擴(kuò)張比對(duì)抗性消聲器性能的影響分析

白云，李寧

引言

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的消聲器都是由簡(jiǎn)單的消聲單元構(gòu)成，因此，對(duì)簡(jiǎn)單消聲結(jié)構(gòu)、消聲性能的分析有助于對(duì)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成及性能有進(jìn)一步的了解，便于設(shè)計(jì)消聲性能高的消聲器。

由于內(nèi)燃機(jī)排氣溫度高，且存在一定的毒害氣體、焦油、積碳等問(wèn)題，易使阻性消聲器中的阻性吸聲材料失效，所以在內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器中大多采用抗性消聲器。抗性消聲器不使用吸聲材料，依靠管道的組合、管道截面的突變、旁接共振腔等方法，在聲傳播過(guò)程中引起阻抗失調(diào)，產(chǎn)生聲能的反射、干涉，從而降低聲能向外輻射，進(jìn)行消聲。

一些專(zhuān)家、學(xué)者在GT-Power軟件及其Muffler模塊的基礎(chǔ)上，建立了汽車(chē)和其他機(jī)械用消聲器的仿真模型，將仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或其他計(jì)算結(jié)果綜合比較，驗(yàn)證了GT-Power軟件所具有的良好消聲器模擬分析性能[1～5]。基于此，本文應(yīng)用 GT-Power軟件主要分析了擴(kuò)張比對(duì)抗性消聲器性能的影響。

1、GT-Power軟件及Muffler模塊簡(jiǎn)介

GT-Power軟件是美國(guó) GTI公司基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬與仿真軟件，其中包括為消聲器建模而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的圖形化處理模塊Muffler，可以預(yù)測(cè)消聲器的降噪效果。Muffler模塊，可以比較全面的設(shè)計(jì)消聲器，包括消聲器殼體外形、尺寸、端面及各種內(nèi)部元件等圖形化前處理程序和各種噪聲與聲學(xué)分析模塊。

消聲器的設(shè)計(jì)在二維平面圖中進(jìn)行，Muffler模塊提供了正視圖及左視圖兩種視圖模式，方便按工程圖的方式填充部件。繪制完二維圖后可以把模型直接轉(zhuǎn)化為三維圖，由于殼體是透明的，可以清晰地比較是不是所希望的內(nèi)部設(shè)置，并可回到二維加以改正。Muffler模塊可把設(shè)計(jì)完成的二維消聲器模型網(wǎng)管化，并將其轉(zhuǎn)化為*.dat文件，導(dǎo)入GT-ISE中生成連通的網(wǎng)管，為消聲器性能的進(jìn)一步分析奠定了基礎(chǔ)。仿真運(yùn)行結(jié)果可以在GT-Post中查看，仿真后的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出重新進(jìn)行各種比較或者進(jìn)行其他處理。[6]

這種圖形化的建模方法直觀、方便，不僅提高了消聲器設(shè)計(jì)精度，并且減少了消聲器建模的工作量，為建立復(fù)雜形狀的消聲器模型提供了極大的方便。

2、擴(kuò)張比對(duì)抗性消聲器消聲性能分析

常用的抗性消聲器有擴(kuò)張式、共振腔式、干涉式、穿孔板式等。本文基于簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器對(duì)抗性消聲器的消聲性能予以分析。簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

① 解析法分析

基本擴(kuò)張腔式消聲器是最簡(jiǎn)單的消聲結(jié)構(gòu)，根據(jù)一維平面波理論和聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)法，可求得基本擴(kuò)張腔的傳遞損失為：

由式（1）可見(jiàn)，消聲量TL與sin(kl)值有關(guān)，而sin(kl)是頻率的周期性函數(shù)，因此單節(jié)抗性消聲器的消聲量也將隨頻率周期性變化。

當(dāng) kl為π的整數(shù)倍時(shí)，即 kl=nπ（n=1、2、…）時(shí)，sin(kl)=0，此時(shí)消聲量即為零，其相應(yīng)的頻率稱(chēng)為通過(guò)頻率。通過(guò)頻率和相應(yīng)的擴(kuò)張腔長(zhǎng)度分別為：

可見(jiàn)當(dāng)抗性消聲器的擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，消聲量為最大值，而當(dāng)擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，消聲量等于零。

由式（1）可知，消聲量隨擴(kuò)張比m值的增大而提高，但當(dāng)m值過(guò)大時(shí)，擴(kuò)張腔截面積也較大。此時(shí)，也會(huì)如阻性消聲器一樣產(chǎn)生抗性消聲器的高頻失效現(xiàn)象，使消聲量顯著降低。抗性消聲器的上限失效頻率通常可由式中，c為聲速，d為擴(kuò)張腔截面特征尺寸，圓管為直徑，方管為邊長(zhǎng)，矩形管可取截面積的平方根。

