某消聲器插入損失有限元計算及優化

尹潞剛，陸森林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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某消聲器插入損失有限元計算及優化

尹潞剛，陸森林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：以插入損失為評價指標，基于ANSYS和Matlab軟件，采用根據插入損失定義模擬安裝消聲器前后排氣系統出口聲壓得到插入損失的方法(直接模擬法)，以及采用求解消聲器傳遞矩陣四端子參數得到插入損失的方法(間接模擬法)，對某型號消聲器A的插入損失進行有限元計算,并對結構進行改進。通過實驗驗證計算結果的可靠性。結果表明：直接模擬和間接模擬兩種有限元分析方法均可有效預測插入損失，改進后的消聲器B的插入損失有一定的提高，證明了插入損失的有限元分析在消聲器設計制造過程中的可行性。

關鍵詞：插入損失；消聲器；有限元分析；結構優化

以往消聲器的理論研究往往以計算傳遞損失為主。傳遞損失反映了消聲器本身的消聲性能，不受系統的影響，比較容易計算，但不容易測量。而插入損失反映了消聲器在系統中的實際降噪性能，測量相對比較方便，但具體計算比較困難。利用有限元軟件ANSYS對消聲器插入損失進行有限元數值求解可以減少消聲器設計和改進過程中的人力、物力投入[1-5]。針對某4FD2-13型柴油機用消聲器，采用直接模擬法和間接模擬法計算其插入損失,針對計算結果提出改進方案，并驗證其可靠性。

1插入損失有限元計算

1.1間接模擬法

消聲器的進出口兩端的參量可以看成類似于電學系統的四端子網絡結構，如圖1所示。由四端子網絡理論，P1，V1與P2，V2有如式(1)所示的矩陣關系。

圖1　消聲器四端子網絡

(1)

開路傳遞系數

(2)

短路傳遞阻抗

(3)

開路傳遞導納

(4)

短路傳遞系數

(5)

式(1)～(5)中：P1，P2分別為入口聲壓和出口聲壓；V1，V2分別為入口體積速度和出口體積速度；A,B,C,D為四端子網絡參數，它們組成了僅與消聲器結構有關的傳遞矩陣。

傳遞矩陣法(又稱為四端子法)簡便實用，對在氣流平均、無溫度梯度情況下的平面波能得到較為滿意的結果[6-7]。但消聲器在高頻段存在高次波，使得理論與實際情況存在較大差異。如果將傳遞矩陣法與有限元法有效結合，就能很好地克服高次波的影響，得出較精確的結果[8]。把消聲器和連接管組合的幾何模型導入ANSYS并作前處理。在V2=0和P2=0的條件下，求得進出口聲壓。依據式(2)～(7)，用Matlab編程求得包括連接管在內的模型的傳遞矩陣4個參數A,B,C,D。然后根據式(8)編制程序,分別計算消聲器的插入損失[9-10]。

式中：p1，p2，p3表示消聲器兩端軸向均勻分布的三點處的聲壓；h表示相鄰兩點間的距離；S表示進出口管截面積大小。

(8)

式中：A,B,C,D和A′,B′,C′,D′為帶有消聲器和用等長度直管代替消聲器后的四端子參數；ρ為介質密度；c為聲速；Zr為管口輻射阻抗率。管口輻射阻抗率可由經驗公式(9)求得。

(9)

式中：k為波數；α為消聲器出氣口半徑。

1.2直接模擬法

直接模擬法又稱定義法，即根據插入損失的定義，利用ANSYS軟件來模擬實驗情況而得到插入損失。依據國家標準GB/T4759—1996要求布置包括聲源、連接管、消聲器或者與之等長的直管，以及消聲器出口處的聲場四者組成的排氣系統模型[11]。在消聲器出口管處建立遠場聲學模型，可以求得離出口處0.5 m×45°處的聲壓。其中，出口處聲場的球面用FLUID130無限遠聲學單元模擬無反射的無限遠聲場，其余用FLUID30聲學單元。圖2、3分別為帶消聲器和不帶消聲器(用等長直管代替)的排氣系統有限元模型。在這2個排氣系統有限元模型的聲源入口處加載聲壓，得到相應的出口聲壓P0和P1，再由式(12)得到插入損失。

