàn)出不同的聲阻抗。