內(nèi)插錐管擴(kuò)張室消聲器消聲性能的仿真分析

黃澤好，袁光亮，譚章麒，劉 通

（重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

隨著汽車品質(zhì)的提高，對(duì)消聲器的性能也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的抗性消聲結(jié)構(gòu)往往都不能同時(shí)兼顧消聲器的聲學(xué)性能和氣流再生噪聲。所以，如何兼顧聲學(xué)性能與氣流再生噪聲成為消聲器設(shè)計(jì)的重要課題。錐管結(jié)構(gòu)因其具有良好的空氣動(dòng)力性能和聲學(xué)性能，越來越多的應(yīng)用到消聲器的設(shè)計(jì)中。然而錐管對(duì)消聲器性能的影響還缺乏規(guī)律性的了解，設(shè)計(jì)中存在盲目性，降低了消聲器的開發(fā)效率。為此已有學(xué)者開始了這方面的研究，Allam[1]等研究了錐形進(jìn)出口在柴油機(jī)后處理設(shè)備中的應(yīng)用及對(duì)氣流再生噪聲的影響。姜鵬明[2]等研究發(fā)現(xiàn)錐管對(duì)低頻噪聲有明顯抑制作用，且能有效減小氣流再噪聲。司斌[3]等研究發(fā)現(xiàn)錐管運(yùn)用于擴(kuò)張式消聲器中對(duì)傳聲損失曲線具有移頻、降幅、改善通過頻率處消聲性能的作用。

本文應(yīng)用聲學(xué)有限元法和流體力學(xué)方法通過數(shù)值計(jì)算與聯(lián)合仿真，對(duì)如圖1所示內(nèi)插錐管結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張室消聲器，建立聲學(xué)有限元模型和消聲器流場(chǎng)模型，對(duì)其進(jìn)行傳聲損失與氣流再生噪聲的仿真分析，歸納出內(nèi)插錐管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響關(guān)系，為提高內(nèi)插錐管在消聲器中的消聲效果提供參考與指導(dǎo)。

1 氣流再生噪聲的計(jì)算方法

一般假設(shè)聲源區(qū)的尺度遠(yuǎn)小于聲波波長，即所謂的緊致聲源[4]，這樣就可以不考慮各聲源的距離不同，只從單個(gè)聲源考慮其輻射特性。

根據(jù)Lighthill聲類比方程如式(1)：

等式(2)中：等號(hào)右邊三項(xiàng)為由低速氣流表面加速度引起單極子聲源項(xiàng)；由表面脈動(dòng)壓力引起的聲源偶極子聲源；高速流體紊流所產(chǎn)生的四極子聲源。

由于消聲器內(nèi)部的氣流流速在一般在30m/s～50m/s[6]，屬于低馬赫數(shù)范圍。同時(shí)消聲器管道與腔室截面的變化，壁面與氣流相互作用引起渦流而發(fā)聲[7]，所以在計(jì)算消聲器中的氣流再生噪聲時(shí)主要考慮偶極子噪聲。

2 仿真模型

如圖1所示，本文以內(nèi)插錐管擴(kuò)張室消聲器模型。在擴(kuò)張室結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變的條件下，內(nèi)插錐管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為錐度和錐管長度。

圖1 內(nèi)插錐管擴(kuò)張室消聲器三維模型

表1 內(nèi)插錐管擴(kuò)展室消聲器模型參數(shù)

本文應(yīng)運(yùn)Virtual.Lab Acoustic建立聲學(xué)有限元模型（如圖2所示），用于研究消聲器傳聲損失與氣流再生噪聲的傳播。聲場(chǎng)網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格大小將直接影響分析結(jié)果的誤差。對(duì)于線性有限元和邊界元模型，通常要求最大單元的邊長要小于最短波長的1/6。聲音在某流體介質(zhì)中傳播速度是c，某個(gè)線性單元的長度是L，那么這個(gè)單元計(jì)算到的最大頻率為[5]：

