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    拖拉機(jī)抗性消聲器不同結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

    2017-12-16 02:49:12袁雪松聶更倪于海業(yè)
    農(nóng)機(jī)化研究 2017年4期
    關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)單元尾管聲學(xué)

    梅 盼,袁雪松,聶更倪,于海業(yè),張 強(qiáng)

    (吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,長春 130022)

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    拖拉機(jī)抗性消聲器不同結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

    梅 盼,袁雪松,聶更倪,于海業(yè),張 強(qiáng)

    (吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,長春 130022)

    拖拉機(jī)的柴油機(jī)排氣噪聲一般覆蓋高、中、低頻段,抗性消聲器主要通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元特性來降低噪聲,不同結(jié)構(gòu)單元對噪聲頻率具有選擇通過性。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,對抗性消聲器尾管長度、尾管偏角、尾管個數(shù)、內(nèi)插管及膨脹比等結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行仿真分析,并通過正交試驗(yàn)設(shè)計比較尾管個數(shù)、內(nèi)插管、膨脹比三因素對消聲器傳遞損失的影響大小。結(jié)果表明:尾管長度、尾管偏角對拖拉機(jī)柴油機(jī)抗性消聲器傳遞損失影響較小;尾管個數(shù)、內(nèi)插管、膨脹比對拖拉機(jī)柴油機(jī)抗性消聲器傳遞損失影響較大,但正交試驗(yàn)結(jié)果顯示三者之間的顯著性不明顯。

    拖拉機(jī);抗性消聲器;單元結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬

    0 引言

    我國拖拉機(jī)主要采用以柴油為燃料的內(nèi)燃機(jī)作為動力來源,柴油機(jī)的排氣噪聲一般覆蓋高、中、低頻段[1]??剐韵暺饕蚱浣Y(jié)構(gòu)簡單、消聲范圍寬、使用壽命高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于拖拉機(jī)用柴油機(jī)排氣噪聲控制。拖拉機(jī)的柴油機(jī)排氣噪聲是一種寬頻帶噪聲,抗性消聲器主要通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元特性來降低噪聲,不同結(jié)構(gòu)單元對噪聲頻率具有選擇通過性,因此抗性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元應(yīng)主要消除峰值頻率噪聲。本文通過對單腔膨脹式抗性消聲器不同聲學(xué)結(jié)構(gòu)單元特性的分析入手,運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法定性研究抗性消聲器不同結(jié)構(gòu)單元對消聲器降噪效果的影響。

    1 聲學(xué)性能評價指標(biāo)及數(shù)值模擬條件

    抗性消聲器是由若干不同聲學(xué)特性結(jié)構(gòu)單元聯(lián)結(jié)而成,主要包括膨脹腔、穿孔管、內(nèi)插管和穿孔板等[2]。其主要聲學(xué)性能評價指標(biāo)為傳遞損失,即消聲器進(jìn)氣入口與排氣出口相比較,管口輻射噪聲聲功率級的降低量即消聲量。

    隨著計算聲學(xué)和計算機(jī)能力的提高,使應(yīng)用二維和三維聲波理論研究抗性消聲器的聲學(xué)特性成為可能[3],聲學(xué)有限元法可以直接分析計算出所設(shè)計抗性消聲器在不同噪聲頻率上的傳遞損失。本文在對所設(shè)計抗性消聲器的數(shù)值模擬過程中,未考慮消聲器內(nèi)部流體傳熱的影響,重點(diǎn)模擬常溫下消聲器傳遞損失的變化規(guī)律[4]。對所設(shè)計抗性消聲器傳遞損失的模擬計算均以空氣作為入口流體,模擬溫度為20℃,空氣密度ρ=1.225kg/m3,聲速340m/s??剐韵暺鞯膫鬟f損失分析采用基于聲學(xué)有限元的商用軟件ACTRAN進(jìn)行數(shù)值模擬,將抗性消聲器的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ACTRAN VI中進(jìn)行傳遞損失分析。

    2 不同結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

    2.1 尾管長度對消聲器聲學(xué)性能的影響

    文獻(xiàn)[5]提出了抗性消聲器隨著尾管長度增長消聲器的消聲量會減少,但若繼續(xù)增加尾管長度會出現(xiàn)消聲器的消聲量增加的現(xiàn)象。傳統(tǒng)確定抗性消聲器排氣尾管的最佳長度的方法是用臺架試驗(yàn)確定,過程繁瑣、周期長,因此如能通過數(shù)值模擬方法驗(yàn)證這一結(jié)論,則對消聲器的設(shè)計可提供技術(shù)支持。

