結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)抗性消聲器性能影響分析

夏征盛

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是整車(chē)噪聲的重要來(lái)源，而排氣噪聲又是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的重要組成部分，其聲強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他來(lái)源，因此有效降低排氣噪聲，對(duì)整車(chē)降噪具有重要意義。而排氣噪聲最主要最直接的方法就是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口加裝消聲器，而其在降低排氣噪聲的同時(shí)，也增加了排氣阻力，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性產(chǎn)生一定的影響[1]。文獻(xiàn)[2]基于等效電路原理，將消聲器采用傳遞矩陣的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]研究認(rèn)為忽略溫度梯度的變化也會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的差異；文獻(xiàn)[4]嘗試用時(shí)域的方法來(lái)計(jì)算消聲器的消聲性能；文獻(xiàn)[5]利用三維有限元方法討論消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)和流場(chǎng)的分布對(duì)消聲器性能的影響。

基本消聲單元是消聲器的基本單元，其組合構(gòu)成了復(fù)雜的消聲器結(jié)構(gòu)。針對(duì)擴(kuò)張室消聲器中的抗性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)使用有限元軟件ANSYS，GAMBIT建立有限元模型，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)聲學(xué)軟件SYSNOISE和流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)基本抗性消聲單元的聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算與分析，分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器壓損強(qiáng)度和空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。

2 擴(kuò)張室消聲器結(jié)構(gòu)

管和室結(jié)構(gòu)是擴(kuò)張室消聲器的重要特征[6]，其消聲量為：

式中：ΔL—消聲量，dB；m—消聲器的擴(kuò)張比；k—波數(shù)，由聲波頻率決定；L—擴(kuò)張室的長(zhǎng)度，m。

由式（1）可知，當(dāng)正弦函數(shù)取最大值1時(shí)，取最大值，反之則最小，則，消聲器最大笑聲量頻率為：

其中，n=0，1，2，…。

當(dāng)消聲起不到消聲作用時(shí)，即其消聲量為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率可寫(xiě)作：

在擴(kuò)張室內(nèi)插管，可以解決此缺點(diǎn)，當(dāng)插入管長(zhǎng)度為l/2、l/4時(shí)，對(duì)應(yīng)的可以消除n為奇、偶數(shù)的情況[7]，綜合考慮，即可消除所有頻率，帶插入管的擴(kuò)張室消聲器結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。

由以上分析可知，消聲器的最大消聲量寫(xiě)作：

由式（4）可知，擴(kuò)張比m直接影響消聲量的大小，結(jié)合工程實(shí)際，其取值范圍為：5＜m＜20，一般取 9＜m＜16[8]。擴(kuò)張室的此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得其存在上下截止頻率，其上限截止頻率f上為：

式中：D—擴(kuò)張部分幾何尺寸。

由式（5）可知，D的取值越大，即擴(kuò)張室截面越大，則f上越小，整個(gè)消聲器的消聲頻率范圍越窄。

對(duì)于擴(kuò)張室消聲器而言，由于擴(kuò)張室和插入管的作用，整個(gè)系統(tǒng)可視為聲振系統(tǒng)[9]，其固有頻率為：

由式（6）可知，對(duì)于頻率與固有頻率接近的聲音頻率，會(huì)使得聲音加強(qiáng)，因此，消聲器的下限截止頻率必須大于，則下限截止頻率為：

式中：s2—連接管的截面積，m2；V—擴(kuò)張室的容積，m3；l—連接管的長(zhǎng)度，m；l1—擴(kuò)張部分的長(zhǎng)度，m。

3 消聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析

由式（1）可知，擴(kuò)張比m、擴(kuò)張室的長(zhǎng)度L是影響消聲器消聲量的重要參數(shù)?；贏NSYS建立其有限元模型，導(dǎo)入SYSNOISE中分析消聲器的傳遞損失。消聲器入口為速度激勵(lì)，出口為阻力條件，忽略壁面的吸收左右，統(tǒng)一設(shè)置為剛性面。

3.1 擴(kuò)張比m

此時(shí)，控制擴(kuò)張腔的長(zhǎng)度為固定值，分析張比對(duì)的影響。模型尺寸：連接管管徑D=200m，m為擴(kuò)張比；連接管長(zhǎng)度l=l1=300mm；擴(kuò)張室長(zhǎng)度L=1360mm；擴(kuò)張室管徑D2=200（mm）。

擴(kuò)張比m分別取4、9、16，理論計(jì)算得到各參數(shù)，如表1所示。

表1 消聲器各參數(shù)Tab.1 Muffler Parameters

可知，消聲器在fmax頻率處出現(xiàn)波峰，獲得了較大的消聲量，平均可達(dá)到7dB；在fmin頻率處出現(xiàn)波谷，幾乎沒(méi)有任何消聲量；總的來(lái)說(shuō)次消聲器在（50～1000）Hz的頻段內(nèi)都有比較好的消聲效果，而在30Hz一下的頻率內(nèi)消聲量急劇下降，主要是因?yàn)榇藚^(qū)域?yàn)橄暺鞯南孪藿刂诡l率范圍，此結(jié)構(gòu)消聲器對(duì)在這個(gè)頻率段的噪聲不起消聲作用。

