柴油機消聲器基本消聲單元消聲特性研究

石靜，徐曉美，賈寒，朱云鵬

（南京林業大學汽車與交通工程學院，南京210037）

柴油機消聲器基本消聲單元消聲特性研究

石靜，徐曉美，賈寒，朱云鵬

（南京林業大學汽車與交通工程學院，南京210037）

基于GT-Power軟件對柴油機排氣消聲器的擴張腔、穿孔管、穿孔板等基本消聲單元的消聲特性進行了仿真研究。討論了擴張腔的進、出口插入管、穿孔管的孔徑、穿孔區域在腔體的位置以及穿孔板在消聲器腔體中的位置對消聲器傳遞損失的影響。研究結論對柴油機消聲器的合理設計具有重要的參考意義。

排氣消聲器傳遞損失GT-Power

1 前言

柴油機排氣消聲器多為抗性消聲器。抗性消聲器利用各種尺寸形狀的管道或共振腔的適當組合，造成聲波在系統中傳播時阻抗失配，使聲波在管道和共振腔內發生反射或干涉，從而降低其輸出聲能。抗性消聲器雖然內部結構形式多樣，但組成消聲器的基本消聲單元不外乎擴張型元件與共振型元件2種形式[1]。由于單孔共振腔只對單一聲頻噪聲有效，因此，在實際消聲器中常采用穿孔管或穿孔隔板2種亥姆霍茲共振體，以擴大消聲頻率范圍。

復雜結構消聲器的消聲特性是各種消聲單元消聲特性耦合作用的結果。因此掌握各種基本消聲單元的消聲特性及其受消聲單元主要結構尺寸影響的變化規律，對合理設計復雜結構消聲器具有重要的參考意義。本文基于美國GTⅠ公司開發的流體模擬計算軟件GT-Power，研究抗性消聲器擴張腔、穿孔管與穿孔隔板3種基本消聲單元的消聲特性。

2 消聲器傳遞損失計算

消聲器的消聲性能通常用傳遞損失來衡量。傳遞損失TL定義為消聲器入口和出口處的聲功率級之差。它反映了消聲器入口的入射聲能與出口的透射聲能之比，即

式中，W1和W2分別為消聲器的輸入和輸出聲功率；p1和p2分別為消聲器輸入和輸出的聲壓；S1和S2分別為消聲器進口和出口的截面積。當S1=S2時，傳遞損失TL即為消聲器進、出口聲壓級之差。

可見，傳遞損失TL只反映消聲器本身的傳遞特性，而不受聲源管道系統和消聲器出口端尾管的影響，即與聲源、消聲器出口端阻抗無關。

在GT-Power軟件中消聲器傳遞損失的計算模型[2-3]如圖1所示。聲源為一隨機白噪聲，可根據需要設置相應的噪聲頻率和幅值。

圖1 消聲器傳遞損失計算模型

3 基本消聲單元消聲特性

3.1 擴張腔

利用GT-Power軟件建立消聲器擴張腔的結構模型。取消聲器殼體長為500 mm，圓形斷面直徑為Φ150 mm，進、出口管直徑均為Φ50 mm，管壁和殼體壁厚均為1.5 mm。進、出口管件均與擴張腔同軸對正插入，如圖2所示。

圖2 消聲器擴張腔結構模型

圖3 插入管對消聲器傳遞損失的影響

圖3是無管件插入的簡單擴張腔與有進、出口管插入時4種情況消聲器傳遞損失對比。進、出口管插入消聲器殼體中的長度均為殼體總長的1/4。

由圖3可見，無插入管的簡單擴張腔式消聲器消聲量不大，并且存在通過頻率。當存在插入管時，在某些頻段總體消聲量明顯增大，但通過頻率現象依然存在。只有進口管或只有出口管插入腔室時，消聲器的消聲量及其變化趨勢基本相同。當進、出口管都插入擴張腔時，在某些頻段上的總體消聲量最大。

當擴張腔式消聲器的進、出口管軸線偏離擴張腔軸線時，如圖4所示。聲波在擴張腔內傳播后，將在消聲器兩端的蓋板處經過幾個180°反射后才能傳播出去，這將增加聲波的聲能損耗，提高消聲量。圖5是進、出口管無偏置和存在偏置時擴張腔式消聲器的傳遞損失對比。圖中進、出口管偏置距離均為0.4d1，d1為進、出口管直徑。

圖4 進、出口管偏置示意圖

圖5 插入管偏置對消聲器傳遞損失的影響

圖5表明，在中、低頻處的某些頻段，進、出口管存在偏置時的消聲量比無偏置時略有增加；在高頻處，進、出口管均偏置時消聲器的消聲量明顯增大。此外，在整個頻段范圍內，由于進、出口管對稱于擴張腔軸線偏置，因此只有進口管偏置或只有出口管偏置時的傳遞損失曲線幾乎重疊。