抗性擴(kuò)張腔消聲器存在上限頻率之外，還存在著下限頻率，即當(dāng)聲波波長(zhǎng)比擴(kuò)張腔尺寸大得多時(shí)，由于擴(kuò)張腔與連接管本身也構(gòu)成一個(gè)共振系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，當(dāng)聲波頻率與其共振頻率相同時(shí)，消聲器將失去消聲作用。通常取2倍的共振頻率為抗性消聲器的下限失效頻率，則：，式中，c為聲速，S為消聲器氣流通道截面積，l為擴(kuò)張腔長(zhǎng)度，V為擴(kuò)張腔體積。

根據(jù)上述公式可求出擴(kuò)張比和消聲量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。從表中可知，最大消聲量與擴(kuò)張比同在一個(gè)數(shù)量級(jí)，擴(kuò)張比越大，消聲量越大。如果把消聲量與擴(kuò)張比的差值作為簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔消聲效率的一個(gè)指標(biāo)，易知在擴(kuò)張比為11時(shí)，簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔的消聲效率最高。

表1 擴(kuò)張比與消聲量對(duì)應(yīng)關(guān)系Table1 The relationship of expansive proportion and transmission loss

由表1可知，理論上的擴(kuò)張比取11時(shí)，消聲效率最高，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各方面因素的影響，不可能準(zhǔn)確的取到11，此時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況，需要各方面均衡后得到最佳值，一般取9

② 數(shù)值分析

應(yīng)用 Muffler模塊分析擴(kuò)張比對(duì)抗性消聲器消聲性能的影響。固定擴(kuò)張腔的容積，設(shè)消聲器長(zhǎng)度L=500mm，主截面半徑D=75mm。圖2給出了擴(kuò)張比對(duì)消聲性能的影響曲線(xiàn)，其中m代表擴(kuò)張比，TL代表傳遞損失。

如圖所示，可得出以下結(jié)論：

1）隨著擴(kuò)張比的增大，基本擴(kuò)張腔的消聲量明顯提高，擴(kuò)張比對(duì)基本擴(kuò)張式消聲器的最大消聲量起著決定性影響。但當(dāng)擴(kuò)張比增大到一定時(shí)，消聲率呈下降趨勢(shì)，如曲線(xiàn)變得密集，因此欲使消聲器獲取較大的消聲量，則應(yīng)在容許范圍內(nèi)盡可能的增大擴(kuò)張比，并不是越大越好，而需要綜合考慮各方面的因素。

增加擴(kuò)張比的途徑有兩條：一是增加擴(kuò)張腔的截面積，二是減小管道的截面積。增加擴(kuò)張腔的截面積往往受到安裝空間的限制，并且當(dāng)擴(kuò)張比增大到一定之后，波長(zhǎng)很短的高頻聲將會(huì)以窄束的形式從擴(kuò)張室中央穿過(guò)，造成消聲高頻失效。因此，在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)必須要考慮擴(kuò)張腔截面尺寸對(duì)消聲上、下限頻率的影響，使上、下限頻率在實(shí)際需要的有效消聲頻率范圍之外。減小管道的截面積會(huì)影響到氣流流通，并且當(dāng)管道的截面積過(guò)小時(shí)會(huì)引起氣流速度過(guò)大，從而產(chǎn)生很高的摩擦噪聲。

在實(shí)際問(wèn)題中，擴(kuò)張比受到客觀條件限制不宜或不能夠取得很大，因此單節(jié)擴(kuò)張腔的消聲量受到限制。

2）由圖可知，傳遞損失曲線(xiàn)近似周期性的接近 X軸達(dá)到傳遞損失最小值，即存在通過(guò)頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常在擴(kuò)張腔中插入一段插入管，選擇長(zhǎng)度合適的插入管的作用是彌補(bǔ)簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔所具有某些通過(guò)頻率的缺點(diǎn)，提高消聲效果。

3）低頻消聲結(jié)果較好，但高頻很不理想，這是由于擴(kuò)張腔橫截面積較大時(shí)，較高頻率的聲波在擴(kuò)張腔內(nèi)不再保持近似為平面波，而是集中在擴(kuò)張腔中部以窄聲束通過(guò)，經(jīng)出口管直接傳播出去。這樣擴(kuò)張腔就不能發(fā)揮其消聲作用，從而使得消聲效果明顯下降，這就是所謂的高頻失效現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)必須要考慮擴(kuò)張腔橫截面尺寸對(duì)消聲上、下限頻率的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了改善中高頻噪聲的消聲效果，通常采用以下兩種措施：一是把消聲器通道分割成若干個(gè)并聯(lián)的小通道，相對(duì)應(yīng)的擴(kuò)張室就只有比較小的截面面積，從而可使消聲上限頻率提高；二是使進(jìn)、出口管偏置，使聲波不能直接穿過(guò)擴(kuò)張腔。

圖2中所示的傳遞損失變化規(guī)律與理論解的結(jié)果符合，由此可以證明 GT-Power軟件的可靠行，可以用于后續(xù)的分析研究。

3、結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用GT-Power軟件及其Muffler模塊對(duì)簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及消聲性能分析，明確了消聲器的擴(kuò)張比對(duì)抗性消聲器消聲性能的影響關(guān)系，有利于消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步分析消聲器的性能做了鋪墊，并驗(yàn)證了 GT-Power軟件所具有的良好模擬仿真性能。

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