兩通穿孔管消聲器聲學(xué)性能分析

張 楊

(1.重慶市汽車動力系統(tǒng)測試工程技術(shù)研究中心，重慶401120；2.重慶大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶400044)

穿孔管消聲單元因消聲性能良好，壓力損失較低，在內(nèi)燃機排氣噪聲控制中得到廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外學(xué)者運用有限元法和邊界元法等方法分析了直通穿孔管消聲器和三通穿孔管消聲器的聲學(xué)性能，并研究了穿孔率和幾何參數(shù)對其聲學(xué)性能的影響[1-9]，而針對兩通穿孔管消聲單元的聲學(xué)性能研究涉及甚少。兩通穿孔管消聲單元作為復(fù)雜抗性消聲器的常用消聲元件之一，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對聲學(xué)性能的影響規(guī)律，準(zhǔn)確掌握其消聲特性，對消聲器的設(shè)計和改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文首先通過FEM 計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較，驗證了FEM預(yù)測消聲器聲學(xué)性能的正確性。在此基礎(chǔ)上，利用FEM分別研究了插入管長度、腔長、穿孔段長度以及穿孔率等參數(shù)對兩通穿孔管消聲單元聲學(xué)性能的影響，論證了第二腔的低頻共振作用，并得出了兩通穿孔管消聲單元的設(shè)計規(guī)律。

1 有限元模型的建立

圖1為典型的兩通穿孔管消聲單元結(jié)構(gòu)示意圖，其具體尺寸為：穿孔直徑dh=5 mm，進(jìn)出口管穿孔段始端距第一腔左壁面距離L1=50.3 mm，穿孔段長度L2=215 mm，進(jìn)出口管穿孔段末端距第一腔右壁面距離L3=50.3 mm，進(jìn)出口管內(nèi)徑d=42.5 mm、壁厚t=3.5 mm，第二腔的長度L4=140 mm，第二腔中內(nèi)插管的長度L5=5 mm，腔體和隔板厚度均為4.4 mm，穿孔率φ=4.7%，腔體橫截面尺寸如圖1右圖所示。在分析過程中將進(jìn)出口管位置及管徑固定不變（如圖1的右圖所示），進(jìn)出口管長度取固定值300 mm 和200 mm，僅將穿孔段長度L2、穿孔率φ、第二腔腔長L4、第二腔中插入管長度L5等主要參數(shù)作為變化量。

圖1 兩通穿孔管消聲單元結(jié)構(gòu)示意圖

使用CATIA 三維建模軟件建立各個結(jié)構(gòu)的流體模型，并在ANSA環(huán)境下進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，孔結(jié)構(gòu)的單元長度為2 mm，非孔結(jié)構(gòu)的單元長度為8 mm，有限元模型如圖2所示。

圖2 兩通穿孔管消聲單元有限元模型

選用Virtual.Lab Acoustics 軟件對有限元模型進(jìn)行求解。整個數(shù)值模擬過程中對穿孔管上的每個孔進(jìn)行真實模擬，將消聲器壁面視為剛性壁面，并假設(shè)空氣介質(zhì)為理想流體，不考慮介質(zhì)的粘滯性，進(jìn)口施加單位振速，出口設(shè)為全吸聲，仿真時溫度設(shè)為27°C，介質(zhì)中聲速c=347.514 m/s，介質(zhì)密度ρ=1.174 kg/m3。

2 計算方法準(zhǔn)確性驗證

為了確保FEM的計算結(jié)果準(zhǔn)確有效，本文首先運用兩載法[10]對某兩通穿孔管消聲器的聲學(xué)性能進(jìn)行了試驗測量，被測消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：進(jìn)出口管周向僅均布一排孔，孔數(shù)均為10，進(jìn)出口管穿孔始端距第一腔左壁面距離L1=150 mm，進(jìn)出管穿孔末端距第一腔右壁面距離L3=150 mm，除此之外其他結(jié)構(gòu)尺寸均與圖1相同，試驗裝置如圖3所示，由揚聲器、低通濾波器、傳聲器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集處理儀器、計算機等構(gòu)成，試驗時的環(huán)境溫度為27°C；然后將試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖3 兩通穿孔管消聲器傳遞損失測量裝置示意圖