(12)

圖2　帶消聲器的排氣系統有限元模型

圖3　不帶消聲器的排氣系統有限元模型

2插入損失計算結果及分析

2.1原消聲器插入損失計算

原消聲器A的結構示意圖如圖4所示。該消聲器包含3個內部腔室，第1腔和中間腔之間的隔板采用了穿孔板結構，中間腔和第3腔通過一個偏置的穿孔管連接。出口管布置為穿孔模式，其中，穿孔板均勻分布著156個φ 7 mm的小孔，中間腔與第3腔的穿孔管部分均為φ 5.5 mm的小孔，數量分別為204和150。分別應用傳遞矩陣四端子參數求解法和從定義出發的直接模擬法來求消聲器的插入損失。

圖4　原消聲器A的結構示意圖

原配消聲器A在用四端子法計算插入損失時，在進氣管處加長為3 m的連接管。由圖5中四端子法對應的曲線可以看出：在低于250 Hz的低頻段，插入損失基本低于20 dB，消聲效果欠佳；在250～2 800 Hz消聲效果較穩定；但是在2 800～3 000 Hz和3 400～3 600 Hz效果不夠理想。 在1 000,3 000和3 450 Hz附近有通過頻率。

建立原消聲器A的有限元模型，用直接模擬法對消聲器插入損失進行計算。由圖5直接模擬法計算所得的曲線可見:在100 Hz以下的頻段插入損失小于0，消聲器A無消聲效果；在100～500 Hz計算值不夠理想；在500～3 750 Hz頻段，消聲效果基本穩定，并在1 250 Hz達到峰值，在3 000 Hz左右存在通過頻率；頻率大于3 750 Hz時，插入損失急劇下降直至接近0，消聲效果不理想。

圖5　用四端子法與直接模擬法計算的

由圖5可知：在750 Hz處，四端子法求得的插入損失明顯高于直接模擬法；在1000 Hz和3500 Hz附近時，直接模擬求得的插入損失較大，其余頻段結果基本吻合。差異原因：定義法考慮了聲源的影響，模擬了輸入聲阻抗問題，因此與傳遞矩陣法存在差異。除此之外，出口阻抗誤差的影響也是兩者結果存在差異的原因。但總體上看，直接模擬法與四端子法分析原配消聲器A插入損失的所得結果基本吻合，都能正確反映消聲器A在各個頻段的消聲情況，均可用于消聲器的性能模擬和改進。

2.2原消聲器結構改進

基于保證原消聲器大體結構不變和避免功率損失過大的原則，對原配消聲器A進行了內部結構的改變，得到了消聲器B，其結構如圖6所示。進口管均布著φ 6 mm的小孔，每周18個，共8周，每周相距10 mm。將原來的穿孔板結構改為4個均布的內徑為30 mm的插入管，用1個φ 60 mm的內插管連接第2腔和第3腔。此外，加大第3腔并配合第4腔以提高某些特定頻率的消聲效果。出口管設置為偏置穿孔管，并設計了一段彎管，其中均布著φ 6 mm的孔，每周18個，共6周，每周相距9 mm。圖7為消聲器B的插入損失計算結果與原消聲器A插入損失計算結果的比較。

圖6　改進消聲器B的結構

由圖7可見：改進后的消聲器B的插入損失與原消聲器A相比有了較大的提高。在200～3 600 Hz的主要頻段，消聲器B的插入損失大幅提高，基本保持在60 dB以上，且多次達到100 dB以上。但是在小于200 Hz和高于3 600 Hz的范圍，優化結果不夠理想。總體比較，改進方案較為理想，實現了消聲性能的大幅提升，并且改善了1 000,3 000和3 450 Hz處的通過頻率。

