汽車消聲器聲學(xué)性能仿真分析與優(yōu)化

摘要： 基于傳遞導(dǎo)納和聲學(xué)有限元的相關(guān)理論，利用LMS Virtual Lab聲學(xué)軟件，仿真計算了消聲器的插入損失和傳遞損失，隨后通過在內(nèi)部隔板上增開小孔的方法對原消聲器進行了優(yōu)化，并分析了不同孔徑對消聲性能的影響。優(yōu)化結(jié)果表明，在消聲器隔板上開孔可以使消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能得到顯著提高，進而為消聲器的研發(fā)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

Abstract： Based on the transfer admittance and acoustic FEM theory， insertion loss and transmission loss of the vehicle muffler were analyzed with software LMS Virtual Lab. Then by perforating holes on the muffler baffle， the muffler was optimized， and the effect of different apertures on the muffler preference were analyzed. The optimization result show that perforating holes on the muffler baffle can improve the muffler performance at low frequency range significantly， which provided a theoretical basis for the design of the muffler.

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)納；插入損失；傳遞損失； 優(yōu)化

Key words： admittance；insertion loss；transmission loss；optimization

中圖分類號：TK411+.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）08-0171-04

0 引言

消聲器作為汽車排氣系統(tǒng)組成部分，作用十分顯著，消聲器的噪聲則是衡量消聲器品質(zhì)的主要指標之一。隨著汽車逐漸成為人們生活中的必需品，汽車的數(shù)量不斷增加，隨之而來的是道路擁堵、環(huán)境和噪聲污染等一系列問題。為了解決這些問題，國家也出臺了相應(yīng)的法規(guī)和政策對汽車產(chǎn)品能否進入市場進行了一定的限制。未來汽車的發(fā)展也將不斷趨于更加節(jié)能，更加環(huán)保。因此設(shè)計一款汽車消聲器，使其消聲性能能夠符合節(jié)能減排的主題，具有重要的意義。

工程上通常通過計算消聲器的傳遞損失和插入損失來評價一個消聲器性能的好壞。國內(nèi)對于消聲器消聲性能的分析起步較晚，尤其是對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的消聲器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于消聲器消聲性能有何影響，這些研究比較少。目前計算消聲器消聲性能的方法主要有傳遞矩陣法、有限元法和邊界元法等，傳遞矩陣法和邊界元法對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的消聲器具有一定的局限性，因此本文運用聲學(xué)有限元的方法，對當(dāng)前一款消聲器的傳遞損失和插入損失進行了計算，分析了它的消聲性能。并通過改變穿孔板小孔直徑的方法對消聲器的結(jié)構(gòu)進行了改進，有效提高了消聲器的消聲性能。

1 有限元模型

消聲器總成主要由三部分組成，分別是1號、2號和3號消聲器。其中1號消聲器是一個軸對稱結(jié)構(gòu)的諧振器，用來減小發(fā)動機排氣產(chǎn)生的額外噪聲；2號和3號消聲器是具有偏置內(nèi)插管結(jié)構(gòu)的抗性消聲器，這兩個消聲器消除了發(fā)動機排氣時所產(chǎn)生的大部分噪聲。消聲器的三維模型如圖1所示。

由于篇幅有限，本文主要對3號消聲器進行消聲性能的分析和優(yōu)化。3號消聲器的實物圖和二維CAD圖如圖2和圖3所示，其中出口管穿孔板處填充有玻纖棉等阻性吸聲材料，可以利用它的阻性吸聲原理，進一步降噪消聲。

將3號消聲器幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh進行網(wǎng)格劃分，得到如圖4所示的有限元模型。

2 確定穿孔板的阻抗

為了減少氣流的阻力，獲得良好的消聲效果，在消聲器的內(nèi)插管上襯裝了微穿孔板結(jié)構(gòu)。聲波通過微穿孔板時，能量得到衰減。但是在進行網(wǎng)格劃分和仿真計算時，這些微小孔使得網(wǎng)格劃分的工作變得非常困難，在小孔周圍的網(wǎng)格質(zhì)量會比較差。如果處理不當(dāng)，不僅會增加計算時間，而且還會降低結(jié)果的精度。為了節(jié)省時間和提高準確性，在消聲器穿孔板的內(nèi)外表面兩側(cè)定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系[2][3]，來模擬穿孔板兩側(cè)的這些小孔，從而在建模過程中忽略這些小孔。

下面介紹建立傳遞導(dǎo)納的方法。

2.1 傳遞導(dǎo)納的理論

傳遞導(dǎo)納可以模擬兩個流體區(qū)域之間的聲學(xué)傳遞，比如穿孔板或濾網(wǎng)，并建立起兩側(cè)流體區(qū)域之間振動速度和聲壓的線性關(guān)系，公式如下：

式中，vn1和vn2是穿孔板兩側(cè)的法向振動速度，p1和p2是穿孔板兩側(cè)的聲壓，？琢1、？琢2、？琢4和？琢5是傳遞導(dǎo)納系數(shù)，通常由發(fā)動機臺架試驗得到，如果穿孔板上小孔是正方形或正六邊形排列，那么這四個參數(shù)可由經(jīng)驗公式計算得到。？琢3和？琢6是由聲源引起的系數(shù)，一般為零[1]。

由傳遞導(dǎo)納相關(guān)理論[2-4]可知，傳遞導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù)，因此需先計算出穿孔板的阻抗。

