新型組合式抗性消聲器性能分析

陳永輝，王志剛，馬炳杰，閆超群，姜小熒，陳藝凡

（1.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室上海 201108；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所上海 201108）

現(xiàn)代化工業(yè)社會的今天，各種機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)造及使用為人類生活生產(chǎn)帶來了便利，但噪聲的危害也隨之而來，噪聲會對操作者造成危害，超過70 分貝的噪聲會讓人感到不舒服，長期暴露在噪聲超過90分貝的環(huán)境中會煩躁不安，頭暈?zāi)垦＃踔習(xí)?dǎo)致噪聲心血管疾病的發(fā)生[1]。

柴油機(jī)作為極其重要的原動(dòng)力設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種重型交通運(yùn)輸機(jī)械中，如大型客運(yùn)列車、推土機(jī)、重型卡車、礦卡等。由于柴油機(jī)內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，噪聲源并非單一聲源，而是多聲源耦合的噪聲源，其中柴油機(jī)排氣噪聲輻射量約占總噪聲輻射量的三分之一。消聲器是降低排氣噪聲的有效技術(shù)手段，它可用來抑制排氣輻射噪聲，降低柴油機(jī)噪聲污染，減少高噪聲對操作者的侵害，提高操作環(huán)境的舒適性[2]。

印度學(xué)者Easwaran 等[3]利用平面波理論確認(rèn)了圓柱膨脹腔比錐形膨脹腔的消聲性能更加優(yōu)異。張海軍等[4-5]對分流對沖結(jié)構(gòu)排氣消聲器進(jìn)行了特性研究，證明了分流對沖結(jié)構(gòu)在排氣阻力損失上具有良好的空氣運(yùn)動(dòng)性能。鄭帥等[6]基于Fluent 對礦用汽車消聲器內(nèi)部流場和聲場分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法應(yīng)用于消聲器分析的可靠性。

本文提出基于穿孔管、分流對沖結(jié)構(gòu)及膨脹腔組合的一種新型組合式抗性消聲器，首先對其過渡管、對沖孔、內(nèi)插管結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出8個(gè)具體結(jié)構(gòu)的消聲器，然后利用FLUENT、COMSOL數(shù)值仿真軟件分析其內(nèi)部流場分布特性及消聲頻率分布特性，獲得新型組合式抗性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異下的壓力損失特性及消聲特性，最后利用實(shí)驗(yàn)臺架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 新型消聲器設(shè)計(jì)及原理

1.1 新型消聲器設(shè)計(jì)

新型組合式抗性消聲器為直通穿孔管、過渡管、對沖結(jié)構(gòu)和膨脹腔四部分組成的直圓管式抗性消聲器。消聲器消聲結(jié)構(gòu)總長960 mm，直通穿孔管結(jié)構(gòu)長260 mm，過渡管結(jié)構(gòu)長100 mm，對沖結(jié)構(gòu)長400 mm，膨脹腔結(jié)構(gòu)長200 mm，消聲器最大管徑為300 mm，入口、出口管徑為120 mm，其中對沖孔喉管長35 mm，截面積為2 827 mm2，其他具體尺寸如圖1所示。

新型組合式抗性消聲器由多聲學(xué)單元組合而成，各個(gè)聲學(xué)單元具體結(jié)構(gòu)會對整體阻力及聲學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響[7]。根據(jù)該消聲器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)圓形過渡管、錐形過渡管、方形對沖孔、圓形對沖孔、有內(nèi)插管、無內(nèi)插管的1～8號消聲器，其中圓形、錐形過渡管和方形、圓形對沖孔中其總長度和通流面積相同，具體型號及差異如表1所示。

表1 消聲器具體型號結(jié)構(gòu)

1.2 新型消聲器原理

如圖1 所示，新型組合式抗性消聲器箭頭方向?yàn)闅饬髁飨颍@也代表了聲波從消聲器入口到出口傳遞的過程，氣流從入口管進(jìn)入直通穿孔管，穿孔管起到一個(gè)很好的導(dǎo)流的作用，減少氣流的壓力損失，而聲波經(jīng)過穿孔管時(shí)穿過小孔進(jìn)入膨脹腔然后在膨脹腔內(nèi)來回反射實(shí)現(xiàn)消聲；氣流繼續(xù)流動(dòng)在過渡管處被導(dǎo)流進(jìn)入對沖結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔，通過對沖孔對沖后，氣流速度降低，最后通過膨脹腔流出，而聲波在過渡管、對沖結(jié)構(gòu)及膨脹腔不連續(xù)的截面下會產(chǎn)生阻抗失配，導(dǎo)致部分聲波反射回聲源或在消聲器內(nèi)部來回反射，阻礙聲波能量向下游傳播，從而實(shí)現(xiàn)消聲。

