裝載機(jī)消聲器的消聲性能的仿真計(jì)算與分析

張士偉,陳長(zhǎng)征,周 勃，繆海凌,黃鶴艇,劉 春

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870； 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110870； 4.廈門(mén)廈工機(jī)械股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

裝載機(jī)消聲器的消聲性能的仿真計(jì)算與分析

張士偉1,陳長(zhǎng)征1,周 勃2，繆海凌3,黃鶴艇4,劉 春4

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870； 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110870； 4.廈門(mén)廈工機(jī)械股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

采用三維聲學(xué)有限元法研究消聲器的進(jìn)出氣口軸向角度對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在中低頻段，軸向角度對(duì)消聲器傳遞損失影響很大，當(dāng)軸向角度為60度時(shí)，對(duì)傳遞損失的影響最為顯著；改進(jìn)后的消聲器改善了原消聲器的消聲性能。由于消聲器進(jìn)出氣口軸向角度對(duì)消聲性能的影響，這為消聲器的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

聲學(xué)；消聲器；聲學(xué)有限元；穿孔率；傳遞損失

抗性消聲器[1]是控制車(chē)輛中高頻段排氣噪聲的有效手段，平面波法和傳遞矩陣法因其簡(jiǎn)單高效用于預(yù)測(cè)消聲器的消聲性能，但在中高頻段計(jì)算誤差較大，且不適于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的消聲器的分析計(jì)算。聲學(xué)有限元法[2]更適合分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的消聲器。因此，得到廣泛使用。

ASelamet等[3]用有限元法研究了進(jìn)出口偏置結(jié)構(gòu)消聲器的聲學(xué)特性，并且在中低頻取得較好的消聲性能。Eriksson等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了擴(kuò)張消聲器進(jìn)出口位置與腔體長(zhǎng)度對(duì)高階模傳播的影響，指出偏置角度對(duì)高階模的激發(fā)、傳播和抑制有較大影響。A Selamet和Z L Ji[5]以不對(duì)稱(chēng)的擴(kuò)張式消聲器為研究對(duì)象，研究進(jìn)出口的不同偏置對(duì)聲傳播和消聲器消聲性能的影響。C H Wu和C N Wang以一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)張式消聲器為對(duì)象，指出合適的進(jìn)口角度變化比直管的消聲性能好[6]。但是這些研究都是針對(duì)進(jìn)出口位于擴(kuò)張消聲器端板上的情況，Sung II Yi和Byung-Ho Lee分析了當(dāng)進(jìn)出口位于消聲器側(cè)壁上時(shí)，進(jìn)出口位置對(duì)消聲器消聲性能的影響[7]。然而對(duì)于多腔消聲器的進(jìn)出口位置對(duì)消聲器消聲性能的影響規(guī)律，文獻(xiàn)中的研究不多，本文針對(duì)某款裝載機(jī)消聲器，用三維聲學(xué)有限元方法考查消聲器的進(jìn)出口軸向角度影響傳遞損失的規(guī)律，給出設(shè)計(jì)參數(shù)，從而為消聲器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 消聲器的聲學(xué)有限元理論

消聲器內(nèi)部聲傳播特性可用聲學(xué)有限元求得，聲學(xué)有限元公式的具體推導(dǎo)，首先由聲波的三大方程，即聲波連續(xù)方程，運(yùn)動(dòng)方程和物態(tài)方程，推導(dǎo)出Helmholtz波動(dòng)方程，即

P(x,y,z)為流體中的總聲壓；?2為拉格朗日算子；k=ω/c，為波數(shù)；ω為角頻率，c為聲速；

ρ0為靜態(tài)情況下的聲壓；q(x,y,z)為體積速度。

將式(1)在聲場(chǎng)用權(quán)重積分表達(dá)，變換后，在根據(jù)高斯理論，對(duì)一個(gè)矢量φ，其分量在體積內(nèi)V的積分，可轉(zhuǎn)換成沿著V的表面Ω法線(xiàn)方向n的積分，最后整理得

其中

將公式(3)代入公式(2)，最后整理后得

K為n階剛度矩陣，C為阻尼矩陣，M為聲質(zhì)量陣，F(xiàn)i為聲學(xué)激勵(lì)。

仿真計(jì)算中，對(duì)穿孔管的處理是，直接建立穿孔管的聲學(xué)網(wǎng)格通過(guò)傳遞導(dǎo)納矩陣建立起穿孔管兩側(cè)的振動(dòng)速度和聲壓的線(xiàn)性關(guān)系

