抗性消声器声学性能的有限元分析_图文

1、【 排放噪声 】抗性消声器声学性能的有限元分析李 健 1, 郑忠才 1, 高 岩 2, 张坤金1(1. 山东建筑大学 机电学院 , 山东 济南 250101; 2. 山东电子职业技术学院 , 山东 济南 250014 摘要 :本文应用有限元法对抗性消声器内部声场进行了有限元分析 。 建立了抗性消声器 声场有限元分析模型 , 通过加载 、 求解以及后处理等对消声器内部声场进行计算分析 , 获得消 声器内部声压级和压力分布情况 。 通过分析结果可以直观地获取消声器进出管的长度 、 内插 管的长度和直径大小以及穿孔板孔径大小对消声器传递损失和消声性能影响 , 为消声器的优化设计提供可靠的依据 。关键

2、词 :抗性消声器 ; 声学性能 ; 有限元分析中图分类号 :TK402 文献标识码 :A 文章编号 :1673-6397(2008 04-0031-04Finite Element A nalysis of Acoustic Performance of Reactive MufflerLI Jian 1, ZHE NG Zhong -cai 1, GAO Yan 2, ZHANG Kun -jin1(1. Shandong Jianzhu University , Jinan 250101, China ;2. Shandong College of Electronic Tec hnolo

3、gy , Jinan 250014, China Abstract :In this paper , the sound field of muffler is analyzed by finite element method . The model of reactive muffler sound filed finite are built , then acoustic pressure and fluid pressure distribution inreactive muffler are computed after a series of sound field analy

4、sis procedure including loading , solving and post proc essing . The analytic results show the effects on and acoustic performance directly subject to the length of the outer pipe , the length and the diameter of the internal pipes and hole size in the board . It pr ovides a solid evidences for opti

5、mal design of the muffler .Key Words :Reactive Muffler ; Acoustic Per for mance ; Finite Element Analysis基金项目 :山东省科技攻关奖金项目 (项目号 2006GG2206005作者简介 :李健 (1979- , 男 , 山东日照人 , 在读研究生 , 工程师 , 主要从事机械振动和噪声控制方面的研究 。0 引 言抗性消声器主要利用声抗的大小来消声 , 通过 各种不同形状的管道和腔室进行适当地组合 , 提供管道系统的阻抗失配 , 使声波产生反射或干涉现象 , 从而降低由消声器向外辐射的声能1

6、。 由于抗性消 声器在低中频较好的降噪效果 及其较小的压 力损 失 , 所以在发动机的排气消声处理中得到广泛使用 。 本文利用有限元分析方法对抗性消声器进行声场分 析 , 讨论消声器进出管的长度 、 内插管的长度和直 径大小以及穿孔板孔径大小对消声器传递损失和消声性能影响 , 为消声器的优化设计提供可靠的依据 。1 声场理论分析1. 1 声传播过程的数学物理描述为了使问题简化 , 在不改变问题性质的前提下 , 对介质及声传播过程作如下假设2:(1 介质为理想流体 , 即介质不存在粘滞性 , 声 波在其传播时没有能量的损耗 , 流体没有扰动和紊 流 。(2 声传播是一个绝热过程 , 与外界不存在

7、热交 换 。2008年第 4期 (总第 106期 内燃机与动力装置 I . C . E &Powerplant 2008年 8月(3 介质的静态压强 P 0和静态密度 0都是常 数 , 声压 P 远小于介质静压强 P 0, 质点速度远小于 声速 c ; 质点位移远小于声波波长 。(4 消声器为刚性壁管组成 , 声波不会透过壁 管向外辐射 。 1. 2 数学模型的建立图 1所示为轴对称抗性消声器 。图 1 轴对称抗 性消声器示意图 在 域的二维平面波动方程32p c 2t(1对上式进行分离变量可得 2P +k 2P =0(2式中 2 二维拉普拉斯算符k 波数 , k = c 为圆频率 c

8、 声传播速度P 声压消声器的传递损 失 (TL 在消声器的进 出口面 积相等时的计算公式 :TL =20lg (P 1 P 2(3考虑到消声器的入口声压和出口声压的比值 ,故在不失普遍性的前提下 , 为方便起见 , 令入口端的 声压为 P i =1。 这样在入口截面 :P 1=P i +P r ; 在出 口截面 :P 2=P 1。 这样有 :v 1=(1-P 1 c , v 2=P 2 c 。 其中 P i 、 P r 分别为入口端入射声波和反射声波 的声压 ; P t 为出口端透射声压 ; v 1, v 2分别为消声器 人口处和出口处的声速度 ; 为声传播媒质的密度 。声传播的运动方程形式

