結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能影響的數(shù)值分析

1、設(shè)計(jì)研究汽車科技第1期2010年1月結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能影響的數(shù)值分析徐磊1，2，劉正士1，2，畢嶸1，2（1合肥工業(yè)大學(xué)噪聲與振動(dòng)工程研究所，合肥230009；2安徽省汽車NVH 與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230009）摘要：擴(kuò)張式消聲器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉消聲性能良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲控制，為對(duì)其消聲性能進(jìn)行深入分析，應(yīng)用有限元數(shù)值仿真方法，詳細(xì)討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響。關(guān)鍵詞：擴(kuò)張式消聲器；消聲性能；有限元法；結(jié)構(gòu)參數(shù)中圖分類號(hào)：U464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052550（2010）01002604The Numerical Analysis on

2、the Effect of Structural Parameters upon the AcousticAttenuation Performance of Expansion MufflersXU Lei 1，2，LIU Zhenshi1，2，BI Rong 1，2（1ISVR，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ；2KeyLaborary of Automotive NVH and Reliability of Anhui Province ，Hefei 230009，China ）Abstract ：Expansion

3、Mufflers which have a good acoustic attenuation performance simple structure low cost and so on ，are widely used in internal combustion engines intake and exhaust noise controlsIn order to indepthunderstanding of itsacoustic attenuation performance ，this paper discusses the effect of the structural

4、parameters on the basis of finite ele-ment methodKey words ：expansion mufflers ；acoustic attenuation performance ；finite element method ；structural parameters擴(kuò)張式消聲器是抗性消聲器最常用的結(jié)構(gòu)形式3，主要用于消減中低頻噪聲，廣泛應(yīng)用于汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲控制。因此研究和分析擴(kuò)張式消聲器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其消聲性能的影響，掌握其消聲特性，對(duì)消聲器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。目前，對(duì)消聲器的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、傳遞矩陣法、數(shù)值仿真

5、方法等。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，仿真方法因其速度快、精度高、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要方法4。鑒于有界空間聲學(xué)仿真問題，有限元法比邊界元法具有更高的計(jì)算精度和求解穩(wěn)定性5，具有更高的運(yùn)算效率6，為全面了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能的影響，本文運(yùn)用有限元數(shù)值計(jì)算方法，討論各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其消聲性能的影響。道橫斷面的擴(kuò)張和收縮引起的聲波反射與干涉來進(jìn)行消聲的3。擴(kuò)張式消聲器是由管和室兩種基本元件組成的，聲波在管道中傳播時(shí)，橫斷面的突變會(huì)引起聲波傳播方向的改變，使透射聲波減弱，從而達(dá)到消聲目的。單節(jié)擴(kuò)張室的消聲量可以用下式計(jì)算2：（1）TL 10lg111m sin 22L式

6、中，m 表示擴(kuò)張比；L 表示擴(kuò)張室長(zhǎng)度；表示波長(zhǎng)。根據(jù)（1）式可求得單節(jié)擴(kuò)張室的最大消聲頻率為：#2$f c 4L n 1c 1（2）單節(jié)擴(kuò)張室的通過頻率為：f t （3）1擴(kuò)張式消聲器的消聲原理擴(kuò)張式消聲器也稱為膨脹式消聲器，是利用管式中，L 表示擴(kuò)張室長(zhǎng)度；c 表示聲速；n 1。23擴(kuò)張式消聲器的高頻失效頻率公式道）為：（圓形管收稿日期：2009-06-14基金項(xiàng)目：國(guó)家863基金項(xiàng)目（2006AA110101）f s 122c （4）結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能影響的數(shù)值分析徐磊，劉正士，畢嶸設(shè)計(jì)研究式中，c 表示聲速；d 表示管道直徑。20m =4m =6m =9221擴(kuò)張式消聲器的

7、有限元數(shù)值分析有限元數(shù)值分析步驟傳遞損失/d B15建立幾何模型建立有限元模型計(jì)算傳遞損失22傳遞損失的計(jì)算7消聲器的傳遞損失只與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，不受聲源特性和尾管輻射特性的影響，是消聲器研究中最常用的性能指標(biāo)。在消聲器進(jìn)出口滿足平面波條件時(shí)傳遞損失表達(dá)式為：1050050010001500頻率/Hz200025003000圖1擴(kuò)張比對(duì)消聲性能的影響32W i p 20lgi t t（5）擴(kuò)張室長(zhǎng)度對(duì)消聲性能的影響由圖2可見，隨著擴(kuò)張室長(zhǎng)度的增加，其通過頻L TL 10lg率移向低頻，拱形峰值對(duì)應(yīng)的最大消聲頻率也降低，消聲頻帶變窄，但消聲器的最大消聲量不變。根據(jù)擴(kuò)張式消聲器這一性質(zhì)，可以通過調(diào)整