圖4 消聲器傳遞損失計算與試驗結(jié)果

圖4的對比結(jié)果表明：在2 400 Hz 以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)傳遞損失的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好；而2 400 Hz以上高頻域的傳遞損失實驗值明顯高于仿真計算值。

結(jié)果分析：由于有限元方法是建立在理想氣體波動方程基礎(chǔ)之上，忽略了介質(zhì)的黏滯性，而實際介質(zhì)對波動能量的耗散作用，以及黏滯性吸收系數(shù)與頻率平方成正比，高頻聲波的黏滯性吸收系數(shù)比低頻大[11]；所以，中低頻范圍內(nèi)的傳遞損失實驗值與計算值吻合良好，而實際高頻消聲量較計算值明顯偏高。由此說明，利用有限元方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測排氣消聲器的中低頻聲學(xué)性能而對高頻聲學(xué)性能的預(yù)測誤差較大。

鑒于本文研究的抗性消聲單元，廣泛應(yīng)用于阻抗復(fù)合型消聲器中，而阻抗復(fù)合消聲器的阻性部分已具有良好的中高頻消聲效果，所以本文只研究該消聲單元的中低頻聲學(xué)性能。

3 傳遞損失計算分析

兩通穿孔管消聲單元的聲學(xué)性能受諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，探討某一結(jié)構(gòu)參數(shù)對聲學(xué)性能的影響時，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變或僅隨之變化與之關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 兩通穿孔管消聲單元聲學(xué)性能整體分析

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，被測消聲器在109 Hz 的低頻處產(chǎn)生了一個明顯的共振峰。提取如圖5所示的共振頻率109 Hz處被測消聲器的聲壓云圖，可以看出第二腔中的聲壓達(dá)到最大值，這說明圖4中的低頻共振峰是由第二腔產(chǎn)生的，即第二腔是共振腔。

圖5 被測消聲器共振頻率109 Hz 處內(nèi)部聲壓云圖

圖6 子結(jié)構(gòu)流體模型

將圖1所示的兩通穿孔管消聲單元移去第二腔以及兩腔的兩連接管L6，為引述方便將剩余結(jié)構(gòu)稱為“子結(jié)構(gòu)”，流體模型如圖6所示；計算“子結(jié)構(gòu)”的傳遞損失并與原整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 子結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)的傳遞損失比較

如圖7所示，子結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能300 Hz以內(nèi)相差較大，300 Hz以上基本相同。這再次說明了兩通穿孔管消聲單元的第一個共振峰是由第二腔產(chǎn)生的；此外，由圖7可以發(fā)現(xiàn)，兩通穿孔管消聲單元中第二腔主要影響300 Hz 以下的低頻聲學(xué)性能，而第一腔主要影響300 Hz以上的聲學(xué)性能。

綜合圖5、圖7可以得知：兩通穿孔管消聲單元中兩連接管L6、第二腔及其兩插入管L5構(gòu)成一個端部共振器。

3.2 端部共振器共振作用分析

共振式消聲器是一種通過管道開孔與赫姆霍茲共鳴腔相連形成的結(jié)構(gòu)[12]。端部共振器的基本原理與旁支型、同軸型、窄縫型共振器大致相同：旁支管（連接管L6及插入管L5）形成旁支短管的聲質(zhì)量，共鳴腔（第二腔）形成聲容；當(dāng)入射聲波頻率與聲質(zhì)量、聲容系統(tǒng)固有頻率相同時形成共振，入射聲波被共鳴器旁支所阻攔，形成消聲作用[13]。其中聲質(zhì)量、聲容與共振頻率的平方成反比；聲質(zhì)量與旁支管有效長度成正比、與旁支短管總橫截面積成反比，聲容與共鳴腔體積成正比。

需要說明的是，端部共振器共振頻率的計算并不能按集總質(zhì)量法，用兩旁支管橫截面積和長度線性疊加來考慮。

3.3 第二腔插入管長度對傳遞損失的影響

由于實際消聲器設(shè)計過程中插入管長度受諸多因素的限制，因而分別探討了進(jìn)出口管插入第二腔的長度相同和不同時，插入長度對聲學(xué)性能的影響情況，如圖8、圖9所示。