圖7　原消聲器與改進消聲器插入損失曲線比較

3實驗結果與仿真計算結果的比較

實驗方法參照《內燃機排氣消聲器測量方法》(GB/T4759—1996)進行[12]。使用采樣頻率25.6 kHz的B&K3560型噪聲測量分析系統; 轉換精度為ADC/DAC 24 位;聲音靈敏度為50 mV/Pa 。每次連續測量前后對儀器進行校準，聲級校準器的誤差低于0.5 dB。測量時，背景噪聲需滿足比被測噪聲低10 dB的條件，且測點處的風速低于2 m/s。測點位置距離出口端 0.5 m 處，與消聲器軸向成45°,如圖8所示。實驗過程中，測點和消聲器相對位置固定，傳聲器距地面高度大于1 m，與其他反射面間距大于2倍測距。

圖8　消聲器測量位置示意圖

改進前后消聲器系統排氣噪聲頻譜圖的實驗結果如圖9所示。此時柴油機的轉速為2 500 r/min。實驗結果顯示：在250～500 Hz左右的低頻段和3 500 Hz以上的高頻段，優化后消聲器B的插入損失不及原消聲器，但是在大部分中頻域，優化后消聲器的插入損失均高于優化前。總體來看，盡管存在數值大小的差異，但與兩種有限元方法所得的趨勢是一致的。

圖9　實測消聲器插入損失

4結束語

對某柴油機原配消聲器A建立有限元模型，并對其進行數值計算。分別采用直接模擬和間接模擬兩種有限元分析方法求得插入損失，所得曲線基本吻合，均可用于消聲器插入損失的模擬和優化。針對消聲器A消聲性能的缺陷，對內部結構重新設計，得到消聲器B，并進行有限元計算，和實驗測試結果進行對比。結果表明：改進方案比較理想。有限元數值計算所得的曲線與實驗結果具有一致的規律性，但在數值上仿真結果和實驗數據有差距，主要表現在：實驗得到的插入損失均小于計算結果，且實驗得到的新消聲器的改善效果也不如計算結果好。主要原因為：實際消聲器中存在殼體輻射噪聲和內部氣流再生噪聲，而這2種噪聲在計算時沒有考慮，在今后的研究中應同時考慮這2個因素產生的噪聲。

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(責任編輯劉舸)

Calculation and Optimization of Insertion Loss of a Certain Muffler by Finite Element Method

YIN Lu-gang, LU Sen-lin

(School of Automotive & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Considering the insertion loss as an evaluation index and based on ANSYS and Matlab，using the method which get the insertion loss of muffler by simulating the exhaust system to install mufflers (direct simulation method) and another method which get the insertion loss of muffler by calculating four terminal parameters of muffler transfer matrix (indirect simulation method), we calculated the insertion loss of a certain type of muffler A by Finite Element Method(FEM) and improved the structure of it. Finally, the reliability of the improved muffler was verified by experiment. The results show that the transfer matrix method as well as the definition method can be used in prediction of the insertion loss. The improved muffler B shows better performance in insertion loss. The finite element analysis of the insertion loss in the process of muffler design and manufacture were verified.

Key words:insertion loss; muffler; finite element analysis; structure optimization

文章編號：1674-8425(2016)04-0006-05

中圖分類號：U463

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.002

作者簡介：尹潞剛(1991—)，男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事車輛工程研究。

基金項目：江蘇省汽車重點實驗室開放基金資助項目(QC200803)

收稿日期：2015-10-11

引用格式：尹潞剛，陸森林.某消聲器插入損失有限元計算及優化[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(4):6-10.

Citation format：YIN Lu-gang, LU Sen-lin.Calculation and Optimization of Insertion Loss of a Certain Muffler by Finite Element Method[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):6-10.