多腔汽車消聲器消聲性能仿真分析

張士偉

（九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西 九江 332005）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車逐漸成為每個(gè)家庭的必需品，隨之而來(lái)，汽車噪聲問(wèn)題逐漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)境噪聲能量中，汽車噪聲占比高達(dá)75%。汽車消聲器是控制排氣噪聲的有效手段，因此，研究設(shè)計(jì)高效的汽車消聲器尤為必要[1-3]。

為避開(kāi)排氣噪聲的基頻，文獻(xiàn)[4]針對(duì)某柴油發(fā)電機(jī)消聲器的約束條件進(jìn)行優(yōu)化，并指出消聲器的聲固耦合影響消聲器傳遞損失，產(chǎn)生附加噪聲。文獻(xiàn)[5]采用GT-power 計(jì)算消聲器的插入損失和排氣背壓，建立發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲器的耦合模型，并通過(guò)聲學(xué)仿真軟件確定消聲器的改進(jìn)方案，并以試驗(yàn)予以驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]針對(duì)某轉(zhuǎn)載機(jī)消聲器，采用有限元法研究了影響其消聲性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并指出軸向角度對(duì)裝載機(jī)消聲器的消聲性能有影響。

基于單腔擴(kuò)張式消聲器傳遞損失受高階模態(tài)的影響，文獻(xiàn)[7]針對(duì)四沖程單缸汽油機(jī)的單腔擴(kuò)張式消聲器，研究進(jìn)出口偏置對(duì)單腔擴(kuò)張式消聲器高階模態(tài)傳播的影響。文獻(xiàn)[8-9]采用解析法、子結(jié)構(gòu)邊界元法和試驗(yàn)的方法研究進(jìn)出口偏置對(duì)圓形單腔擴(kuò)張式消聲器消聲性能的影響，并指出進(jìn)出口偏置對(duì)消聲性能有較大影響。對(duì)于單腔擴(kuò)張式消聲器，進(jìn)口管一般為直管，文獻(xiàn)[10]調(diào)整進(jìn)口管直管呈適合的角度，在某些特定頻率，消聲量高達(dá)10dB 到40dB，增大進(jìn)出口管的管徑可使消聲性能從高頻向低頻移動(dòng)。針對(duì)一擴(kuò)張式簡(jiǎn)單消聲器，將入口開(kāi)在消聲器側(cè)壁，文獻(xiàn)[11]采用傳遞矩陣的四極參數(shù)法預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失，其預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致，缺點(diǎn)是，在側(cè)壁開(kāi)的進(jìn)口管直徑遠(yuǎn)小于消聲器腔室直徑。文獻(xiàn)[12]針對(duì)矩形簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器，基于格林函數(shù)法研究其進(jìn)出口的不同布置對(duì)傳遞損失的影響。針對(duì)環(huán)形腔室，文獻(xiàn)[13]也利用格林函數(shù)法研究進(jìn)出口不同布置方式下的傳遞損失，計(jì)算了三種不同進(jìn)出口布置的環(huán)形腔室的消聲性能，指出環(huán)形腔室內(nèi)徑和進(jìn)出口直徑會(huì)導(dǎo)致阻抗失配，導(dǎo)致傳遞損失的變化。

以上都是針對(duì)抗性消聲器，且是單腔消聲器而言的，但對(duì)于多腔阻性消聲器進(jìn)出口軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響，研究不多，因此，針對(duì)某多腔汽車抗性消聲器，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)出口軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響規(guī)律，以豐富消聲器設(shè)計(jì)的手段，提高設(shè)計(jì)效率。

2 基本理論

為便于應(yīng)用波動(dòng)方程，需做如下假設(shè)：（1）介質(zhì)為理想流體；（2）聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)為絕熱過(guò)程；（3）為使波動(dòng)方程可用線性表達(dá)式表示，將在介質(zhì)中傳播的聲波視為小振幅聲波。由聲波的三大方程，可推導(dǎo)出亥姆赫茲波動(dòng)方程，即：

式中：p（x，y，z）—聲壓—拉氏算子；k=ω/c—波數(shù)；ω—角頻率；c—聲速；ρn—靜態(tài)情況下的聲壓；q（x，y，z）—體積速度。

將式（1）用權(quán)重積分表達(dá)，經(jīng)過(guò)變換，再由Guess 理論，對(duì)一個(gè)矢量φ，可得：

式中：Ω—體積V的表面；

n—表面Ω 的法線方向。

式中：K—?jiǎng)偠染仃嚕籆—阻尼矩陣；M—聲質(zhì)量陣；Fi—聲學(xué)激勵(lì)。消聲器傳遞損失為：

式中：P1—進(jìn)氣口處入射聲壓；P2—排氣口處透射聲壓；Ain—入口橫截面積；Aout—出口橫截面積。

3 模型及其網(wǎng)格劃分

某汽車消聲器的模型和尺寸圖，如圖1 所示。下面為其結(jié)構(gòu)參數(shù)：消聲器腔室直徑：200mm；第一、三個(gè)腔室長(zhǎng)度：170mm；支撐板間距（第二腔室）：140mm；伸入第二腔室的兩個(gè)插管直徑：80mm，伸入長(zhǎng)度均為20mm；進(jìn)氣管和排氣管直徑：90mm；進(jìn)出口軸向角度：0°；進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度30mm；排氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度30mm；壁厚：1mm。