圖8 不同插入管長度傳遞損失比較

圖9 不同插入管長度傳遞損失比較

圖8表示的是進(jìn)出口管插入第二腔中長度相同時，傳遞損失隨插入長度變化情況。由圖8知：第二腔插入管長度對300 Hz以內(nèi)的傳遞損失影響較大，插入管長度增加，第一個共振峰往低頻移動，這與理論上端部共振器旁支管長度增加，共振頻率降低相一致；插入管長度對300 Hz以上中低頻的傳遞損失影響較小，這與圖7的結(jié)論一致。

由圖9知：不同進(jìn)出口管插入長度組合時，150 Hz 以內(nèi)的傳遞損失有一定的變化，共振峰移動，這符合共振頻率隨端部共振器旁支管長度變化的規(guī)律；150 Hz以上的傳遞損失幾乎不受插入長度影響。由于逆流插入管消聲器出口管插入長度對壓力損失有重要影響[14]，因而兼顧動力性能的同時，根據(jù)圖8、圖9的影響規(guī)律來設(shè)計進(jìn)出口管插入長度仍然可以獲得良好低頻消聲效果。

3.4 第二腔腔長對傳遞損失的影響

圖10反映了傳遞損失隨第二腔腔長變化的情況。

圖10 不同第二腔腔長傳遞損失比較

由圖10知：第二腔腔長對300 Hz以內(nèi)的低頻傳遞損失有重要影響，隨第二腔腔長的增加，共振峰往低頻移動，頻帶變窄，這與理論上端部共振器共鳴腔體積增大，振頻率降低相一致；第二腔腔長對300 Hz以上中低頻域的傳遞損失影響很小，這也與圖7的結(jié)論一致；所以，消聲器安裝空間允許的條件下，設(shè)計和改進(jìn)時可以通過適當(dāng)變化腔長來獲得需要的理想低頻消聲效果。

綜上所述，端部共振器對300 Hz 以上的聲學(xué)性能基本無影響，對低頻聲學(xué)性能有重要影響，所以，消聲器設(shè)計時增加端部共振器、合理調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)大小可以改善低頻消聲性能，進(jìn)而降低發(fā)動機的低頻排氣噪聲。

3.5 穿孔段長度對傳遞損失的影響

穿孔段長度的變化會引起第一腔的腔長變化或非穿孔段長度的變化，本文分別討論了這兩種情況下穿孔段長度對傳遞損失的影響，如圖11、圖12所示。

圖11反映了第一腔腔長隨穿孔段長度變化時，穿孔段長度對消聲器傳遞損失的影響情況。

圖11 不同穿孔段長度傳遞損失比較

圖12 不同穿孔段長度傳遞損失比較

由圖11看出：穿孔段長度的變化導(dǎo)致兩種明顯不同的消聲特性，在穿孔段的長度較小時，平面波域內(nèi)傳遞損失還展示了拱形衰減域，穿孔段長度對平面波域內(nèi)傳遞損失影響很小；穿孔段長度較大時，平面波域內(nèi)出現(xiàn)了第二個共振峰；這是由于第一腔腔長隨著穿孔段長度的變化而改變，穿孔段長度較小時第一腔的縱向長度小于橫向長度，平面波域內(nèi)第一腔類似于聲波沿橫向傳播的擴(kuò)張腔，因而展示拱形衰減域且穿孔段長度對傳遞損失影響較小，當(dāng)穿孔段長度較大時第一腔的縱向長度大于橫向長度，聲波在第一腔中沿縱向傳播，穿孔管結(jié)構(gòu)使第一腔在共振作用和擴(kuò)張作用的疊加下產(chǎn)生共振峰；穿孔段長度對平面波域外的中低頻傳遞損失影響很大，但規(guī)律不明顯，這是由于高模次波被激發(fā)，傳播規(guī)律發(fā)生變化造成的。