消聲器傳遞損失由下式給出：

P1為入口處的入射聲壓，P2為出口處的透射聲壓，Ain為入口橫截面積；Aout為出口橫截面積。由公式(6)可知，傳遞損失與P1，P2，Ain，Aout有關(guān)，因此，文中針對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化消聲器。

2 消聲器建模及網(wǎng)格劃分

2.1 模型尺寸說(shuō)明

某裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸四沖程渦輪增壓，排氣量為12.9 L，轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。

為了估算消聲器的容積的大小，通常采用公式(7)計(jì)算消聲器的容積

Q表示有關(guān)消聲效果的修正系數(shù)，一般取值2～6，此處取2；n為轉(zhuǎn)速，取值2 200 r/min；VST為柴油機(jī)排量，取值為12.9 L；τ為沖程數(shù)，四沖程取值為2；汽缸數(shù)i=6；這些值代入公式(7)，消聲容積V≈49.16L。消聲器的原模型滿(mǎn)足此要求，如圖1所示，單位為mm，其中進(jìn)口管直徑和出口管直徑分別為60 mm和77 mm。軸向角度Φ定義為消聲器進(jìn)口管軸線(xiàn)和進(jìn)口管軸線(xiàn)間的夾角，如圖1所示。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算時(shí)，四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，由于四面體網(wǎng)格自適應(yīng)好，因此，本文對(duì)模型采用四面體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。模擬穿孔管時(shí)，需用傳遞導(dǎo)納矩陣建立穿孔管內(nèi)管壁和外管壁的振動(dòng)速度和壓力的關(guān)系，以往要求內(nèi)管壁和外管壁上的單元一一對(duì)應(yīng)，文獻(xiàn)[12]指出內(nèi)外管壁上的單元非一致對(duì)應(yīng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果也是理想的。劃分網(wǎng)格單元最大為4 mm，根據(jù)聲學(xué)網(wǎng)格的要求，計(jì)算頻率約為1 560 Hz，此處計(jì)算到1 200 Hz，以保證計(jì)算精度。

圖2 消聲器的網(wǎng)格模型

穿孔管兩孔間距離為11 mm，流體密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.000 017 1 Pa·s。第三腔中穿孔管的圓孔直徑為6 mm，穿孔率為16.19%，保持不變，而改變第四腔穿孔管的穿孔率。

3 軸向角度和穿孔管穿孔率對(duì)傳遞損失的影響

3.1 進(jìn)出氣口軸向角度對(duì)消聲器傳遞損失的影響

如圖3為軸向角度對(duì)傳遞損失的影響，其中，第三腔中穿孔管1，圓孔直徑為6 mm；第四腔中穿孔管2的圓孔直徑分別取為3 mm，4 mm，5 mm，6 mm。

圖3(1)中，d=3 mm，即穿孔率p=4.05%，從Φ分別取0和180時(shí)的傳遞損失曲線(xiàn)看出，通過(guò)頻率出現(xiàn)在200 Hz附近，此頻段傳遞損失很小，而Φ取值60和120，消聲器在此頻段消聲效果明顯；在740 Hz處，除軸向角度Φ為0外，各個(gè)傳遞損失曲線(xiàn)都達(dá)到消聲高峰，而Φ取值120，傳遞損失峰值最大；在中低頻區(qū)域，Φ取值60對(duì)應(yīng)的傳遞損失總體上比Φ取其它值要大。

圖3(2)中，Φ取值0時(shí)，通過(guò)頻率分別為180 Hz和370 Hz，當(dāng)Φ取值120時(shí)，在10 Hz～600 Hz出現(xiàn)三個(gè)消聲峰谷，傳遞損失曲線(xiàn)第一個(gè)消聲峰谷往低頻移動(dòng)，同時(shí)傳遞損失也變大，Φ取值60的傳遞損失曲線(xiàn)尤為明顯；Φ取值60，120，180時(shí)，傳遞損失曲線(xiàn)的峰值幾乎同時(shí)出現(xiàn)在740 Hz處。

圖3(3)中，d=5，即穿孔率p=11.24%，Φ取值0時(shí)，在頻段600 Hz和1 200 Hz之間，傳遞損失曲線(xiàn)在870 Hz峰谷值為63.36 dB；Φ取值60，120，180時(shí)，在400 Hz以下，消聲器傳遞損失變大；在頻段450 Hz到490 Hz之間，軸向角度Φ從0變?yōu)?20 Hz時(shí)，傳遞損失變小，在1 140 Hz處，Φ取值60時(shí)，傳遞損失曲線(xiàn)出現(xiàn)消聲峰值，并且比其它曲線(xiàn)的峰值要大；當(dāng)頻率在1 140 Hz與1 200 Hz之間時(shí)，Φ取其它值對(duì)消聲器傳遞損失影響很大。