圖1 消聲器的模型圖Fig.1 Model of Mufflers

采用Virtual Lab 聲學(xué)軟件時(shí)，可采用四面體或六面體劃分網(wǎng)格，鑒于四面體網(wǎng)格對(duì)模型適應(yīng)性好，采用四面體劃分網(wǎng)格。對(duì)于線性有限元，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)L與計(jì)算頻率fmax要滿足以下關(guān)系式：

式中：c—聲速。

消聲器的網(wǎng)格劃分，進(jìn)行聲學(xué)網(wǎng)格化分后，該網(wǎng)格的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其實(shí)為聲學(xué)網(wǎng)格的包絡(luò)面，因?yàn)榇颂帲槍?duì)消聲器內(nèi)的氣體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。入口施加單位速度，出口處為無(wú)反射邊界條件。

圖2 消聲器網(wǎng)格劃分Fig.2 The Meshing Model of the Muffler

消聲器進(jìn)出口軸向角度取不同值的模型，如圖3 所示。為研究該汽車消聲器進(jìn)出口軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響，采用Virtual Lab 分別對(duì)下圖四種模型進(jìn)行仿真計(jì)算。消聲器進(jìn)出口不同軸向角度，如圖4 所示。

圖3 消聲器進(jìn)出口軸向角度示意圖Fig.3 Sketch of the Axial Angle Between Inlet and Outlet

圖4 消聲器進(jìn)出口不同軸向角度Fig.4 Different Axial Angles Between Inlet and Outlet

4 模型計(jì)算與結(jié)果分析

4.1 進(jìn)出口軸向角度不同

消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)：腔室直徑：200mm；第一、三腔室長(zhǎng)度：170mm；支撐板間距（第二腔室）：140mm；伸入第二腔室的兩個(gè)插管直徑：80mm，伸入長(zhǎng)度均為20mm；進(jìn)氣管和排氣管直徑：90mm；進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度30mm；排氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度30mm；壁厚：1mm。消聲器在500Hz 處，不同進(jìn)出口軸向角度下的云圖，如圖5所示。從云圖中，可看出，改變消聲器進(jìn)出口軸向角度，其相應(yīng)的消聲器云圖分布隨之改變。

圖5 進(jìn)出口不同軸向角度的模型云圖Fig.5 Nephograms of Different Axial Angle of Mufflers

為進(jìn)一步量化消聲器進(jìn)出口軸向角度對(duì)消聲器消聲性能的影響，在消聲器入口和出口處提取兩點(diǎn)處的聲壓，計(jì)算得到其傳遞損失，如圖6 所示。從圖6 中可知，當(dāng)頻率低于700Hz 時(shí)，進(jìn)出口軸向角度對(duì)傳遞損失影響有限，當(dāng)頻率大于700Hz 時(shí)，消聲器傳遞損失受進(jìn)出口軸向角度影響變大，并有伴有傳遞損失的波峰出現(xiàn)。軸向角度為0°和60°時(shí)，消聲器在830Hz 處的消聲性能均表現(xiàn)良好，但在1300Hz 附近，軸向角度為60°時(shí)的消聲效果更好。

圖6 進(jìn)出口不同軸向角度時(shí)的傳遞損失Fig.6 Transmission Loss of Different Axial Angle of Mufflers

4.2 進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度不同

調(diào)整進(jìn)氣口伸入長(zhǎng)度分別為0mm，10mm，30mm，50mm，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)同上節(jié)一致。進(jìn)氣管不同伸入長(zhǎng)度時(shí)的模型云圖，如圖7 所示。進(jìn)氣口無(wú)伸進(jìn)長(zhǎng)度，如圖7（a）所示。進(jìn)氣口伸入長(zhǎng)度分別為 10mm，30mm，50mm，如圖 7（b）～ 圖7（c）所示。

圖7 進(jìn)氣管不同伸入長(zhǎng)度時(shí)的模型云圖Fig.7 Nephograms of Different Length of Intake Manifold

進(jìn)氣管不同伸進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)的傳遞損失，如圖8 所示。由圖8 可知，當(dāng)進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，傳遞損失的峰值頻率升高，傳遞損失峰值數(shù)量增多；與進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度為零相比，進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度為50mm 時(shí)，其峰值頻率由880Hz 變?yōu)?30Hz，相應(yīng)地，進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度為10mm 和30mm 時(shí)，其峰值頻率為880Hz 和900Hz，因此，可以根據(jù)此特點(diǎn)調(diào)整進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度來(lái)滿足消聲器的設(shè)計(jì)要求。由于該消聲器結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，只分析進(jìn)氣管對(duì)消聲器消聲性能的影響。

圖8 進(jìn)氣管不同伸進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)的傳遞損失Fig.8 Transmission Loss of Different Length of Intake Manifold