    單腔膨脹式抗性消聲器(圖1)傳遞損失TL為

    式中 m—膨脹比,m=S2/S1;

    k—波數(shù),k=2π/λ(1/m);

    l—膨脹室長度(m);

    λ—聲波在抗性消聲器內(nèi)氣體溫度下的波長(m)。

    圖1 單腔膨脹式抗性消聲器

    單腔膨脹式抗性消聲器的傳遞損失TL隨波長(即聲波的頻率)而變化。其中,TL取最大值時對應(yīng)的頻率稱為最佳衰減頻率fm,取零值時對應(yīng)的頻率稱為通過頻率fz,分別為

    (1)

    式中 n—1,2,3,…,整數(shù);

    c—瞬時聲速c=331.45+0.61t/℃(m/s);

    l—膨脹室長度(m)。

    當(dāng)所需的最佳衰減頻率已知時,根據(jù)式(1)可以求得膨脹室長度l為

    (2)

    以時風(fēng)ZS1105柴油機(jī)為研究對象,針對500Hz噪聲頻率所設(shè)計的抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示[6]。由式(2)確定消聲器膨脹腔的長度約為167mm,尾管長度L分別取值為50、75、100、125、150、200mm。圖3為所設(shè)計抗性消聲器在不同噪聲頻率上的傳遞損失。由圖3可知:發(fā)現(xiàn)所選取的6種尾管長度結(jié)構(gòu)單元的數(shù)值模擬曲線基本重合,尾管長度因素對所設(shè)計抗性消聲器的聲學(xué)性能影響較??;所設(shè)計抗性消聲器在噪聲頻率為500、1 500、2 500Hz左右出現(xiàn)傳遞損失峰值。這是因?yàn)榕蛎浨坏拈L度為500Hz噪聲頻率波長的1/4倍,當(dāng)噪聲聲波向前傳播時遇到膨脹腔內(nèi)壁產(chǎn)生“半波損失”現(xiàn)象,反射波與迎向波存在180°相位差,從而相互干涉抵消。數(shù)值模擬結(jié)果與根據(jù)式(2)單腔膨脹式抗性消聲器傳遞損失的計算結(jié)果相吻合,說明數(shù)值模擬分析具有可行性。

    比較不同尾管長度在500Hz頻率時的傳遞損失值,如圖4所示。由圖4可知:文獻(xiàn)[5]中所說抗性消聲器隨著尾管長度增長消聲器的消聲量減少,但繼續(xù)增加尾管長度消聲器的消聲量會增加。模擬結(jié)果表明,尾管長度對消聲器消聲量影響較小。故拖拉機(jī)用抗性消聲器設(shè)計時,尾管長度應(yīng)主要參照消聲器在拖拉機(jī)上的整體布置。

    圖2 抗性消聲器尾管不同長度結(jié)構(gòu)簡圖

    圖3 尾管不同長度結(jié)構(gòu)單元數(shù)值模擬結(jié)果曲線圖

    圖4 尾管不同長度結(jié)構(gòu)單元在500Hz時的消聲量

    2.2 尾管偏角對消聲器聲學(xué)性能的影響

    拖拉機(jī)主要作業(yè)于工況較為復(fù)雜的田地間,為避免消聲器排出的濃煙氣體對駕駛員視線帶來干擾,一般拖拉機(jī)消聲器排氣出口采用偏角設(shè)計。為研究消聲器排氣出口不同偏角對消聲器聲學(xué)性能的影響,設(shè)計了抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡圖(見圖5),并進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

    圖5 單腔膨脹式抗性消聲器尾管不同偏角結(jié)構(gòu)簡圖

    為研究尾管不同偏角對抗性消聲器聲學(xué)性能的影響情況,設(shè)計了θ取值分別為0°、45°、60°、90°,數(shù)值模擬曲線如圖6所示。其中,4種尾管偏角的數(shù)值模擬曲線基本重合,說明尾管偏角對消聲器的消聲量幾乎沒有影響;但是尾管偏角過大將造成柴油機(jī)排氣阻力增大,降低拖拉機(jī)的最大功率。因此,拖拉機(jī)用柴油機(jī)抗性消聲器設(shè)計時尾管偏角的選取應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。

