不同進/出口分布的消聲器性能研究

葛繼偉，王志

(東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

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不同進/出口分布的消聲器性能研究

葛繼偉，王志

(東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

摘要：基于Virtual.Lab的聲學(xué)有限元模塊對簡單擴張腔消聲器的傳遞損失進行了數(shù)值模擬，并和平面波理論進行了對比，模擬了在不同的進出口分布的情況下的傳遞損失并進行了對比分析。基于Fluent流體仿真軟件計算了不同的進出口分布的情況下的擴張腔消聲器的壓力損失大小。結(jié)果表明，當進口或者出口位于擴張腔軸線上時，另一個出口或者進口偏離軸線的距離越大，消聲效果越好而流場效果越差；當進出口同時偏離軸線時，偏離的距離越大，消聲效果和流場效果都會變的越差。

關(guān)鍵詞：擴張腔；消聲器；傳遞損失；壓力損失

隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展和人民的生活水平的提高，截至2012年底，我國汽車產(chǎn)銷突破1900萬輛創(chuàng)歷史新高，再次刷新全球記錄，連續(xù)四年蟬聯(lián)世界第一。汽車方便生活的同時，其所帶來的噪聲問題也已經(jīng)成為嚴重影響城市生活品質(zhì)的原因之一。汽車發(fā)動機的排氣噪聲是汽車的主要噪聲源之一，所以消減排氣噪聲就成為減小汽車噪聲的主要手段之一。在當前，排氣消聲器是控制發(fā)動機排氣噪聲最常用的方法，所以，研制高效可靠的排氣消聲器具有重要的實際意義。擴張腔消聲器是最常用的消聲器，研究擴張腔消聲器擁有重要的實際意義。

1簡單擴張腔的消聲器

由平面波理論可得，典型的單節(jié)擴張室消聲器的消聲量可由下式計算：

(1)

式中：m——擴張比，m=S2/S1

k——波數(shù)，k=2πt

l——膨脹室的長度

圖1　有限元法和平面波法的對比

由圖1可以看出，在1300Hz以下，有限元法和平面波法畫出的傳遞損失曲線吻合的還是比較好的，但是在1300Hz以后由于高頻失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，產(chǎn)生了較大的差距。由公式算出的擴張腔的有效臨界頻率fc=1382Hz正好可以說明這一點。

由于消聲器實際安裝位置的限定，實際上很多時候消聲器的進/出口都不是在擴張腔的軸線上的，所以這里討論了以下幾種進/出口相對擴張腔軸線的距離的變化對消聲器性能的影響。

2出口相對于擴張腔軸線的距離變化對消聲器性能的影響

如圖2，這里的進口位于軸線上(D1=0)，并且位置不變，出口與擴張腔軸線的距離為D2。這里用Virtual.lab計算出D2從0mm變到100mm(20mm為一個單位變化量)的情況下消聲器的傳遞損失。結(jié)果如圖3和圖4。

圖2　進出口示意圖

圖3　D2變化對消聲器傳遞損失的影響

圖4　D2變化對消聲器傳遞損失的影響

由圖3和圖4可以看出，D2由0mm變?yōu)?00mm的時候，在1300Hz以下，各種情況的傳遞損失變化不大，在1300Hz到2600Hz，隨著D2的變大，消聲器的傳遞損失是逐漸提高的，在2600Hz到3000Hz左右，傳遞損失變化不大且沒有比較明顯的規(guī)律(圖5)。這里可以得出，當進口在擴張腔軸線上且位置不變的時候，增大出口與擴張腔軸線的距離可以提升消聲器的消聲效果。

圖5　D2變化對消聲器壓力損失的影響

圖5是利用Fluent計算的上述不同結(jié)構(gòu)下的消聲器壓力損失(進氣口氣流速度設(shè)置為40m/s，以下情況同)。由圖5可以看出，當進/出口同時位于擴張腔軸線(D1=D2=0)時，消聲器的壓力損失最小，除了D2=40mm以外，隨著D2的增大，壓力損失是不斷變大的。

3進口偏離擴張腔軸線對消聲器的性能影響

如圖2，這里的出口位于軸線上(D2=0)，并且位置不變，進口與擴張腔軸線的距離D1從0mm變到100mm(20mm為一個變化量)。圖6和圖7，是有限元計算出的不同的D1的情況下的傳遞損失，圖8是其相應(yīng)的壓力損失變化情況。

圖6　D1變化對消聲器傳遞損失的影響

圖7　D1變化對消聲器傳遞損失的影響

從圖7可以得出，D1由0mm變?yōu)?00mm的時候，在1300Hz以下，各種情況的傳遞損失變化不大；在1300Hz到2600Hz，隨著D1的變大，消聲器的傳遞損失是逐漸提高的；在2600Hz到3000Hz左右，傳遞損失變化不大且沒有比較明顯的規(guī)律。基本上，在進口位于擴張腔直徑上且位置不變的情況下，傳遞損失隨著進口與軸線的擴大而增加，并且由圖5和圖6的對比可以發(fā)現(xiàn)D1=0mm，D2=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm和D2=0mm，D1=20mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm的情況下，傳遞損失圖形基本上是一致的。