圖1 新型組合式抗性消聲器設(shè)計(jì)圖

2 性能計(jì)算及分析

2.1 壓力損失計(jì)算

2.1.1 理論概述

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）是一種利用計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)流動(dòng)現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具[8]。對于消聲器流場數(shù)值模擬采用Boussinesq 渦旋黏性假設(shè)，使得問題的求解得到很大的簡化，又能比較真實(shí)地反映流動(dòng)過程。流體的計(jì)算中遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

利用HYPERMESH 軟件對1～8 號消聲器的內(nèi)部流體域進(jìn)行提取，劃分有限元網(wǎng)格，以1號消聲器為例，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為10 mm，5層邊界層網(wǎng)格，對于穿孔管及過渡管局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，網(wǎng)格數(shù)量為6 185 735，如圖2為1號消聲器氣動(dòng)網(wǎng)格模型示意圖。

圖2 1號消聲器氣動(dòng)網(wǎng)格模型

2.1.3 邊界條件設(shè)置

通過FLUENT軟件仿真氣流流進(jìn)消聲器內(nèi)部的流動(dòng)情況，假定流體為理想流體，無密度變化及無熱量交換，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計(jì)算模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型計(jì)算量適中且精度較高能夠滿足本研究要求，邊界條件設(shè)定如下：

（1）消聲器入口氣流流速已知，馬赫數(shù)小于0.3，可看成不可壓縮流體，故入口邊界設(shè)為速度入口（Velocity-inlet），設(shè)定氣流入口速度。

（2）消聲器出口與大氣直接相通，即出口壓力為大氣壓，故消聲器出口邊界設(shè)為壓力出口（Pressureoutlet），設(shè)定出口壓力為大氣壓力，即0 Pa。

（3）消聲器壁面默認(rèn)為靜止無滑移的邊界條件。

求解器類型采用基于壓力的耦合求解器，采用SⅠMPLE 算法求解控制方程，初始化后設(shè)定迭代步數(shù)進(jìn)行流場分析計(jì)算。

2.1.4 計(jì)算結(jié)果

消聲器通過氣動(dòng)仿真計(jì)算，得到入口流速為15 m/s 及30 m/s 速度下中心截面的壓力分布圖及湍動(dòng)能分布圖，圖3 為消聲器壓力分布云圖、圖4 為消聲器湍動(dòng)能分布云圖所示。

圖3 消聲器壓力分布云圖

圖4 消聲器湍動(dòng)能分布云圖

2.2 聲學(xué)性能計(jì)算

2.2.1 理論概述

消聲器傳遞損失的計(jì)算主要有理論解析法和數(shù)值計(jì)算法，數(shù)值計(jì)算法相對于理論解析法能夠更準(zhǔn)確和方便地求解出消聲器傳遞損失。COMSOL Multiphysics 的聲學(xué)模塊中通過求解線性化勢流方程，線性歐拉方程或線性Navier-Stokes 方程來實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)聲學(xué)的分析和模擬，該方法在聲學(xué)領(lǐng)域、應(yīng)用廣泛。故本文采用COMSOL 軟件進(jìn)行消聲器傳遞損失數(shù)值仿真計(jì)算。

2.2.2 聲學(xué)網(wǎng)格劃分

有限元聲學(xué)分析中，為了保證聲學(xué)分析準(zhǔn)確可靠，聲學(xué)網(wǎng)格單元長度要小于等于最小聲波波長的1/6，即：

由于柴油機(jī)振動(dòng)噪聲頻率主要分布在中低頻，故針對3 000 Hz以下噪聲頻率進(jìn)行分析。由聲學(xué)網(wǎng)格公式可得最大網(wǎng)格單元長度不能超過19 mm。利用Hypermesh軟件對1～8號消聲器流體域提取后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以1號消聲器為例，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為10 mm，對于穿孔管及過渡管局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，共生成2 949 532 個(gè)網(wǎng)格，如圖5為1號消聲器聲學(xué)網(wǎng)格模型示意圖。

圖5 1號消聲器聲學(xué)網(wǎng)格模型

利用COMSOL 軟件中的壓力聲學(xué)頻率模塊進(jìn)行消聲器的傳遞損失數(shù)值模擬計(jì)算。將劃分好的聲學(xué)網(wǎng)格導(dǎo)入，流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，在消聲器進(jìn)、出口邊界設(shè)置平面輻射條件，再對進(jìn)口邊界設(shè)置壓力幅值為10 Pa 的平面波入射壓力場，求解步長為10 Hz，求解范圍為10 Hz～3 000 Hz，求解得到消聲器的傳遞損失結(jié)果如圖6所示。