    圖6 尾管不同偏角結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果曲線圖

    2.3 尾管數(shù)量對消聲器聲學(xué)性能的影響

    2.3.1 雙尾管聲場疊加理論

    聲波在抗性消聲器內(nèi)部沿管道傳播時,管道的截面突變將引起聲波產(chǎn)生反射現(xiàn)象[6]。由聲壓的疊加原理[7]可知:如果將雙尾管消聲器的兩個尾管看作兩個獨(dú)立聲源,則由兩個尾管發(fā)出的聲波在空間聲場形成兩個聲場的疊加。設(shè)有兩列聲波,聲壓分別為p1、p2,合成聲場聲壓為p,由聲場的三維波動方程,即

    (3)

    可知聲壓p1和p2也分別滿足聲波方程為

    (4)

    (5)

    因式(4)和式(5)均為線性方程,相加可得

    2(p1+p2)

    (6)

    聲學(xué)邊界條件為線性,可得

    p=p1+p2

    (7)

    則兩列聲波合成聲場的聲壓等于每列聲波聲壓之和。

    由聲波干涉現(xiàn)象[8]可知:如果兩個尾管作為兩個獨(dú)立聲源,在進(jìn)行聲場疊加時,同一空間位置上兩列聲波的頻段一致,就會在空間聲場中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。設(shè)有兩列相同頻率聲波,設(shè)L1和L2分別為兩個聲源到空間中某點(diǎn)的距離,則

    p1=P1cos(ωt-kL1)

    (8)

    p2=P2cos(ωt-kL2)

    (9)

    p=p1+p2=PTcos(ωt+θ0)

    (10)

    由于這兩列聲波的頻率相同,對空間固定位置兩列聲波的相位差Δθ=θ2-θ1恒為常數(shù),那么這兩列聲波就出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

    2.3.2 不同尾管數(shù)量消聲器數(shù)值模擬仿真

    抗性消聲器結(jié)構(gòu)及尺寸如圖7所示。其中,圖7(a)和圖7(b)尾管內(nèi)徑相同、尾管個數(shù)不同;圖7(b)和圖7(c)尾管個數(shù)相同、尾管內(nèi)徑不同,并且圖7(c)和圖7(a)出口管截面積相同;圖7(c)和圖7(d)尾管內(nèi)徑相同、尾管個數(shù)不同。

    圖7 單腔膨脹式抗性消聲器不同尾管數(shù)量結(jié)構(gòu)簡圖

    數(shù)值模擬仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

    圖8 雙尾管結(jié)構(gòu)中兩個尾管的消聲量曲線圖

    圖9 抗性消聲器不同尾管數(shù)量數(shù)值模擬曲線圖

    圖8為圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)中兩個尾管分別相對于進(jìn)氣口的傳遞損失。由兩條曲線完全吻合可知:對雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性。由圖9可知:圖7(a)單尾管和圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)在低噪聲頻率段傳遞損失曲線基本吻合。這是因?yàn)樵诘驮肼曨l率段,由于噪聲波長較長,消聲器內(nèi)部腔室空間有限,波與波之間的聲壓疊加和聲波干涉不明顯;但在高噪聲頻率段,由于噪聲波長較短,波與波之間的聲壓疊加和聲波干涉較為明顯,故而出現(xiàn)了圖7(a)和圖7(b)所示結(jié)構(gòu)在高噪聲頻率段傳遞損失不同的現(xiàn)象。在高噪聲頻率段,圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)在傳遞損失值大于15dB以上,具有更寬的頻率段,說明圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)相較于圖7(a)單尾管結(jié)構(gòu)在高頻率段具有更好的降噪效果。比較圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)和圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線可知:圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線在圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線之上。由此說明圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)的降噪效果明顯優(yōu)于圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)。這是由于在一定范圍內(nèi),膨脹比越大,消聲量越大[5];而圖7(c)雙尾管內(nèi)徑小于圖7(b)雙尾管內(nèi)徑,排氣出口處圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)的膨脹比m大于圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu),所以出現(xiàn)了圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線在圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線之上的現(xiàn)象。比較圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)和圖7(d)三尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線可知:在低噪聲頻率段兩種尾管類型結(jié)構(gòu)的傳遞損失曲線基本吻合;在高噪聲頻率段,三尾管結(jié)構(gòu)只有一個峰值,且峰值低于雙尾管結(jié)構(gòu)高噪聲頻率段峰值;但三尾管結(jié)構(gòu)在傳遞損失值為20dB以上具有更寬的頻率段,故三尾管結(jié)構(gòu)的選擇需要依據(jù)農(nóng)用柴油機(jī)的實(shí)際噪聲頻率特性曲線來確定。