圖3(4)中，Φ取值60，120，180時(shí)，傳遞損失曲線(xiàn)的峰值72.5 dB,同時(shí)出現(xiàn)在740 Hz處；Φ取值0的傳遞損失曲線(xiàn)在130 Hz峰谷值為負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)出口聲壓高于進(jìn)口聲壓，消聲性能很差。

由圖3得知，傳遞損失曲線(xiàn)走向很不一致，說(shuō)明傳遞損失受軸向角度影響很大。在中低頻段，消聲器軸向角度取值60度，此時(shí)消聲器的消聲性能較好。

圖3 軸向角度對(duì)傳遞損失的影響

3.2 穿孔管穿孔率對(duì)傳遞損失的影響

圖4為當(dāng)Φ=60時(shí),穿孔率對(duì)傳遞損失的影響。

隨著穿孔管穿孔率的變大，傳遞損失曲線(xiàn)有向低頻處拱形衰減，傳遞損失曲線(xiàn)峰值向高頻處移動(dòng)；隨著傳遞損失隨穿孔率減小，低頻處的消聲性能增強(qiáng)，高頻處消聲性能有所變差，但在所接受的誤差范圍內(nèi)，因此第四腔穿孔管的穿孔率可選為4.05%。

圖4 穿孔率對(duì)傳遞損失的影響(Φ=60)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)軸向角度為60時(shí)，此時(shí)消聲量提高較為明顯，低中頻段的消聲量也得到較大改善。原消聲器軸向角度由0度，第四腔穿孔管穿孔率為11.24%，其它參數(shù)如圖1中所示。圖5為改進(jìn)后的消聲器和原消聲器消聲性能比較，在0～800 Hz范圍內(nèi)消聲性能有較大改善，尤其是0 Hz～700 Hz范圍內(nèi)，消聲性能良好，滿(mǎn)足了裝載機(jī)中低頻消聲要求。

圖5 改進(jìn)后的消聲器和原消聲器消聲性能的比較

現(xiàn)用實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 消聲器傳遞損失測(cè)量示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：四個(gè)B&K傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理軟件B&K Pulse FFT&CPB Analysis Type 7700。

實(shí)驗(yàn)所用消聲器，進(jìn)出口管軸向角度為60，第四腔穿孔管長(zhǎng)度為110 mm，穿孔率為4.05%。測(cè)量時(shí)，溫度為25度，聲速為346 m/s，空氣密度為1.182 kg/m3,末端為消聲末端。聲源產(chǎn)生帶寬0～1 200 Hz的白噪聲。

圖7為消聲器傳遞損失數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)值比較，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值吻合較好，說(shuō)明文中計(jì)算是準(zhǔn)確的。

圖7 消聲器傳遞損失的數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)值比較

5 結(jié)語(yǔ)

為研究軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響規(guī)律，文中建立消聲器的有限元模型，計(jì)算消聲器的傳遞損失。在第四腔中的直通穿孔管的穿孔率取不同值時(shí)，分析不同軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸向角度取60度時(shí)，比原消聲器的消聲性能好，提高了中低頻段的消聲性能，且其消聲頻率范圍較寬，消聲器的消聲量滿(mǎn)足要求。因此，為消聲器的設(shè)計(jì)時(shí)，有必要考慮軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響。

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Simulation andAnalysis of NoiseAttenuation Performance of the Wheel Loader’s Muffler

ZHANG Shi-wei1,CHEN Chang-zheng1,ZHOU Bo2, MIAO Hai-ling3,HUANG He-ting4,LIU Chun4
(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 2.Architectural and Engineering Institute,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 3.School of Science,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 4.Xiamen XGMAMachinery Co.Ltd.,Xiamen 361000,Fujian China)

Three-dimensional acoustic finite element method was employed to investigate the effect of the axial angle of the inlet and outlet on the acoustic attenuation performance of the muffler.The results show that the axial angle of the inlet and outlet has a great effect on the transmission loss of the muffler at low and mid frequencies.The improved muffler has the best acoustic performance for 60°axial angle,which provides a good advice for the design of the muffler.

acoustics;muffler;acoustic finite element analysis;perforation ratio;transmission loss

TK422

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.044

1006-1355(2015)02-0201-04

2014－10－06

面向節(jié)能與安全的集成智能化工程機(jī)械裝備研發(fā)（2013BAF07B04）

張士偉（1983－），男，山東省德州市夏津縣人，博士生，主要研究方向：噪聲與振動(dòng)控制。E-mail:zsw1260320@126.com

陳長(zhǎng)征（1964－），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:chencz6699@sina.com