如圖5所示，聲波通過穿孔板的阻抗為：

式中，當(dāng)穿孔板的厚度遠遠小于兩倍小孔直徑時，j2=-1。阻抗的實部Rp和Xp虛部可表示為：

式中，？著是穿孔板的穿孔率，？棕是角頻率，a是小孔半徑，？濁是流體的動態(tài)粘度， ？籽是流體的密度，？駐l是修正值。

對于不同類型的穿孔分布，如正四邊形、正六邊形、正矩陣交錯排列等，都有相應(yīng)的公式可以計算穿孔率？著。

3號消聲器的穿孔分布是正矩陣交錯排列方式，穿孔率的計算公式為：

式中，n為孔的個數(shù)，r為穿孔半徑，W為孔間間距，L為孔列間距。

根據(jù)上面一些公式可得傳遞導(dǎo)納？茁的計算公式：

式中，K為穿孔板圓管的內(nèi)徑與外徑之比。

2.2 3號消聲器的導(dǎo)納

3號消聲器有兩處穿孔板，分別布置在進口和出口的內(nèi)插管處。而出口內(nèi)插管外套著套管，兩者之間主要用于填充吸聲材料，因此這部分穿孔板可以封閉起來，不建立導(dǎo)納關(guān)系。綜上分析，3號消聲器導(dǎo)納關(guān)系的建立只針對與進口內(nèi)插管處，而進口內(nèi)插管穿孔板又可分為兩個地方，分別是進口前端（這里稱為1號穿孔板）和進口末端（這里稱為2號穿孔板）。

對3消聲器的尺寸進行測量，得到進口內(nèi)插管上 1號和2號穿孔板的尺寸參數(shù)。由消聲器實物可知， 1號和2號穿孔板都是正矩陣交錯排列方式，且小孔尺寸相同，因此采用同一組數(shù)據(jù)，如表1所示[5]。

其穿孔率η為

將表1的數(shù)值代入上述公式進行計算，可得1號和2號穿孔板的阻抗表，如表2所示。由于1號和2號穿孔板的尺寸參數(shù)和排列方式相同，因此它們的阻抗也相同。

3 確定邊界條件

確定邊界條件時，首先需要設(shè)置入口邊界和出口邊界。將3號消聲器進口處的單元選中，設(shè)置為入口邊界，出口處的單元選中，設(shè)置為出口邊界，如圖7所示。

然后，在出口邊界里定義消聲器的吸聲屬性。為了模擬聲波在出口處沒有反射的效果，在出口邊界里定義Absorbent Panel Property屬性，阻抗Zp的值為常量417。該值由阻抗公式計算得到：

最后設(shè)置入口邊界處質(zhì)點的振動速度，這里設(shè)置為v入=-1 m/s。

設(shè)置完上述一系列邊界條件后，便可在LMS Virtual Lab里進行仿真計算。

4 仿真結(jié)果分析

分別在入口邊界和出口邊界的內(nèi)插管中心處選取兩個數(shù)據(jù)測量點，提取得到進口和出口的聲壓[6]。

計算插入損失的公式為：

將數(shù)據(jù)測量點測得的聲壓值代入上面的公式，并利用Matlab繪制成曲線，得到3號消聲器的插入損失曲線，如圖8所示。

計算傳遞損失的公式為：

同理將數(shù)據(jù)測量點測得的聲壓值代入上面的公式，并利用Matlab繪制成曲線，得到3號消聲器的傳遞損失曲線，如圖9所示。

由圖8和圖9可以看出， 3號消聲器在抗性消聲方面，各個頻段比較均勻。

5 消聲器的優(yōu)化設(shè)計

由于3號消聲器進口內(nèi)插管上的穿孔率已經(jīng)很大，且分布范圍較廣，通過增加穿孔板小孔數(shù)量或者改變內(nèi)插管長度來進行優(yōu)化，意義不大。根據(jù)3號消聲器實物可知，消聲器隔板上沒有小孔，因此嘗試在隔板這里增加穿孔來觀察是否會對消聲器的消聲性能產(chǎn)生有利的影響。小孔數(shù)量為15個，小孔的直徑范圍從5 mm直到10 mm，遞增速率為1mm。經(jīng)過仿真計算，得到不同孔徑下消聲器的傳遞損失，如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著小孔直徑的逐漸增加，消聲器傳遞損失曲線的峰值漸漸地偏向高頻方向，且峰值也相應(yīng)地增加。而在115～165Hz低頻范圍內(nèi)，原消聲器的波峰為負值，表明在這個頻率范圍內(nèi)，消聲器無法起到消聲的作用，反而會出現(xiàn)擴音的不良影響，增加排氣噪聲。利用在消聲器隔板上進行穿孔對消聲器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，該頻段的波峰變?yōu)榱苏?，說明擴音作用消失，從而改善了消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能。

6 結(jié)論

通過對3號消聲器進行聲學(xué)性能仿真分析和優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

①原3號消聲器在115～165Hz低頻范圍內(nèi)的傳遞損失會出現(xiàn)負值，說明該判斷消聲器無法起到消聲的作用，反而會增加排氣噪聲，因此消聲性能不佳。

②通過在隔板上進行開孔進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使消聲器波峰由負值變?yōu)檎?，改善了消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能。隨著小孔直徑的不斷增大，傳遞損失曲線的峰值僅僅往高頻方向偏移了一點，峰值也不斷增大。雖然當(dāng)小孔直徑為 8 mm時，傳遞損失在高頻范圍內(nèi)的共振峰峰值較大，但是頻率范圍比較狹窄，因此優(yōu)化意義不大。

綜上可知，在消聲器隔板上開孔，能夠使消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能得到明顯改善。至于穿孔數(shù)量和直徑的選擇，則可以結(jié)合消聲器空氣動力性能和生產(chǎn)設(shè)計等相關(guān)因素進行選擇。

參考文獻：

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