圖6 消聲器傳遞損失數(shù)值計(jì)算

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 壓力損失結(jié)果分析

根據(jù)流體數(shù)值仿真計(jì)算，得到的八個(gè)消聲器在兩種風(fēng)速下的壓力損失，見表2所示。

表2 不同風(fēng)速下消聲器損失/Pa

圖7為15 m/s和30 m/s風(fēng)速下消聲器的壓力損失仿真結(jié)果對比折線圖。兩種風(fēng)速下消聲器的壓力損失在趨勢上基本保持一致，風(fēng)速越大，壓力損失的差別就越明顯。壓力損失分布云圖中可發(fā)現(xiàn)消聲器壓力總體分布逐漸減少，氣流在直通穿孔管壓力損失并不明顯，主要的壓力損失集中在過渡管、對沖結(jié)構(gòu)和膨脹腔；壓力分布云圖中可發(fā)現(xiàn)無插入管的膨脹腔內(nèi)主流流束形狀相比于有插入管的膨脹腔更加扭曲，且壓強(qiáng)降低更顯著；在湍流分布云圖中可發(fā)現(xiàn)無插入管的膨脹腔內(nèi)氣流流束有明顯的偏離主流的發(fā)散，特別是在膨脹腔中后段的空間有較強(qiáng)的湍流分布，而有插入管的膨脹腔氣流流束具有較好收束形狀進(jìn)入消聲器出口；這是因?yàn)闊o插入管的導(dǎo)流作用，使氣流進(jìn)入膨脹腔時(shí)局部氣流離開主流，在膨脹腔外環(huán)區(qū)域發(fā)生卷吸，或碰撞膨脹腔壁面，產(chǎn)生很大的局部能量損失。

圖7 兩種風(fēng)速下消聲器壓力損失仿真結(jié)果

根據(jù)圖7 可知有無內(nèi)插管對壓力損失影響最大，無內(nèi)插管消聲器（1、3、5、7號消聲器）壓力損失明顯比有內(nèi)插管消聲器（2、4、6、8號消聲器）壓力損失大。過渡管形狀和對沖孔形狀在15 m/s風(fēng)速時(shí)壓力損失差別較小，在30 m/s風(fēng)速時(shí)壓力損失差別較大，且方形對沖孔消聲器（1、2、5、6號消聲器）比圓形對沖孔消聲器（3、4、7、8號消聲器）壓力損失??；錐形過渡管消聲器（1、2、3、4號消聲器）比圓形過渡管消聲器（5、6、7、8號消聲器）壓力損失小。

2.3.2 消聲性能結(jié)果分析

根據(jù)圖6 可知，該組合式消聲器在300 Hz 以下的低頻段消聲效果較差；300 Hz～1 300 Hz 的中低頻段具有良好的消聲效果，且通過頻率現(xiàn)象得到很好抑制；高頻段上出現(xiàn)多次的消聲峰，但也出現(xiàn)通過頻率的現(xiàn)象，該頻段內(nèi)也具有一定的消聲效果。在消聲效果差別上，有無插入管的影響最大。有插入管時(shí)消聲器的有效消聲量有所提高且有效消聲頻率有所前移；1號消聲器平均消聲量為32.35 dB，2號消聲器平均消聲量為36.58 dB，平均消聲量增加13.08%；3 號消聲器平均消聲量為32.27 dB，4 號消聲器平均消聲量為36.56 dB，平均消聲量增加13.98%；5 號消聲器平均消聲量為33.11 dB，6 號消聲器平均消聲量為37.55 dB，平均消聲量增加13.41%；7 號消聲器平均消聲量為33.11 dB，8 號消聲器平均消聲量為37.51 dB，平均消聲量增加13.29%。有插入管的2、4、6、8號消聲器在300 Hz～760 Hz頻段具有較好的消聲效果，在620 Hz左右出現(xiàn)最高消聲峰值，而2、4 號錐形過渡結(jié)構(gòu)消聲器在680 Hz再次出現(xiàn)第二個(gè)消聲峰值。無插入管消聲器在340 Hz～760 Hz 具有較好的消聲效果，1 號、3 號錐形過渡結(jié)構(gòu)消聲器在680 Hz 左右出現(xiàn)最高消聲峰值，而5 號、7 號圓形過渡管結(jié)構(gòu)消聲器呈現(xiàn)出較為平滑的消聲曲線。整體上來看該組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的消聲器具有一個(gè)寬頻的消聲效果，特別是在中低、頻段消聲性能更好，再通過對比分析，可發(fā)現(xiàn)2、4、6、8號消聲器總體上消聲性能較好，中低頻消聲性能上2號消聲器＞4號消聲器＞6號消聲器＞8號消聲器，高頻消聲性能上6 號消聲器＞8 號消聲器＞2 號消聲器＞4號消聲器。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