圖12反映了第一腔腔長固定時，消聲器傳遞損失隨穿孔段長度的變化情況。由圖12知：腔長不變時，穿孔段長度增加，導(dǎo)致非穿孔段長度減小，第一個共振峰往高頻移動，這與理論上喉管有效長度減小端部共振器的共振頻率增加一致；穿孔段長度較小時，平面波域內(nèi)傳遞損失展示了拱形衰減域，穿孔段長度較大時，平面波域內(nèi)傳遞損失出現(xiàn)了第二個共振峰，這是因為穿孔段長度的變化使得非穿孔段長度也發(fā)生變化，這類似于擴(kuò)張腔消聲器的插入管長度發(fā)生變化，因而導(dǎo)致平面波域內(nèi)出現(xiàn)拱形衰減或共振峰；穿孔段長度對高于截止頻率的中低頻傳遞損失影響很大，但規(guī)律不明顯，這是由于高模次波被激發(fā)，傳播規(guī)律發(fā)生變化造成的。綜合圖11、圖12知，穿孔段長度對消聲器的中低頻傳遞損失有重要影響，所以消聲器設(shè)計和改進(jìn)時需要充分考慮穿孔段長度對聲學(xué)性能的影響。

現(xiàn)代機械制造工藝中高新技術(shù)的引進(jìn)對工藝的發(fā)展有著相當(dāng)重要的地位。計算機技術(shù)、自動化技術(shù)等等高新技術(shù)融入到機械制造工藝中，使其突破傳統(tǒng)機械制造工藝技術(shù)簡單的缺點，使得機械制造工藝變得更加科學(xué)，使得機械制造工藝過程更加方便，更能適應(yīng)時代的發(fā)展，滿足社會市場的需求。

3.6 穿孔率對傳遞損失的影響

圖13為進(jìn)出口管的穿孔率相同時，不同穿孔率的消聲器傳遞損失比較圖。

圖13 不同孔率的傳遞損失比較

由圖13知：穿孔率對900 Hz以內(nèi)的傳遞損失影響較小，第一個共振峰基本不受穿孔率的影響，穿孔率主要影響900 Hz以上的中低頻傳遞損失；穿孔率增加，900 Hz以上的聲學(xué)性能有一定的改善。所以，穿孔率較小時在消聲器改進(jìn)設(shè)計中，不影響低頻聲學(xué)性能的同時可以優(yōu)先考慮采用增加穿孔率來改善中頻附近局部頻段的聲學(xué)性能。

如圖14所示：把不同的穿孔率進(jìn)行組合，得到進(jìn)出口管采用不同的穿孔率組合對傳遞損失的影響規(guī)律。

圖14 不同穿孔率的傳遞損失比較

由圖14可以看出：穿孔率對900 Hz以內(nèi)的傳遞損失影響很小，對900 Hz 至1 500 Hz 的傳遞損失影響較復(fù)雜，但可以得知，進(jìn)出口管采用不同的穿孔率組合較進(jìn)出管采用相同穿孔率，可以明顯改善900 Hz至1 500 Hz范圍內(nèi)的聲學(xué)性能。因此，消聲器改進(jìn)時在不改變低頻聲學(xué)性能的情況下，可以使進(jìn)出口管采用不同的穿孔率組合來改善中頻附近頻段聲學(xué)性能。

4 結(jié)語

（1）兩通穿孔管消聲單元一端增加一腔可以構(gòu)成端部共振器；端部共振器在低頻產(chǎn)生共振峰，對300 Hz 以內(nèi)的低頻聲學(xué)性能有重要影響，而對中低頻其他頻段基本無影響；合理設(shè)計端部共振器在兼顧動力性的同時，可以獲得理想的低頻消聲效果。

（2）穿孔率對兩通穿孔管消聲單元低頻傳遞損失影響很小，對中頻附近頻段的傳遞損失影響較大；進(jìn)出口管使用不同的穿孔率可以改善中頻附近頻段的聲學(xué)性能。

（3）穿孔段長度對兩通穿孔管消聲單元中低頻傳遞損失影響較大，消聲器設(shè)計時應(yīng)考慮這一因素對聲學(xué)性能的影響。