8、擴(kuò)張室長(zhǎng)度來達(dá)到所希望的最大消聲頻率、通過頻率和傳遞損失帶寬。15L =150mmL =200mmL =250mm傳遞損失/d B式中，W i p i 為消聲器進(jìn)口處的入射聲功率和入射聲壓；W t p t 為消聲器出口處的透射聲功率和透射聲壓。消聲器入口處的聲壓p 1可以用入射波p i 和反射波p r 之和來表示：p 1p i p r ，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v 1可以表示為：0c 0v 1p i p r ，0為空氣密度，c 0為聲速。以上兩式相加得到p i （p 10c 0v 1）2，假設(shè)出口無反射則出口處聲壓p 2p t ，可以得到變形后的傳遞損失公式為：L TL 20lg2p 210（6）根據(jù)（6

9、）式，當(dāng)v 1為已知或給定時(shí)，利用有限元方法求出消聲器內(nèi)部聲壓場(chǎng)，將進(jìn)出口聲壓值代入，便可求得消聲器傳遞損失。53結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響為了研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響，本文0050010001500頻率/Hz200025003000圖2擴(kuò)張室長(zhǎng)度對(duì)消聲性能的影響設(shè)計(jì)了多種擴(kuò)張式消聲器有限元模型，在研究某參數(shù)時(shí)，保證其他參數(shù)不變，從而得出該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響，為消聲器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供更多依據(jù)。33內(nèi)插管插入深度對(duì)消聲性能的影響擴(kuò)張式消聲器在無內(nèi)插管插入的情況下，消聲曲線呈規(guī)則拱形排列（如圖1、2），在有內(nèi)插管插入的時(shí)候，其消聲曲線呈拱形和共振峰的疊加（如圖31擴(kuò)張比對(duì)消聲性能的影響圖

10、1所示是一單腔擴(kuò)張式消聲器在擴(kuò)張比分別3），而且共振峰的峰值頻率隨插入深度的增加向低頻移動(dòng)，關(guān)于內(nèi)插管共振峰頻率可以通過下面的公式來預(yù)測(cè)2。為96、4時(shí)的聲傳遞損失曲線，可見擴(kuò)張比越大消聲效果越好，擴(kuò)張比的變化并不引起通過頻率和最大消聲頻率的變化，但往往由于車輛結(jié)構(gòu)空間的限制，擴(kuò)張比不能做的很大，并且消聲性能也不是隨著擴(kuò)張比無限增大的，所以在工程實(shí)際中一般取20m 54。c（7）式中，f 表示頻率；c 表示聲速；L 表示內(nèi)插管插入長(zhǎng)度；n 0。123f （2n 1）理論研究已經(jīng)證明：當(dāng)內(nèi)插管插入長(zhǎng)度為擴(kuò)張27設(shè)計(jì)研究室長(zhǎng)度的二分之一時(shí)，其峰值頻率與擴(kuò)張室消聲特性的奇次通過頻率一致；當(dāng)插入長(zhǎng)度為

11、擴(kuò)張室長(zhǎng)度的四分之一時(shí)，其峰值通過頻率與擴(kuò)張室消聲特性的偶次通過頻率一致1。這樣在擴(kuò)張室進(jìn)出口處，內(nèi)插管分別插入二分之一和四分之一，便可以消除擴(kuò)張室的通過頻率，達(dá)到良好的消聲效果。6050傳遞損失/d B汽車科技第1期2010年1月高頻時(shí)偏置的消聲效果要好于無偏置，而且偏置距離越大，消聲性能越好，但消聲器進(jìn)出口偏置往往帶來很大的流動(dòng)阻力損失，引起發(fā)動(dòng)機(jī)背壓增高，功率損失增大，所以在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮消聲效果和壓力損失，采取適當(dāng)?shù)呐渲梅绞健?02520151050050010001500200025003000L =20mm L =15mmL =0mm403020100傳遞損失/d BL =1

12、00mm L =150mm L =0mm頻率/Hz05001000頻率/Hz圖5進(jìn)出口偏置對(duì)消聲性能的影響圖3內(nèi)插管插入深度對(duì)消聲性能的影響36擴(kuò)張室串聯(lián)對(duì)消聲性能的影響圖6所示為兩單擴(kuò)張室的消聲效果及兩擴(kuò)張室34擴(kuò)張室截面形狀對(duì)消聲性能的影響從圖4可以發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張室截面形狀（截面積相等）消聲效果曲線的數(shù)學(xué)求和。圖7比較了兩擴(kuò)張室串403530傳遞損失/d B對(duì)低頻時(shí)的消聲性能無影響，主要影響較高頻率時(shí)的消聲性能，而且圓形截面和正方形截面的消聲曲線基本吻合，橢圓形截面的消聲曲線在2400Hz 時(shí)出現(xiàn)較高消聲量，在2400Hz 以后的頻率消聲量變小。橢圓形截面時(shí)消聲性能的變化，主要是由于橢圓形較扁，