經(jīng)過數(shù)值仿真計(jì)算對比分析，2號消聲器同時(shí)具有較好的壓力損失與消聲性能，綜合考慮成本因素，制造2號消聲器樣機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

利用消聲器測試平臺，對消聲器壓力損失及聲學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖8 所示，測試系統(tǒng)包括高壓風(fēng)機(jī)裝置、揚(yáng)聲器、連接管、出口接管、變頻控制箱、功率放大器、B&K采集儀、B&K傳聲器等。

圖8 消聲器測試平臺

壓力損失測試中，調(diào)節(jié)變頻控制箱的頻率，控制高壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制消聲器入口風(fēng)速分別為15 m/s、30 m/s。利用手持壓差計(jì)分別在測試孔1及測試孔2測量出消聲器的入口壓力和出口壓力。為了減少測量誤差，壓力測量采用多點(diǎn)測量法，壓力測量點(diǎn)分布如圖9 所示。由于壓力測量時(shí)，壓力數(shù)值會出現(xiàn)波動(dòng)，所以在測量過程中待數(shù)值基本穩(wěn)定后取中間值為測量點(diǎn)壓力，最后將5 點(diǎn)測量壓力再次平均后視為消聲器氣流壓力。

圖9 壓力測量點(diǎn)分布

消聲性能測試中，采用兩負(fù)載法測量消聲器傳遞損失[9]，測試原理如圖10所示，具體布置如圖8（c）所示。在消聲器入口端布置1、2 號傳聲器，間距為L12，消聲器出口端布置3、4 號傳聲器，間距為L34。采集兩種不同長度出口接管下的數(shù)據(jù)，經(jīng)過MATLAB 編程傳遞函數(shù)計(jì)算獲得消聲器試驗(yàn)傳遞損失量。

圖10 兩負(fù)載法測試原理示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)測量，2號消聲器仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析如下。

根據(jù)表3可知，風(fēng)速為15 m/s時(shí)，計(jì)算值與測試值的相對誤差為1.72%，而風(fēng)速為30 m/s時(shí)，計(jì)算值與測試值的相對誤差為3.39%，主要是因?yàn)轱L(fēng)速越大，風(fēng)速波動(dòng)就越大，測量誤差也就越大，但是計(jì)算值與測試值的相對誤差都不超過5%，說明了CFD數(shù)值仿真計(jì)算在新型組合式抗性消聲器壓力損失研究上具有有效性。

圖11為2號消聲器傳遞損失的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比。圖12表明，試驗(yàn)測試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果在傳遞損失曲線上基本吻合，出現(xiàn)偏差的主要原因是：數(shù)值仿真中消聲器理想簡化處理的影響，如介質(zhì)為理想空氣，壁面為光滑剛性；消聲器在實(shí)際生產(chǎn)制造中存在尺寸誤差及加工粗糙度問題；此外在測試中也存在測試誤差。通過2號消聲器消聲性能對比驗(yàn)證，可以得出，利用COMSOL 軟件對新型組合式抗性消聲器進(jìn)行傳遞損失數(shù)值仿真計(jì)算較為準(zhǔn)確。

圖11 2號消聲器傳遞損失的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)語

針對不同差異結(jié)構(gòu)的新型組合式抗性消聲器進(jìn)行阻力損失及消聲性能分析得出以下結(jié)論。

（1）在多個(gè)消聲器對比研究中，數(shù)值仿真計(jì)算能較大地減少研究時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本，且數(shù)值仿真計(jì)算能夠更好地控制誤差變量，反饋不同個(gè)體之間的差別。

（2）通過對八種差異結(jié)構(gòu)消聲器研究發(fā)現(xiàn)，對這些消聲器性能影響最大的是有無插入管，有插入管能夠優(yōu)化該消聲器內(nèi)部流場分布降低壓損，具有更低頻的吸聲效果及更好的消聲性能。過渡管結(jié)構(gòu)與對沖孔結(jié)構(gòu)差別對該消聲器壓力損失影響差別并不大，但在聲學(xué)性能上錐形過渡管結(jié)構(gòu)具有更好的性能。

（3）該新型組合式消聲器通過直通穿孔管、過渡管、對沖結(jié)構(gòu)及膨脹腔抗性結(jié)構(gòu)的組合，再對其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該組合式抗性消聲器具有良好的壓力損失及寬頻的消聲性能。