穿孔管消聲器聲學性能時域預測方法對比分析*

劉 晨，季振林，張國輝

(哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001)

前言

GT-POWER軟件可以快速模擬發動機和進排氣系統的耦合模型，適用于多個方案的比較分析，目前廣泛應用于汽車行業。文獻[1]和文獻[2]中使用GT-POWER軟件建立了發動機和進排氣系統的耦合模型，根據計算得到的進、排氣噪聲頻譜特性進行相應的消聲器設計，通過對消聲器結構的改進設計，使其加速行駛車外噪聲滿足法規限值。文獻[3]中使用GT-POWER軟件計算了直通穿孔管和三通穿孔管消聲器靜態時的傳遞損失，在平面波范圍內預測值和測量值吻合較好，并根據計算結果分析了氣流流速和溫度對穿孔管消聲器聲學性能的影響。文獻[4]中使用GT-POWER軟件建立了汽油機及其排氣系統的耦合模型,模擬分析了主、副消聲器的結構形式對排氣噪聲和發動機性能的影響，根據模擬結果選擇適當的主、副消聲器結構形式。文獻[5]在靜態介質中使用GT-POWER軟件和Sysnoise軟件對某車型空濾器和前、后置消聲器的傳遞損失分別進行了一維和三維仿真分析，并與測試結果進行比較，結果表明，三維軟件的計算結果更接近測試值，而一維軟件在0～600Hz范圍內較為準確。由文獻[1]和文獻[3]也可知，室溫無流條件下GT-POWER軟件在平面波范圍內可以比較準確地預測消聲器的聲衰減性能。

穿孔管消聲器具有良好的消聲性能和較低的阻力損失，已被廣泛應用。盡管GT-POWER軟件已被用于預測穿孔管消聲器的聲學性能,然而這些工作并沒有詳細研究該軟件的計算精度。本文中在靜態和流動介質條件下，分別使用GT-POWER軟件和三維時域CFD法計算橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器的傳遞損失，并與實驗結果進行比較，以驗證兩種時域方法的計算精度和適用范圍。

1 傳遞損失的時域預測方法

GT-POWER軟件是基于一維非線性流體動力學模型，以時域方法為理論基礎，使用有限體積法求解連續性方程、動量方程和能量方程。消聲器傳遞損失的計算模型如圖1所示，計算過程如下：以一個產生隨機白噪聲的揚聲器作為聲源，同時可引入氣流流動。在消聲器的進出口各安裝一對傳聲器，測量上下游的時域壓力信號，信號中的波動值為聲壓信號。基于文獻[6]中提出的傳遞函數法，對時域聲壓信號進行聲波分解和傅里葉分析，得到頻域入射和透射聲壓信號，代入相應的公式即可計算出消聲器的傳遞損失[7]。

三維時域CFD法預測消聲器傳遞損失的計算模型如圖2所示，計算的基本過程為：在消聲器進口處施加脈沖信號與不施加任何信號的兩種情況下，通過非定常計算分別得到消聲器上下游監視點的時域壓力值，同一監視點兩個計算結果之差就是脈沖信號和反射信號；然后去除上下游壓力監視點中由于反射形成的干擾信號，得到單獨的入射壓力信號和透射壓力信號；使用快速傅里葉變換將時域聲壓信號轉換到頻域，代入式(1)中計算出消聲器的傳遞損失。

(1)

式中：TL為消聲器傳遞損失；Ai為消聲器進口的橫截面積；Ao為消聲器出口的橫截面積；pin為消聲器進口處的入射聲壓；ptr為無反射末端條件下，消聲器出口處的透射聲壓。

本文中使用Fluent軟件，選擇分離隱式求解器，進行非定常計算。采用Realizablek-ε雙方程模型對湍流流動進行數值模擬。壓力、密度、動量、湍動能、湍流耗散率和能量均采用二階精度離散格式。壓力-速度耦合方式選用PISO算法。

工作介質為空氣，密度滿足理想氣體定律。邊界條件設置如下：

(1) 進口邊界條件為質量進口，將脈沖信號疊加在恒定的質量流量基礎上，脈沖信號是頻率為4kHz正弦波的上半個周期；

(2) 出口邊界設定為壓力出口，出口壓力為一個標準大氣壓；

(3) 壁面處設置為絕熱無滑移邊界條件。

2 結果和分析

為驗證GT-POWER軟件和三維時域CFD法計算穿孔管消聲器聲學性能的精度，以文獻[8]～文獻[10]中有傳遞損失實驗測量結果的橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器為例進行計算分析。

2.1 橫流穿孔管消聲器

圖3為橫流穿孔管消聲器結構圖，其具體尺寸為：穿孔管直徑d=49.3mm，膨脹腔直徑D=101.6mm，左右兩個腔的長度l1=l2=128.6mm，進出口管壁厚tw=0.81mm，兩段管各均勻布置160個小孔，穿孔直徑dh=2.49mm，穿孔率σ=3.9%。

圖4為氣流流速v=0、氣流溫度T=293K時橫流穿孔管消聲器傳遞損失的三維時域CFD法計算、GT-POWER軟件計算和實驗測量結果[8]的比較。由圖可見：在1 300Hz以下GT-POWER軟件的計算結果和實驗測量結果吻合很好；在1 300Hz以上GT-POWER軟件計算結果偏離實驗測量結果，從而限制了該軟件在非平面波范圍內的應用；在所關心的頻率范圍內，三維時域CFD法的計算結果與實驗測量結果吻合很好。