圖8為不同結(jié)構(gòu)下的消聲器壓力損失。由圖8可以得出，當進/出口同時位于擴張腔軸線(D1=D2=0)時，消聲器的壓力損失最小，除了D2=80mm以外，隨著D2的增大，壓力損失是不斷變大的。

圖8　D1變化對消聲器壓力損失的影響

4進/出口同時偏離擴張腔軸線

這里的進口與軸線的距離為D1，出口與擴張腔軸線的距離為D2。這里D1=D2同時從0mm變到100mm，(20mm為一個變化量)。圖9是有限元計算出的不同的D1、D2的情況下的傳遞損失，圖10為其相應(yīng)情況下的壓力損失變化情況。

圖9　D1、D2同時變化對消聲器壓力損失的影響

圖10　D1、D2同時變化對消聲器壓力損失的影響

由圖9可以看出，隨著D1、D2的增大，在600Hz到1700Hz，傳遞損失是逐漸減小的。在1300Hz到3000Hz，變化規(guī)律性不強。所以隨著D1、D2的增大在中低頻段，擴張腔的消聲效果是不斷變差的。在高頻段部分頻率會增強，部分頻率會減弱。

圖11　D1、D2同時變化對消聲器壓力損失的影響

由圖11可以得出，當進/出口同時位于擴張腔軸線(D1=D2=0)時，消聲器的壓力損失最小，并且隨著D2的增大，壓力損失是不斷變大的。

5結(jié)論

1) 當固定進口或者出口位于擴張腔軸線而另一端偏離擴張腔軸線時，擴張腔式的消聲器效果要好于同軸式的情況，并且在一定范圍內(nèi)，偏離的距離越大，消聲效果越大。同時消聲器的壓力損失也會隨著偏離距離的增大而增大。

2) 當擴張腔進出口同時同距離的偏離擴張腔軸線時，擴張腔式消聲器的消聲效果要比同軸式的差一些，并且偏離的距離越大，消聲效果越差。同時消聲器的壓力損失也會隨著偏離距離的增大而增大。

參考文獻:

[1] 何琳, 朱海潮, 杜功煥，等. 聲學(xué)理論與工程應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[2] 馬大猷. 噪聲控制學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1987.

[3] 馬大猷. 噪聲與振動控制工程手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.

[4] 詹福良, 徐俊偉，等. Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計算從入門到精通[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2013.

[5] J.W.Sullivan, M.J.Crocker, et al. Analysis of Concentric-tube Resonators Having Unpartitioned Cavities[J]. Acoust Soc Am 64 (1978), pp. 207-215.

[6] 陶麗芳. 汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)性能分析研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2005.

[7] 趙明. 汽車排氣消聲器聲學(xué)特性的研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005.

[8] 賀朝卿. 汽車排氣消聲器輔助設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2009.

[9] 鄭蕾. 汽車排氣消聲器聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)改進[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2009.

[10] 石巖. 排氣消聲器消聲特性仿真分析與排氣噪聲音品質(zhì)設(shè)計[D]. 天津: 天津大學(xué), 2010.

[11] 胡玉梅, 許響林, 褚志剛，等. 基于聲傳遞矩陣法的汽車排氣消聲器設(shè)計[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報, 2005, 28(1).

[12] 張宏波, 葛蕰珊, 楊登峰，等. 基于聲傳遞矩陣方法的排氣消聲器計算機輔助設(shè)計[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2004, 24(5).

[13] 葛藴珊，張宏波，等. 排氣消聲器的三維聲學(xué)性能分析[J]. 汽車工程，2006,28(1).

[14] 福田基一等著，張成譯. 噪聲控制與消聲設(shè)計[M]. .北京: 國防工業(yè)出版社, 1982.

Analysis of Expansion Muffler Performance with Different Inlet/Outlet Distribution

GE Ji-wei,WANG Zhi

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 210000, China)

Abstract:Transmission loss of simple expansion muffler is simulated based on acoustic finite element module of Virtual.Lab and compared with plane wave theory, then the transmission loss of expansion with different inlet/outlet distribution is simulated and the comparative analysis is made. Based on Fluent, the pressure loss of expansion chamber with the different inlet/outlet distribution is calculated. The results shows that when the inlet or outlet is located at the axis of expansion chamber, the more the inlet or outlet is offset from the axis, the better the silencing effect is and the worse the flow effect is when both the inlet and outlet deviates from the axis, the more of the offset distance of the axis is, the worse its silencing and flow effect is.

Keywords:expansion chamber; muffler; transmission loss; pressure loss

中圖分類號：TH138

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0007-04

作者簡介：葛繼偉(1988-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事機械振動與噪聲控制。

收稿日期：2014-11-18 2014-11-04