13、高頻聲波直接從擴(kuò)張室通過，不能達(dá)到很好的消聲。對(duì)于圓形和正方形截面，在較高頻段也存在高頻失效問題，不過發(fā)生頻率要高于橢圓形截面。20圓形橢圓形正方形L =L 1+L 2L 1=120mm L 2=180mm2520151050050010001500200025003000頻率/Hz15傳遞損失/d B圖660單擴(kuò)張室及其消聲性能之和曲線求和擴(kuò)張室串聯(lián)1050傳遞損失/d B4030201000500頻率/Hz3000505001000頻率/Hz圖4擴(kuò)張室截面形狀對(duì)消聲性能的影響35進(jìn)出口偏置對(duì)消聲性能的影響圖5表示了進(jìn)出口無偏置和兩種不同偏置時(shí)的圖7兩擴(kuò)張室串聯(lián)消聲效果與兩單擴(kuò)張室消聲效果求

14、和比較消聲效果。可以發(fā)現(xiàn)偏置對(duì)低頻的消聲性能無影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能影響的數(shù)值分析徐磊，劉正士，畢嶸設(shè)計(jì)研究聯(lián)及其單獨(dú)消聲效果曲線的數(shù)學(xué)求和，可以發(fā)現(xiàn)兩擴(kuò)張室串聯(lián)的消聲性能與其單獨(dú)消聲效果的數(shù)學(xué)求和能夠基本吻合。可以通過單獨(dú)擴(kuò)張室消聲性能的數(shù)學(xué)求和來預(yù)測(cè)擴(kuò)張室串聯(lián)的消聲性能，能夠取得較好的一致性。37內(nèi)插管數(shù)量對(duì)消聲性能的影響圖8給出了單內(nèi)插管和多內(nèi)插管的傳遞損失曲線（為忽略內(nèi)插管長(zhǎng)度的的影響，取內(nèi)插管長(zhǎng)度相等且很短，圖中單內(nèi)插管（見圖9）和四個(gè)內(nèi)插管（見圖10）時(shí)的氣流流通面積相等，六個(gè)內(nèi)插管的流通面積大于四個(gè)內(nèi)插管流通面積）。從圖8可以發(fā)現(xiàn)單內(nèi)插管在2100Hz 以后已經(jīng)失去

15、消聲能力，而多內(nèi)插管拓寬了消聲器的有效消聲頻率。單內(nèi)插管和多內(nèi)插管時(shí)的通過頻率和拱形峰值對(duì)應(yīng)頻率幾乎相等，只是個(gè)別窄帶共振峰頻率不一致。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)內(nèi)插管時(shí)在1500Hz 以下消聲性能也好于單插管。從整個(gè)頻率段上看四個(gè)內(nèi)插管的消聲性能要好于六個(gè)內(nèi)插管，主要是由于六內(nèi)插管時(shí)氣流流通面積較大，導(dǎo)致擴(kuò)張較小的緣故。總之，從圖8可以看出多內(nèi)插管的消聲量和消聲頻帶都好于單內(nèi)插管。706050傳遞損失/d B六內(nèi)插管單內(nèi)插管四內(nèi)插管圖10四內(nèi)插管結(jié)構(gòu)4結(jié)論本文應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法，討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)張式消聲器消聲性能的影響?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：（1）擴(kuò)張比影響消聲量，且擴(kuò)張比越大消聲量越大；（2）擴(kuò)張室長(zhǎng)度影響消聲器消聲的拱形峰值頻率、通過頻率和傳遞損失的帶寬；（3）內(nèi)插管的插入深度決定共振峰的峰值頻率；（4）擴(kuò)張室的截面形狀對(duì)低頻消聲性能無影響，當(dāng)擴(kuò)張室較扁時(shí)其高頻失效頻率降低；（5）進(jìn)出口偏置在一定程度上能夠提高擴(kuò)張式消聲器的消聲性能；（6）擴(kuò)張室串聯(lián)的消聲效果可以通過單個(gè)擴(kuò)張室消聲效果的簡(jiǎn)單求和來預(yù)測(cè)；（7）多內(nèi)插管可以擴(kuò)大有效消聲的頻率范圍，擴(kuò)張比相同時(shí)，多內(nèi)插管消聲性能好于單內(nèi)插管。參考文獻(xiàn)：1何琳，朱海潮聲學(xué)理論與工程應(yīng)用M 北京：科學(xué)出版4030201000500100015002000頻率/Hz25003000社，20062龐劍，諶剛，何華汽車噪聲與振動(dòng)M 北京