    2.4 抗性消聲器雙尾管排布對聲學(xué)性能的影響

    如圖7(c)所示雙尾管中心距Δ=72.5mm,筆者采用圖7(c)所示雙尾管結(jié)構(gòu)模型,分別分析了雙尾管中心距Δ值為100、80、60、40mm的消聲器聲學(xué)性能情況,模擬結(jié)果如圖10所示。低噪聲頻率段不同中心距雙尾管數(shù)值模擬結(jié)果基本相同,高噪聲頻率段,隨著中心距Δ值的減小,高頻段峰值逐漸集中且峰值逐漸增大。結(jié)合圖7(a)中的數(shù)值模擬只有一個峰值的結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn):當(dāng)雙尾管中心距Δ逐漸減小時,消聲器高頻消聲量逐漸由兩個峰值轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€峰值。因此,在進(jìn)行拖拉機(jī)的柴油機(jī)抗性消聲器設(shè)計時,可結(jié)合柴油機(jī)實(shí)際噪聲頻率特性曲線,根據(jù)需要消除的實(shí)際噪聲頻率來確定雙尾管中心距Δ的值。

    圖10 雙尾管中心距對抗性消聲器傳遞損失影響曲線圖

    2.5 抗性消聲器內(nèi)插管結(jié)構(gòu)對聲學(xué)性能的影響

    為了比較1/4L(L為膨脹腔長度)內(nèi)插管結(jié)構(gòu)與無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)對單腔膨脹式抗性消聲器聲學(xué)性能的影響,設(shè)計了如圖11所示抗性消聲器結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬結(jié)果如圖12所示。由此發(fā)現(xiàn):1/4L內(nèi)插管結(jié)構(gòu)抗性消聲器高噪聲頻率段峰值向前轉(zhuǎn)移,并且最大傳遞損失值高于無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)單腔膨脹式抗性消聲器。這說明,內(nèi)插管這一單元結(jié)構(gòu)能夠明顯增加抗性消聲器的傳遞損失(消聲量)。因此,在進(jìn)行拖拉機(jī)抗性消聲器設(shè)計時應(yīng)采用內(nèi)插管結(jié)構(gòu)代替無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)。

    2.6 消聲器結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

    從上述對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):抗性消聲器中膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)3個結(jié)構(gòu)單元因素對消聲器傳遞損失產(chǎn)生較大的影響,因而針對膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)3個結(jié)構(gòu)單元因素設(shè)計了一個抗性消聲器三因素三水平正交試驗(yàn),因素水平如表1所示。所設(shè)計抗性消聲器主要視圖及參數(shù)如圖13所示。

    圖11 單腔膨脹式抗性消聲器內(nèi)插管結(jié)構(gòu)簡圖

    圖12 抗性消聲器有無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線圖

    水平A膨脹比mB內(nèi)插管長度C尾管個數(shù)19012131/4L23161/2L3

    L為膨脹室長度。

    圖13 抗性消聲器主要視圖結(jié)構(gòu)簡圖及參數(shù)

    選用L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)表進(jìn)行9組試驗(yàn),數(shù)據(jù)記錄見表2,正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理記錄見表3。

    表2 L9(34)正交試驗(yàn)

    表3 L9(34)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

    k1、k2、k3為平均值,R為極差。

    由表2可知:試驗(yàn)8所對應(yīng)的膨脹比為16、內(nèi)插管長度為1/4L、單尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對500Hz噪聲的消聲量(TL)最小,且僅為13.0dB;試驗(yàn)9所對應(yīng)的膨脹比為16、內(nèi)插管長度為1/2L、雙尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對500Hz噪聲的消聲量(TL)最大,達(dá)到25dB。由此可見,抗性消聲器不同的結(jié)構(gòu)單元組合對抗性消聲器的聲學(xué)性能具有很大的影響。

