結構對抗性消聲器影響的性能分析

杜美余，周俊杰，蘇學冰，耿毫偉，魯亞龍

(鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

消聲器是安裝在空氣動力設備氣流通道上或進、排氣系統中，以降低噪聲的裝置，它既可以使氣流通過，又能有效地降低噪聲，是控制噪聲的有效工具，是噪聲控制技術中應用最多最廣的降噪設備，消聲器的設計和研制已經得到了國內外各專家的悉心研究。

插入損失是裝置消聲器前后，在固定測點處的聲壓級或總聲壓級、頻帶聲壓級之差，插入損失只能反映整個系統包括消聲器、管道及噪聲源在裝置消聲器前后聲學性能的變化，并不能直接反映消聲器本身的消聲性能[1]。式(1)中， LP1、LP2分別為消聲器安裝前后某給定點的平均聲壓級，單位為dB。則分別為安裝消聲器前后固定測點處的聲壓，單位為Pa。

(1)

傳遞損失定義為消聲器入口處入射聲能與出口處透射聲能之比，是入射聲功率級與透射聲功率級之差，測量上一般是指入口入射聲壓和出口透射聲壓之差。

(2)

(2)式中， Lw1與Lw2與分別為消聲器入口和出口端的聲功率級，單位為dB，分別為消聲器入口和出口端的聲功率，單位為W， P1為入射聲壓，P2為透射聲壓，單位為Pa。

1 建立模型

消聲器的內部結構一般較為復雜，并且加上較高的氣流速度，使得消聲器內部流場的分布情況非常復雜。因此對消聲器的流場分布進行仿真研究，首先需要對消聲器的工作條件作如下簡化：

(1)抗性消聲器固體區和流體區的物理性能參數均為常數(2)流體為定常流動中的湍流(3)不考慮重力的影響(4)消聲器入口流體流速為勻速，無脈沖影響在COMSOL軟件中建立如圖所示模型，通過改變擴張室的長度和直徑、內插管長度來改變模型。消聲單元結構研究的基本尺寸為擴張室長度L=200mm，擴張室直徑D=100mm；入口長度L1=60mm，入口直徑D1=50mm；出口長度L2=60mm，出口直徑D2=50mm；L2、L3分別為入口、出口內插管長度(初始長度為0)。

圖1 幾何模型圖

2 設置邊界條件

空氣經過入口進入擴張室，采用平面波輻射，壓力幅值為1Pa。當氣流速度低于10m/s時，氣流對消聲量的影響很小，當氣流速度超過30m/s時，氣流對消聲量的影響則不容忽視。氣流速度越高，消聲量下降越大，同時，如果氣流速度過高，還將使消聲器的阻力損失加大。因此，采用湍流邊界條件，入口速度為20m/s。出口壓力為0，其他邊界為壁。

3 結果分析

3.1 速度場分析

表1 不同入口、出口內插管長度尺寸

圖2 單腔擴張式消聲器內部流體流速分布圖

圖2為入口流速為20m/s時，不同內插管結構消聲器的內部流場分布示意圖，可以發現，消聲器流場的共同特點是，大部分氣體通過具有相同軸心的輸入管、內插管和輸出管而直接排出。擴張室內其它大部分區域氣體流速均比較小，大都屬于消聲器內氣體流速最小值區域，因此氣體對擴張室內壁的沖擊比較小。相對前后內插管兩類消聲器而言，當插入管長度相同時，消聲器的出口處氣體流速基本相同，只是由于內插管位置的不同導致消聲器內部局部各點的流速不同，在消聲器出口的截面積突變處，由于存在一定的結構尖角，導致此處流體的湍流強度和氣體湍流動能較大，由此可能會產生一定的湍流噪聲。隨著內插管長度的增大，位于內插管根部位置出現氣流“盲區”，在這些位置，氣體流速很小，有些位置甚至達到了0m/s。

3.2 壓力場分析

圖3 不同尺寸的插入管壓降關系圖

由圖3可以看出，入口內插管的壓降隨插入管長度的增加而增加。只有出口插入管時的壓降最大。在入口流速一定的情況下，各消聲器入口平均全壓值相差不大，基本上保持一致。氣體從入口進入消聲器后，由于擴張室截面的突然變大導致部分氣體在內部徑向擴散，內部插入管越短，擴散的氣體越多，這部分氣體經過兩個180度的轉折以后才從出口排出，在一定程度上增大了氣體的能量損失，壓力損失主要以沿程摩擦阻力損失為主。

3.3 聲場分析

圖4 頻率為1000Hz時的總壓場分布圖(Pa) 圖5 頻率為1000Hz時壓級的聲分布圖(dB)

由圖4、圖5可以看出，頻率為1000Hz時，內插管影響聲壓場的分布。入口聲壓保持基本不變，當出口插入管長度為0，入口插入管長度增加，在出口存在聲壓較大，甚至會出現"回聲"現象，在幾何模型的中間位置，聲壓級存在最小值，且較小區域隨入口插入管長度的增加而減小。當入口插入管長度為0時，出口插入管長度增加，入口處的聲壓保持基本不變，出口聲壓發生變化，且在入口區域，聲壓逐漸減小在擴張室入口兩側存在最小值。擴張室內，最大聲壓級發生在出口位置的兩側，且較小聲壓級區域隨出口插入管長度的增加而減小。

4 結論

(1)當插入管長度相同時，消聲器的出口處氣體流速基本相同，只是由于內插管位置的不同導致消聲器內部局部各點的流速不同，隨著內插管長度的增大，位于內插管根部位置出現氣流"盲區"，在這些位置，氣體流速很小，有些位置甚至達到了0。

(2)入口內插管的壓降隨插入管長度的增加而增加。只有出口插入管時的壓降最大。在入口流速一定的情況下，各消聲器入口平均全壓值相差不大，基本上保持一致。

(3)頻率為1000Hz時，入口聲壓保持基本不變。當出口插入管長度為0，入口插入管長度增加，在出口存在聲壓較大，甚至會出現"回聲"現象。在幾何模型的中間位置，聲壓級存在最小值，且較小區域隨入口插入管長度的增加而減小。當入口插入管長度為0時，出口插入管長度增加，入口處的聲壓保持基本不變，出口聲壓發生變化，且在入口區域，聲壓逐漸減小在擴張室入口兩側存在最小值。擴張室內，最大聲壓級發生在出口位置的兩側，且較小聲壓級區域隨出口插入管長度的增加而減小。

[1] 方建華.基于CFD的工程機械抗性消聲器設計與性能分析[D].濟南： 山東大學,2009.

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