3.2 擴(kuò)張室長(zhǎng)度L

此時(shí)，保證擴(kuò)張比m不變，分析擴(kuò)張腔長(zhǎng)度變化的影響，模型尺寸，如表2所示。

表2 模型尺寸Tab.2 Model Size

擴(kuò)張室長(zhǎng)度分別取100mm、150mm的消聲器在（1～5000）Hz范圍內(nèi)的消聲量。

擴(kuò)張室長(zhǎng)度為100mm的消聲器的消聲效果成周期性分布，最大消聲頻率也就是波峰出現(xiàn)在1100Hz、2500Hz、3900Hz以及4900Hz處，最小的消聲頻率也就是通過(guò)頻率出現(xiàn)在1800Hz、3500Hz、4400Hz處，在波峰處最大可達(dá)到平均為14dB消聲量。擴(kuò)張室長(zhǎng)度為1500mm的消聲器的消聲效果成周期性分布，最大消聲頻率也就是波峰出現(xiàn)在800Hz、1800Hz、2900Hz及3800Hz處，最小消聲頻率也就是通過(guò)頻率出現(xiàn)在1200Hz、2300Hz、3500Hz處，在波峰處最大可達(dá)到平均為14dB消聲量。

3.3 膨脹腔數(shù)量

保持其他參數(shù)不變，分析膨脹腔數(shù)量的影響。該模型尺寸與表2一樣，隔板加在擴(kuò)張室的中間。雙擴(kuò)張室消聲器的最大消聲量平均為32dB，最大消聲頻率為1500Hz和3500Hz，通過(guò)頻率為2600Hz和4300Hz。將分析結(jié)果和未加隔板的擴(kuò)張室消聲器相對(duì)比可知：（1）增加隔板之后的消音器的消聲量明顯增大；（2）有隔板的消聲器的消聲頻帶變寬，通過(guò)頻率變少。

3.4 有無(wú)內(nèi)插管

固定擴(kuò)張比m和擴(kuò)張室的長(zhǎng)度，在擴(kuò)張室進(jìn)出口處分別加裝插入管，對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)有限元分析，觀察內(nèi)插管對(duì)消聲器傳遞損失的影響，如圖1所示。

圖1 內(nèi)插管的影響Fig.1 Effect of Cannula on Transmission Loss

對(duì)比圖可以看出，不帶內(nèi)插管擴(kuò)張室消音器在頻率1200Hz、3500Hz處出現(xiàn)的波谷情況在安裝內(nèi)插管之后得到了改善，并且當(dāng)擴(kuò)張室消音器安裝內(nèi)插管之后，其最大消聲量提高到了25dB，總體來(lái)說(shuō)在安裝內(nèi)插管之后擴(kuò)張室消聲器整體表現(xiàn)得到提升。因此根據(jù)分析結(jié)果可以得出：（1）帶內(nèi)插管消聲器的消聲量明顯增大；（2）帶內(nèi)插管式消聲器的通過(guò)頻率得到改善。

4 消聲器空氣動(dòng)力學(xué)分析

消聲器的設(shè)計(jì)，是在滿(mǎn)足消聲量的需要的同時(shí)，保證功率損失最小，尋找最優(yōu)解。

4.1 不同擴(kuò)張比消聲器阻力特性分析

不同擴(kuò)張比擴(kuò)張室消聲器的阻力損失隨著擴(kuò)張比的增加而有所增加，但并不是一直增加的，但當(dāng)擴(kuò)張比到16時(shí)阻力損失又有所減少，如圖2所示?？傮w來(lái)說(shuō)不同擴(kuò)張比擴(kuò)張室消聲器的阻力損失相差不大，但阻力損失的基值比較大，是一種阻力損失相對(duì)比較大的消聲器結(jié)構(gòu)。

圖2 消聲器壓力云圖及進(jìn)出口壓力差Fig.2 Muffler Pressure Cloud Chart and Import and Export Pressure Difference

4.2 帶內(nèi)插管進(jìn)排氣阻力特點(diǎn)

本模型選擇擴(kuò)張比m=9的擴(kuò)張室型消聲器，擴(kuò)張室中有插入管，插入管長(zhǎng)度為0.25l和0.5l，分布在消聲器的入口處及出口處，消聲器空氣動(dòng)力性模擬圖形與結(jié)果，如圖3所示。從進(jìn)出口的壓力差數(shù)值可以看出，帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消音器的壓力損失明顯小了很多，通過(guò)觀察其速度矢量圖，發(fā)現(xiàn)這時(shí)流動(dòng)的空氣被限制在了管道里，所以在擴(kuò)張室部分產(chǎn)生的湍流明顯減少，所以對(duì)空氣流動(dòng)造成的阻力明顯降低了。所以在使用擴(kuò)張室消聲器時(shí)，最好加入內(nèi)插管，機(jī)能達(dá)到消聲效果，又不會(huì)產(chǎn)生大的空氣阻力。

圖3 空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果Fig.3 Aerodynamic Simulation Results

5 結(jié)論

針對(duì)擴(kuò)張室消聲器中的抗性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于有限元模型，對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)和空氣動(dòng)力性分析，并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳遞損失的影響，通過(guò)對(duì)比分析可知：（1）對(duì)于簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔，擴(kuò)張比對(duì)消聲量影響較大，消聲頻率取決于擴(kuò)張室長(zhǎng)度，隨著其增加，傳遞損失的帶寬卻隨之減少，反之則增加；（2）內(nèi)插管的布置，可以有效的抑制通過(guò)頻率；而膨脹腔與傳遞損失成正比，前者的增加，使得消聲頻率帶變寬；（3）對(duì)于擴(kuò)張室結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張比的大小對(duì)空氣阻力的影響不大，但總的來(lái)說(shuō)相對(duì)于其它消聲結(jié)構(gòu)，它所產(chǎn)生的空氣阻力比較大；對(duì)于加帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器，其空氣動(dòng)力性得到明顯的改善；（4）不同擴(kuò)張比擴(kuò)張室消聲器的阻力損失相差不大，但阻力損失的基值比較大，是一種阻力損失相對(duì)比較大的消聲器結(jié)構(gòu)；帶內(nèi)插管擴(kuò)張室消音器壓力損失明顯減小。