9、:x Pc t=0(4声传播的连续性方程形式 : x t(5 将式 (4 、 (5 联立求解并化简可得Px=i v (6式中 i 为虚部符号 , i =-1 Px =2ki -pki 在 S 1上 =ikP 在 S 2上x=0 在 S 3上 至此 , 得到消声器的数学模型2P +k 2p =0 Px =kpi -2ki P=-kpi =0(72 消声器声场的有限元计算分析2. 1 消声器的结构设计及模型的建立消声器设计为三级带内插管和穿孔板的收缩和扩张腔串联而成 , 左端为入口 , 右端为出口 , 其结构 模型简图如图 2所示 , 为轴对称抗性消声器 , 结构主要尺寸如表 1所示 , 共三种方

10、案 。 通过改变消声器 进出管的长度 、 内插管的长度和直径大小以及穿孔 板孔径大小来建立模型 。图 2 抗性 消声器结构模型 (mm 表 1 抗性消声器主要尺寸消声器 序号L(mm 1(m m 2(m m 3(m m (m m 1(m m 2(m m 37509050103003015452. 2 消声器有限元声场分析(1 有限元建模消声器建模和计算时 , 在既保证一定的计算精 度 , 又节省计算时间的前提下 , 结构模型作了如下简 化 4:将穿孔板的穿孔简化为三个 , 减小网格划分的 歧变概率 ; 假定整个过程是在常温下进行的 ; 消声器 壁为刚性单元 , 其他为流体单元 。 采用边界元法

11、进 行分析计算 , 即将边界离散为单元的插值法 , 把边界 积分方程转换为线性代数方程组 , 从而获得问题的数值解 5。 声波是向无穷远处传播的 , 所以采用声·32·内燃机与动力装置 2008年 8月波环形边界 6。圆环半径的大小为 :r =D 2+0. 2式中 r 圆的半径D 消声器的总长 波长 , =c f f 圆频率材料的特性参数条件 : 结构单元 :其物质的密度 为 7600kg m 3, 物质的弹性模量 E 为 2. 1×1011Pa ; 声学单元 :流体的密度 为 1. 22kg m 3, 流体 的声速 v 为 1460m s 。进行网格划分 , 在

12、划分网格时必须注意不同单 元相连时对自由度的影响 。 模型有限元网格划分如 图 3所示 。(2 加载和求解在消声器入口处加载入口声 压值为 2Pa , 并固 定结 构 单 元 的 自 由 度 , 最 后 定 义 选 频 率 范 围 为 0500Hz , 载荷步值取 25 。图 3 消声器声场分析 有限元网格模型(3 计算结果分析由于抗性消声器在低频范围内有很好的消声效 果 , 因此对其进行研究时 , 本文主要选择了 60Hz 频 率进行分析 。 对其进行声场分析后 , 得到了三种不 同结构模型的消声器压力 、 声压级分布图如图 4和 图 5所示 。(a 结构模型 (b 结构模型 (c 结构模型

13、 图 4 三种结构模型压力分布图·33·2008年第 4期李 健 , 等 :抗性消声器声学性能的有限元分析 从图 4三种模型压力分布图中可以看出 , 模型 各腔压力分布比较均匀 , 模型 和模型 各腔压 力变化比较急促 , 由此可知在进口处施加相同压力时 , 消声器结构越复杂 , 对气流的阻碍越大 , 其消声 器内部各腔压力变化梯度就越大 。(a 结构模型 (b 结构模型 (c 结构模型 图 5 三种结构模型声压级分布图 从图 5三种模型声压级分布图可以看出改变消 声器进出管的长度 、 内插管的长度和直径大小以及 穿孔板孔径大小对消声器传递损失的影响 。 表 2列 出不同结

14、构尺寸模型的最大 、 最小声压级及传递损 失 。表 2 三种结构模 型声压级比较分析消声器序号最大声压级 (dB 最小声压级 (dB 传递损失 (dB 96. 18485. 93510. 249 96. 48285. 63410. 84896. 91485. 14811. 766 对比模型 , 模型 加长进 、 出管和内插管的长度 , 最 大 声 压 级 提 高 0. 298dB , 最 小 声 压 级 降 低 0. 301dB , 传递损失增加 0. 599dB ; 在模型 的基础 上 , 继续加大内插管的直径 , 减少穿孔板间距 (即提 高穿孔板的穿孔率 , 最大声压级又提高 0. 432