圖2 內(nèi)插錐管擴(kuò)展室消聲器聲學(xué)有限元模型

本文計(jì)算的最高頻率為5000Hz，聲速為340m/s，則單元長度不應(yīng)大于0.0113m。而本次計(jì)算聲學(xué)網(wǎng)格的最大邊長為6mm，網(wǎng)格量為132895，在滿足要求的同時(shí)也保證了計(jì)算精度。

通過對(duì)消聲器內(nèi)部流暢的分析，將得到氣流再生噪聲的聲源。所以建立了如圖3所示的流場(chǎng)模型。網(wǎng)格類型為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元大小設(shè)為4mm，網(wǎng)格量為289232。在進(jìn)行氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)湍流模型選為大渦模擬，所以通過y+理論，邊界層第一層的厚度為0.01mm。

圖3 內(nèi)插錐管擴(kuò)展室消聲器流體模型

3 錐管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳聲損失的影響

計(jì)算中流體介質(zhì)采用空氣，聲速c取340m/s，空氣密度ρ取1.225kg/m3。入口邊界條件在入口平面施加單位速度激勵(lì)，實(shí)部為-1m/s，虛部為0；出口邊界條件定義為全吸聲邊界，取聲阻抗實(shí)部 416.5kg/（m2s），虛部為0。計(jì)算步長取20Hz，頻率范圍為20Hz～5000Hz。

3.1 正反流內(nèi)插錐管的影響

如圖4所示為錐度分別為0、10/14、30/14，錐管長度為14mm的傳聲損失曲線與進(jìn)出口互換后的傳聲損失曲線。由圖可見，正反流內(nèi)插錐管的傳聲損失基本是一致的，說明在擴(kuò)張室消聲器中內(nèi)插錐管的方向并不會(huì)影響傳聲損失，與文獻(xiàn)[3]的結(jié)論相同。由文獻(xiàn)[6]擴(kuò)張室消聲器的高頻截止頻率為：，其中c為聲速，S為擴(kuò)張室橫截面面積。本文聲速為340m/s，擴(kuò)張室截面面積為0.02m2，高頻截止頻率為2933Hz。在高頻截止頻率以下，傳聲損失與直內(nèi)插管（錐度為0）擴(kuò)張室消聲器是一致的。在高頻截止頻率以上，擴(kuò)張室消聲器的消聲效果受到限制。由圖可見，因?yàn)閮?nèi)插錐管的存在，高頻截止頻率在小范圍內(nèi)發(fā)生變化。隨著錐度的增加，高頻截止頻率處的傳聲損失減小。

圖4 不同錐度內(nèi)插及錐管方向?qū)髀晸p失的影響

3.2 反流內(nèi)插錐管長度的影響

由上節(jié)結(jié)論可知錐管具有雙向傳聲特性，而消聲器中錐管的使用主要為反流插入，所以下面主要分析反流錐管插入。如圖所示，錐度保持不變，椎管長度為24mm的傳聲損失。由圖5可見，錐管長度的增加，在通過頻率800Hz與1800Hz處的傳聲損失增加，與直內(nèi)插管改善擴(kuò)張室消聲器部分通過頻率的理論分析是一致的，而錐度為20/28的內(nèi)插管擴(kuò)張室消聲與直內(nèi)插管消聲器的傳聲損失基本相同。但從圖可知大錐度管口60/24使內(nèi)插管擴(kuò)張室消聲器在通過頻率1800Hz處的消聲效果變差。

圖5 內(nèi)插錐管長度增加后對(duì)傳聲損失的影響

小錐度內(nèi)插管與直內(nèi)插管相比并沒有對(duì)擴(kuò)張室消聲器的傳聲損失有很大改變，而大錐度內(nèi)插管還會(huì)使內(nèi)插管消除部分通過頻率的效果變差。鑒于錐形管的對(duì)擴(kuò)展室消聲器傳聲損失影響有限，所以下面將對(duì)錐管在再生氣流噪聲中的影響進(jìn)行分析。