圖6是進、出口管對稱于擴張腔軸線偏置時，偏置值大小對消聲器消聲特性的影響。由圖可知，并不是偏置值越大，消聲器的消聲量增加越多。在中、低頻區域，偏置值對各頻段的影響不大，但依然存在一個使消聲總量最大的最佳偏置值；在高頻區域，偏置值對消聲量影響較大，在不同頻段都存在一個最佳偏置值。因此，在設計消聲器時，應根據具體的消聲量要求確定進、出口管的偏置值。

圖6 插入管偏置值對消聲器傳遞損失的影響

3.2 穿孔管

在消聲器的擴張腔內沿軸線插入一直通穿孔管，原擴張腔將變成亥姆霍茲共振腔，如圖7所示。

圖7 消聲器擴張腔結構模型

圖8是在穿孔率不變的情況下，直通管上的穿孔孔徑對傳遞損失的影響。由圖可見，在中、低頻區域，穿孔孔徑對消聲器的消聲量幾乎沒有影響；在高頻區域的某些頻段，孔徑對消聲量具有明顯的影響，孔徑越小，消聲量越大。

圖9是穿孔孔徑不變（此處均為Φ6 mm），穿孔率改變對消聲器傳遞損失的影響。隨著穿孔率的增大，消聲器的消聲量在某些頻段上增加，但穿孔率過大，相應頻段上的消聲量反而有所下降。

圖8 穿孔孔徑對消聲器傳遞損失的影響

圖9 穿孔率對消聲器傳遞損失的影響

3.3 穿孔隔板

穿孔隔板用以實現消聲器多個腔體的連通，如圖10所示。用多孔連通的優點是結構簡單，只需在隔板上沖出幾個小孔即可，但空腔不能被充分地隔開，不能充分發揮多腔的作用，還殘留著單個空腔的性能。圖11是隔板在空腔中的位置對消聲器傳遞損失的影響。a為第一腔長度占腔體總長的比例。

圖10 穿孔隔板在消聲器腔體中的位置示意圖

由圖11可見，當穿孔隔板居于消聲器腔體中央，即a=0.5時，消聲器通過頻率出現的次數為原單腔消聲器的一半。

圖11 隔板位置對消聲器傳遞損失的影響

圖12是隔板上的孔分布對消聲器傳遞損失的影響。孔均勻分布1（圖13（a））是指四孔均距離隔板中心40 mm，孔均勻分布2（圖13（b））是指四孔均距離隔板中心55 mm，孔密集分布（圖13（c））是指四孔集中分布在隔板某一方位，其間無任何對稱關系。

圖12 隔板上的孔分布對消聲器傳遞損失的影響

由圖12可見，在低頻段，3種孔分布的消聲器的消聲量和變化趨勢基本相同。在中、高頻段的某些頻段，孔密布的消聲器消聲量略有增加，前2種孔均布形式對消聲器傳遞損失影響的趨勢相同。

圖13 消聲器隔板上孔分布示意圖

4 結論

由GT-Power軟件對柴油機排氣消聲器各消聲單元對傳遞損失的影響分析可見：

（1）在某些噪聲頻段，消聲器有插入管比無插入管的總體消聲量大，且在該頻段無通過頻率，進、出口管都插入的消聲器比單端插入的總體消聲量大。

（2）對于高頻噪聲，進、出口管均偏置時消聲器的消聲量明顯增大，其他頻段僅有微小增加量。偏置值在高頻段對消聲量影響較明顯，且在每個頻段均存在最佳偏置值。

（3）穿孔管在高頻區域的某些頻段，孔徑對消聲量具有明顯影響，二者之間呈現負相關關系。穿孔率在某些頻段上與消聲量呈正相關關系，但不宜過大。

（4）隔板位置對消聲器消聲性能影響較大。總體來看，小的分隔比有利于提高高頻的傳遞損失。隔板上孔的分布方式對消聲性能的影響在低、中頻段不明顯，在高頻段孔密布方式的消聲效果優于孔均布的方式。

1黎志勤，黎蘇．汽車排氣系統噪聲與消聲器設計[M]．北京：中國環境科學出版社，1991．

2謝田峰，金國棟，鐘紹華．GT-power在內燃機排氣消聲器設計中的應用[J]．內燃機，2003（1）：12-14．

3 Siano D．Three-dimensional/one-dimensional Numerical Correlation Study of a Three-pass Perforated Tube[J]．Simulation Modelling Practice and Theory,2011,19(4):1143-1153．

Researches on Noise Attenuation Characteristics of Basic Elements of Diesel Engine Muffler

Shi Jing,Xu Xiaomei,Jia Han,Zhu Yunpeng
（College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

Based on one-dimensional fluid dynamics software-GT-Power,the basic structures of diesel exhaust muffler were numerically simulated and analyzed.The effects of muffler units on muffler anechoic performance were discussed,such as resistive muffler unit,inserted tube,tube bias,straight-through perforated pipe and so on.The research results can provide references and a new method for diesel exhaust muffler design.

exhaust muffler,transmission loss,GT-Power

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.009

來稿日期：2014-01-18基金項目：進2013年國家級大學生實踐創新訓練項目（201310298060Z）

石靜（1991-），女，在讀本科生。