圖5為v=17m/s、T=347K時，橫流穿孔管消聲器傳遞損失的三維時域CFD法計算、GT-POWER軟件計算和實驗測量結果[8]的比較。由圖可見：在考慮的頻率范圍內，GT-POWER軟件的計算結果與實驗結果偏差很大，這是因為氣流通過橫流穿孔管消聲器時，伴隨小孔射流和流動方向的改變，流動過程比較復雜，基于一維理論的GT-POWER軟件不能精確計算消聲器的壓力分布，因而影響聲壓值的準確性。由圖還可看出，三維時域CFD法的計算結果和實驗測量結果基本吻合，存在偏差的原因可以歸結為：(1)在Fluent計算中沒有考慮流體和壁面之間的熱傳導；(2)出于計算時間的考慮，在模擬計算時沒有對壓力監測點處記錄的時域信號進行平均處理，使得信號中可能包含某些噪聲成分；(3)實驗中也可能存在測量誤差。

2.2 直通穿孔管消聲器

無流和有流條件下分別使用文獻[9]和文獻[10]中的直通穿孔管消聲器進行計算，結構如圖6所示。無流算例的消聲器S1具體尺寸為：膨脹腔直徑D=116.4mm，膨脹腔長度l=257.2mm，穿孔管內徑d=49mm，穿孔管壁厚tw=0.9mm，穿孔直徑dh=4.98mm，穿孔率σ=8.4%。

圖7比較了氣流馬赫數M=0、氣流溫度T=293K時直通穿孔管消聲器S1傳遞損失的三維時域CFD法計算、GT-POWER軟件計算和實驗測量的結果[9]。由圖可見：三維時域CFD法的計算結果與實驗結果吻合很好；而GT-POWER軟件雖可預測出傳遞損失的變化趨勢，但曲線的幅值和峰值頻率都有一定的偏差。

有流算例直通穿孔管消聲器S2的具體尺寸為：膨脹腔直徑D=110mm，膨脹腔長度l=200mm，穿孔管內徑d=32mm，穿孔管壁厚tw=2mm，穿孔直徑dh=4mm，穿孔率σ=4.7%。

圖8為氣流馬赫數M=0.1、氣流溫度T=288K時直通穿孔管消聲器S2傳遞損失的三維時域CFD法計算、GT-POWER軟件計算和實驗測量結果[10]的比較。由圖可見，在考慮的頻率范圍內，三維時域法計算結果與實驗測量結果吻合較好，個別頻率處存在的偏差可以歸結為：(1)實驗中采用多傳感器測量流動介質中的聲傳播，可能存在誤差；(2)在流動介質中測量消聲器的傳遞損失時，須進行多次實驗，并對傳聲器采集的信號在時間域或頻率域進行平均處理，以去掉信號中的噪聲成分，而本文中出于對計算時間的考慮，在模擬計算時未對壓力監測點處記錄的信號進行平均處理。由圖8還可以看出，在平面波范圍內GT-POWER軟件的計算結果基本可以反映出消聲器的聲衰減特性，而頻率高于1 700Hz時，軟件計算結果與實驗結果偏差較大。

3 結論

(1) 在平面波范圍內，GT-POWER軟件可以較好地預測穿孔管消聲器的聲衰減特性。隨著頻率的

升高，GT-POWER軟件的預測結果偏離實驗測量結果，表明該軟件不適合在非平面波范圍內預測消聲器的聲學性能。當消聲器內部存在復雜氣流流動時，GT-POWER軟件的計算與實驗結果偏差較大。

(2) 使用三維時域CFD法計算了無流和有流條件下橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器的傳遞損失，并與實驗結果進行對比。結果表明，該方法可以比較精確地預測穿孔管消聲器的聲學性能。

(3) GT-POWER軟件可以快速地預測消聲器的聲學性能，適用于多個方案的比較分析，指導消聲器的初步設計。而三維時域CFD法對復雜結構消聲器和氣流流動可以獲得較高的計算精度，適用于最終方案的確定。

參考文獻

[1] 宋艷冗,葛蘊珊,張宏波.發動機工作過程和排氣消聲器耦合研究[J].汽車工程,2005,27(6):719-723.

[2] 葛蘊珊,張宏波,宋艷冗,等.改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲[J].汽車工程,2006,28(4):376-378.

[3] 劉晨,季振林,胡志龍.高溫氣流對穿孔管消聲器聲學性能的影響[J].汽車工程,2008,30(4):330-334.

[4] 邊杰,季振林,劉晨.消聲器結構對排氣噪聲和發動機性能的影響[J].汽車工程,2011,33(6):541-544.

[5] 張冬蓮,趙立峰,張海燕,等.消聲元件傳遞損失仿真精度的對比分析[J].振動工程學報,2010,23(6):649-654.

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[7] GT-POWER User’s Manual Version 6.2[G].2006.

[8] Sullivan J W. A Method for Modeling Perforated Tube Muffler Components. I. Theory[J]. Journal of the Acoustical Society of America,1979,66(3):772-778.

[9] Lee I. Acoustic Characteristics of Perforated Dissipative and Hybrid Silencers[D]. Columbus: The Ohio State University,2005.

[10] Lee S H, Ih J G. Empirical Model of the Acoustic Impedance of a Circular Orifice in Grazing Mean Flow[J]. Journal of the Acoustical Society of America,2003,114(1):98-113.