15、dB , 最小 声 压 级 又 降 低 0. 486dB , 传 递 损 失 又 增 加 0, 模型 的效果要好 。 由此看出改变消声器进出管的长度 、 内插管的长度和直径大小以及穿孔板孔径大 小都直接影响消声性能的效果 。3 结束语通过对三种不同结构尺寸抗性消声器的声学分 析可知 , 改变消声器进出管的长度 、 内插管的长度和 直径大小以及穿孔板孔径大小 , 可以增加消声器的 传递损失 , 提高其消声性能 。 通过结果分析可以直 观地反映结构的变化对消声效果的影响以及由于结 构的改变而引起压力损失的变化 , 对内部结构优化 提供可靠依据 , 同时通过仿真可以快速方便地观察 设计的效果 , 减

16、少产品开发时间和成本 。 参考文献 :1赵松龄 . 噪声的降低与隔离 M . 上海 :同济大学出版社 , 1989.下 ·34·内燃机与动力装置 2008年 8月段 , 因此每炉材料 、 炉与炉之间材料的均匀性和一致 性更好 ; 同时铝液的合金化是在高温下完成的 , 经历 过高温熔炼获得的铝合金液的质量更好 ; 并且生产 条件得到了改善 、 工人劳动强度大大降低 。 根据我 公司四年多的生产实践 , 新工艺与传统的熔化工艺 (“ 二次熔化工艺 ” 、 “ 一次熔化工艺 ” 熔化的合金相 比 , 材料合金成分波动的离散度减少 了约 20%,经 热分析仪检验及显微分析确认 ,

17、材料的密度和细化 、 变质效果完全一致 , 并且处理的效果更加稳定 , 在这 方面新工艺优于传统工艺 , 质量保证能力得到了提 高 , 为确保材料的一致性 、 提高产品的力学性能和使 用性能奠定了坚实的基础 。2. 3. 2 铸造质量利用电解铝液直接配制铝合金液 、 生产铸件 (铝 活塞 、 铝轮毂 的新工艺 , 由于材料合金成分波动的 离散度小 、 材料的均匀性和一致性好 , 因此铝合金液 体性能的一致性也好 , 从而保证了铝合金液铸造性 能的一致性 , 减少了产品铸造质量的波动 , 铸造综合 废品率有所降低 , 其中 :普通铝活塞废品率 2%、 镶 圈盐芯铝活 塞废品率 5%、 普通 铝轮

18、毂废品率 8%、 表面抛光铝轮毂废品率 15%。2. 3. 3 材料性能利用电解铝液直接配制铝合金液 、 生产铸件 (铝 活塞 、 铝轮毂 的新工艺 , 由于材料合金成分波动的 离散度小 、 产品铸造内在质量的波动小 , 因此产品材 料的均匀性和一致性好 , 从而保证了产品的力学性 能和使用性能 。 材料的力学性能与化学成分 、 熔炼 工艺 、 铸造工艺 、 热处理工艺等均有关系 , 我们在同 样的生产条件下对铝活塞和铝轮毂本体的材料进行 了抽样测试 , 新工艺与传统工艺相比 , 材料的硬度 、 抗拉强度 (室温 、 300 、 延伸率 、 疲劳强度 、 抗冲击 性能等力学性能指标基本上是一致

19、的 , 其中 :硬度 、 抗拉强度 (室温 、 300 、 延伸率 , 这些指标的波动范 围缩小了 5%10%,这一点有利于确保产品的使 用性能 。 产品经过实验室试验和装车路试以及近两 年的大批量应用 , 证明产品质量优异 、 性能可靠 。 2. 3. 4 效益采用电解铝液直接配制铝合金液的新工艺 , 由 于省去了电解铝厂将铝液铸造成铝锭的工序和该过 程的热能浪费 , 又省去了在产品铸造车间将铝锭再 熔化为铝液的能耗 , 简化了工艺流程 , 缩短了工艺路 线 , 减轻了工人的劳动强度 , 减少了铝锭重熔时的二 次环境污染 、 铝锭熔化时的烧损和熔化能耗 。 采用 的炉底电磁搅拌技术 , 不但提高了材料的均匀性和 一致性 , 而且缩短了配料的熔化时间 (熔化速度至少 提高 1倍 , 节约了材料的熔化消耗费用 , 降低了生 产成本 。 按照目前铝活塞已达到的年产 2500万件 和铝轮毂已达到的年产 120万件的生产量计算 , 每 年使用约 50000吨铝合金 , 按 3%的烧损率计算 , 新 工艺可以减少约 1500吨铝的烧损及熔化能耗 、 价值 至少 3100万元 , 与 “