4 錐度對(duì)消聲器氣流再生噪聲的影響

排氣噪聲主要產(chǎn)生于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門產(chǎn)生的周期性壓力波。但是消聲器進(jìn)出口連接處截面的突然擴(kuò)大或縮小，引起空氣渦流會(huì)產(chǎn)生的氣流再生噪聲。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，氣流再生噪聲的影響也會(huì)凸顯[8]。而擴(kuò)張室消聲器中，錐管的應(yīng)用必將改變擴(kuò)張室消聲器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)而影響氣流再生噪聲。

4.1 不同錐度內(nèi)插管擴(kuò)張室消聲器的氣流再生噪聲

如圖6所示為錐度0、10/14、20/14、30/14反流內(nèi)插錐管擴(kuò)張室消聲器在入口流速為50m/s時(shí)的氣流再生噪聲。從圖中可以看出，錐管的存在大大降低了擴(kuò)張室消聲器在中高頻的寬頻氣流噪聲，但錐度為10/14與30/14的錐管在1900Hz左右氣流再生噪聲出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，說明錐度過大或過小都會(huì)不利于中高頻的消聲效果。

圖6 不同錐度內(nèi)插錐管擴(kuò)展消聲器氣流再生噪聲

4.2 不同氣流速度對(duì)氣流再生噪聲的影響

圖7分別為錐度0、10/14、20/14、30/14反流錐管插入擴(kuò)張室消聲器在不同進(jìn)口流速v（40m/s、50m/s和60m/s）情況下的氣流再生噪聲。

圖7 不同流速對(duì)內(nèi)插錐管擴(kuò)展室消聲器氣流再生噪聲的影響

從圖7(a)中可以看出，直內(nèi)插擴(kuò)張室在入口為40m/s與50m/s氣流速度下，氣流再生噪聲在800Hz以上幾乎一樣，而60m/s的流速的氣流再生噪聲則比50m/s的氣流再生噪聲大8dB左右。說明直管擴(kuò)張室消聲器對(duì)低流速的氣流再生噪聲影響較小，而對(duì)高流速的氣流再生噪聲較敏感。

從圖7(b)中可以看出，錐度為10/14的錐管口擴(kuò)張室在入口為50m/s與60m/s氣流速度下，氣流再生噪聲在幾乎一樣，而40m/s的流速的氣流再生噪聲則比50m/s的氣流再生噪聲小8dB左右。說明小錐度的錐管口擴(kuò)張室對(duì)高流速的氣流再生噪聲影響較小，而對(duì)低流速的氣流再生噪聲較敏感。

圖7(c)為錐度20/14的內(nèi)插錐管擴(kuò)展室消聲器的氣流再生噪聲，從圖中可以看出，氣流的變化對(duì)氣流再生噪聲影響較小。說明該錐度的錐管口對(duì)氣流敏感度較低。

圖7(d)為錐度30/14的錐管口消聲器的氣流再生噪聲，從圖中可以看出，氣流的變化對(duì)氣流再生噪聲影響較大。說明該錐度的錐管口對(duì)氣流敏感度較高。

5 結(jié)論

1）內(nèi)插錐管的方向并不會(huì)影響聲學(xué)傳聲損失，錐管具有雙向傳聲特性。

2）錐管長度不變，隨著錐度的增大，擴(kuò)張室消聲器截止頻率處的傳聲損失減小。

3）錐度不變，錐管長度增大，大錐度錐管長度將影響內(nèi)插管對(duì)擴(kuò)張室消聲器消除部分通過頻率的效果。

4）反流內(nèi)插錐管有利于降低擴(kuò)張室消聲器的氣流再生噪聲，內(nèi)插錐管比直內(nèi)插管擴(kuò)張室的氣流再生噪聲平均小10dB左右。

5）大錐度錐管氣流再生噪聲對(duì)氣流速度比較敏感，小錐度錐管氣流再生噪聲對(duì)低速氣流較敏感。

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