    從表3的因素列來看,抗性消聲器消聲量的最優(yōu)組合為A2B3C2,即膨脹比為13、內(nèi)插管長度為1/2L、雙尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對頻率為500Hz的噪聲的降噪效果最好。通過R值的大小可知:本試驗(yàn)所選取的3個因素相互間對抗性消聲器的消聲量顯著性不明顯,但內(nèi)插管長度因素相較于膨脹比和尾管個數(shù)影響較大。

    3 結(jié)論

    1)運(yùn)用聲學(xué)有限元法對抗性消聲器聲學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析,數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式所求結(jié)果吻合,說明運(yùn)用數(shù)值模擬的方法代替臺架試驗(yàn)具有可行性。數(shù)值模擬方法可以從多種方案設(shè)計中遴選出最優(yōu)方案,極大地降低了臺架試驗(yàn)勞動強(qiáng)度,節(jié)約了時間和成本。但數(shù)值模擬多為理想條件下的分析結(jié)果,考慮到實(shí)際應(yīng)用工況復(fù)雜,所設(shè)計出的抗性消聲器還需要通過試驗(yàn)來檢測具體的降噪效果。

    2)抗性消聲器尾管長度、尾管偏角結(jié)構(gòu)單元對消聲器聲學(xué)性能幾乎沒有影響,故在進(jìn)行拖拉機(jī)抗性消聲器設(shè)計時,可以主要考慮尾管長度和尾管偏角對拖拉機(jī)功率損失的影響和對拖拉機(jī)整體布局及駕駛員視線的影響。

    3)膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)等消聲結(jié)構(gòu)單元對抗性消聲器的傳遞損失產(chǎn)生較大影響。正交試驗(yàn)設(shè)計結(jié)果表明:1/2L內(nèi)插管長度降噪效果優(yōu)于1/4L內(nèi)插管長度,雙尾管優(yōu)于單尾管和三尾管結(jié)構(gòu)。因此,在拖拉機(jī)抗性消聲器設(shè)計時,可用1/2L內(nèi)插管長度結(jié)構(gòu)代替無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)和1/4L內(nèi)插管長度結(jié)構(gòu);可用雙尾管結(jié)構(gòu)代替單尾管結(jié)構(gòu)及三尾管結(jié)構(gòu),雙尾管結(jié)構(gòu)中心距可根據(jù)農(nóng)用柴油機(jī)具體的噪聲頻率特性來合理選取。

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    Keywords:tractor;reactivemuffler;structuralunits;numericalsimulation

    StudyonDifferentStructuralUnits’AcousticPerformanceinReactiveMufflerforTractor

    MeiPan,YuanXuesong,NieGengni,YuHaiye,ZhangQiang

    (CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130022,China)

    Theexhaustnoiseofadieselgenerallycoversthehigh,mediumandlowfrequencyband.Reactivemufflersmainlybaseonthecharacteristicofinternalstructuralunitstoreducenoise,whiledifferentstructuralunitshavetheselectivepassabilitytothenoisyfrequency.Thearticleusedthenumericalsimulationmethodtosimulatedandanalyzedthetailpipelength,thetailpipeangle,thenumberoftailpipe,insert-pipeandexpansionratioofthereactivemuffler.Thenitbasedontheorthogonalexperimentmethodtocomparetheeffectofthetransmissionlosswhichproducedbythenumberoftailpipe,insert-pipeandexpansionratio.Thestudyshowedthatthetailpipelength,thetailpipeangleaffectedlesstothetransmissionlossoftheReactiveMufflerforAgriculturalDieselEngine.Andthenumberoftailpipe,insert-pipe,andexpansionratioaffectedmore,buttheresultoftheorthogonalexperimentindicatedthatthesignificanceamongthethreeisnotobvious.

    2016-05-04

    國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375206);吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項(xiàng)(2013C035-2);吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(2014A45173)

    梅 盼(1992-),男,湖北蘄春人,本科生,(E-mail)mpanjlu@126.com。

    張 強(qiáng)(1968-),男,長春人,教授,博士,(E-mail)zhangqiang@jlu.edu.cn。

    S219.0

    A

    1003-188X(2017)04-0241-06

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