4.3 支撐板間距

調(diào)整支撐板間距分別為100mm，120mm，140mmm，160mm，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)同上。改變消聲器第二腔室的支撐板的間距，得到消聲器壓力云圖，如圖9 所示。改變支撐板間距，消聲器壓力云圖隨之變化，第二腔室變化不大，第一、三腔室從云圖上看，變化較為明顯。支撐板間距取不同值時(shí)，消聲器的傳遞損失曲線圖，如圖10 所示。在頻率為500Hz 附近，增大支撐板的間距，消聲器傳遞損失曲線的波峰頻率變低，支撐板間距從100mm 到160mm，500Hz 附近的峰谷頻率分別由560Hz 降為470Hz；在頻率1400Hz 附近，支撐板間距也會(huì)引起傳遞損失曲線波峰和波谷的移動(dòng)，總體來(lái)看，支撐板間距的改變對(duì)消聲器消聲性能影響有限，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，靈活變動(dòng)支撐板的間距，以適應(yīng)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的需要。

圖9 第二腔室支撐板間距取不同值時(shí)的模型云圖Fig.9 Nephograms of Different Spacing of Support Plate of the Second Chamber

圖10 支撐板間距不同時(shí)的傳遞損失Fig.10 Transmission Loss of Different Spacing of Support Plate

圖11 進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度取50mm 時(shí)的傳遞損失Fig.11 Transmission Loss of Length of Intake Manifold（50mm）

分析進(jìn)氣管對(duì)傳遞損失的影響來(lái)看，當(dāng)進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度為50mm 時(shí)，消聲器消聲性能較好，如圖11 所示。因此，將進(jìn)氣管伸進(jìn)長(zhǎng)度調(diào)整為50mm，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變進(jìn)出口軸向角度，軸向角度對(duì)消聲器傳遞損失有較大影響，當(dāng)頻率低于700Hz時(shí)，軸向角度對(duì)傳遞損失影響不大，當(dāng)頻率大于700Hz 時(shí)，傳遞損失受軸向角度影響較大；在850Hz 和1300Hz 處，進(jìn)出口軸向角度對(duì)傳遞損失影響很大，且軸向角度為60°時(shí)，消聲器具有較好消聲性能。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后汽車消聲器的試驗(yàn)原理示意圖，如圖12 所示。消聲器傳遞損失測(cè)試試驗(yàn)主要設(shè)備分別為：信號(hào)收集與處理軟件（B&K Pulse FFT&CPB Analysis Type 7700）；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；四個(gè)B&K 傳聲器。由結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，得到改進(jìn)后的消聲器，其他參數(shù)不變，進(jìn)出口角度為60°，測(cè)量溫度為25°，空氣密度1.225kg/m3，聲速為346m/s，末端無(wú)聲波反射，聲源產(chǎn)生的白噪聲帶寬為（0～1200）Hz。傳遞損失測(cè)量試驗(yàn)圖，如圖13 所示。試驗(yàn)聲源由音箱提供，音箱發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器，傳遞到試驗(yàn)管路中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理采集到的數(shù)據(jù)。消聲器改進(jìn)前后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果，如圖14 所示。由圖中可知，改進(jìn)后，消聲器消聲器消聲性能有較大幅度提高，尤其在頻率850Hz 和1340Hz 左右，改進(jìn)后的消聲消聲性能明顯優(yōu)于原消聲器。

圖12 消聲器試驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.12 Sketch of Measurement of Transmission Loss

圖13 傳遞損失測(cè)量試驗(yàn)圖Fig.13 Experiment of Transmission Loss Measurement

圖14 改進(jìn)前后消聲器的消聲性能Fig.14 Comparison of Acoustic Performance Between Proposed and Improved Mufflers

以上分析表明，與原汽車消聲器做比較，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出口軸向角度可以達(dá)到優(yōu)化消聲器消聲性能的目的。

5 結(jié)論

以往消聲器進(jìn)出口軸向角度影響消聲器消聲性能時(shí)，研究對(duì)象大多針對(duì)單腔消聲器，鑒于此，針對(duì)某汽車抗性多腔消聲器，基于聲學(xué)有限元法，采用Virtual Lab 聲學(xué)仿真軟件，研究該多腔汽車消聲器進(jìn)出口軸向角度對(duì)消聲性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：（1）結(jié)果顯示，消聲器進(jìn)出口軸向角度對(duì)汽車消聲器的消聲性能有較大影響。軸向角度為0°和60°時(shí)，其消聲性能表現(xiàn)良好。（2）當(dāng)軸向角度為0°，增大進(jìn)氣管伸入長(zhǎng)度，傳遞損失曲線峰值向高頻移動(dòng)；而增大支撐板間距，在500Hz 左右，傳遞損失曲線峰谷向低頻偏移。（3）對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析研究后，針對(duì)原汽車消聲器進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)進(jìn)出口軸向角度為60°時(shí)，其消聲效果良好，并以試驗(yàn)給予了驗(yàn)證。（4）進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)、制造時(shí)，可通過(guò)調(diào)整消聲器的進(jìn)出口軸向角度來(lái)提高消聲器的消聲性能，從而進(jìn)一步豐富了消聲器的設(shè)計(jì)方法。