矩陣式消聲器低頻再生噪聲仿真

張昊

摘 要：以矩陣式消聲器為研究對象，通過流體及聲學(xué)有限元分析，計(jì)算出矩陣式消聲器再生噪聲，評估再生噪聲對矩陣式消聲器聲學(xué)性能影響。

關(guān)鍵詞：矩陣式消聲器;再生噪聲;有限元

1引言

矩陣式消聲器是利用截面為方形、長度沿氣流方布置的消聲元件矩陣排布組成的消聲器，近年來逐步開始在地鐵車站、航機(jī)試車臺、燃機(jī)試驗(yàn)臺等場所廣泛使用。在矩陣式消聲器使用中，消聲器內(nèi)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的再生噪聲，降低消聲器的降噪效果。隨著國內(nèi)對于包含次聲在內(nèi)的低頻噪聲日益關(guān)注，矩陣式消聲器低頻再生噪聲的影響值得重視。

2仿真方法

本文采用有限元法對矩陣式消聲器低頻再生噪聲進(jìn)行。消聲器再生噪聲屬于氣動(dòng)噪聲，對再生噪聲進(jìn)行預(yù)測需要計(jì)算消聲器內(nèi)部氣體流動(dòng)狀態(tài)，利用氣體流動(dòng)狀態(tài)計(jì)算聲源進(jìn)而獲得再生噪聲。

仿真步驟如下：1.在矩陣式消聲器模型基礎(chǔ)上建立流場與聲場模型并網(wǎng)格化。2.利用有限元軟件FLUENT軟件對進(jìn)行流場計(jì)算獲得矩陣式消聲器穩(wěn)態(tài)流場與瞬態(tài)流場。3.在瞬態(tài)流場仿真數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用FW-H方程，提取再生噪聲聲源。4.在聲場有限元網(wǎng)格中計(jì)算再生噪聲。

3流場計(jì)算

本文仿真模型采用2×2形式的矩陣式消聲器，具體信息如下：1.單個(gè)矩陣元件尺寸100mm× 100mm×500mm。2.矩陣元件有尾椎，尾椎長度45mm。3.矩陣式消聲器截面尺寸為300mm× 300mm，堵塞比約45%。4.各元件間距為50mm。

仿真模型對矩陣式消聲器進(jìn)行了簡化，只保留為消聲器主體的矩陣元件，不考慮矩陣式消聲器安裝件、限位件影響。

在矩陣式消聲器模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建流場模型。流場分為外部流場、消聲器流場與尾流區(qū)。外部流場為圖1中左側(cè)方形區(qū)域，尺寸為400mm× 400mm×100mm，模擬消聲器大氣環(huán)境;尾流區(qū)用于計(jì)算經(jīng)過消聲器之后的尾流區(qū)域，長度500mm。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，全局網(wǎng)格最大尺度不超過50mm，并在消聲器入口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，這些區(qū)域網(wǎng)格最大尺度不超過25mm。消聲器表面處設(shè)置7層邊界層網(wǎng)格，第一層邊界層網(wǎng)格厚度0.035mm。

利用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算。外部流場區(qū)域表面設(shè)置為入口，設(shè)置入口壓力為1個(gè)大氣壓。出口設(shè)置為流速為5m/s的速度出口。由于通過消聲器時(shí)氣流的擾動(dòng)與邊界層噪聲產(chǎn)生與邊界層密切相關(guān)，流場穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用湍流模型為k-ω模型。壓力和速度耦合選用SIMPLEC法。為保證聲場計(jì)算準(zhǔn)確性，流場瞬態(tài)的計(jì)算采用大渦模擬（LES）。

4再生噪聲計(jì)算

將消聲器流場區(qū)域作為聲源區(qū)域，并在聲源區(qū)域外建立聲傳播區(qū)，聲傳播區(qū)最外側(cè)面網(wǎng)格設(shè)為無限遠(yuǎn)場。為保證聲學(xué)計(jì)算準(zhǔn)確性，聲場網(wǎng)格最大尺度不超過68mm。

FLUENT中得到瞬態(tài)結(jié)果作映射到聲學(xué)計(jì)算網(wǎng)格，利用FE-H方程計(jì)算得到矩陣式消聲器再生噪聲源。以此為激勵(lì)計(jì)算輻射聲功率頻譜曲線。

在5m/s流速下，矩陣式消聲器再生噪聲在20～500Hz總輻射聲率級58.8dB，且在各頻帶上分布不均勻，聲能量幾種在幾個(gè)頻帶。

5結(jié)論

對于矩陣式消聲器，在500Hz以下頻段，總體再生噪聲聲功率級較低，對矩陣式消聲器降噪效果影響比較有限。但由于再生噪聲主要聲能量幾種在幾個(gè)較窄頻段，這些頻段矩陣式消聲器降噪效果任受到一定影響。

參考文獻(xiàn)

[1]王博.淺談組合式消聲器選型[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（11）：5458-5458.

[2]劉麗萍，肖福明，陶莉莉.消聲器結(jié)構(gòu)對氣流再生噪聲的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（4）：48-50.