结构参数对扩张式消声器消声性能影响的数值分析

1、设计研究汽车科技第1期2010年1月结构参数对扩张式消声器消声性能影响的数值分析徐磊1，2，刘正士1，2，毕嵘1，2（1合肥工业大学噪声与振动工程研究所，合肥230009；2安徽省汽车NVH 与可靠性重点实验室，合肥230009）摘要：扩张式消声器具有结构简单成本低廉消声性能良好等优点，广泛应用于汽车进排气系统噪声控制，为对其消声性能进行深入分析，应用有限元数值仿真方法，详细讨论了结构参数对消声性能的影响。关键词：扩张式消声器；消声性能；有限元法；结构参数中图分类号：U464文献标志码：A文章编号：10052550（2010）01002604The Numerical Analysis on

2、the Effect of Structural Parameters upon the AcousticAttenuation Performance of Expansion MufflersXU Lei 1，2，LIU Zhenshi1，2，BI Rong 1，2（1ISVR，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ；2KeyLaborary of Automotive NVH and Reliability of Anhui Province ，Hefei 230009，China ）Abstract ：Expansion

3、Mufflers which have a good acoustic attenuation performance simple structure low cost and so on ，are widely used in internal combustion engines intake and exhaust noise controlsIn order to indepthunderstanding of itsacoustic attenuation performance ，this paper discusses the effect of the structural

4、parameters on the basis of finite ele-ment methodKey words ：expansion mufflers ；acoustic attenuation performance ；finite element method ；structural parameters扩张式消声器是抗性消声器最常用的结构形式3，主要用于消减中低频噪声，广泛应用于汽车进排气系统噪声控制。因此研究和分析扩张式消声器各结构参数对其消声性能的影响，掌握其消声特性，对消声器的改进和设计具有重要的指导意义。目前，对消声器的研究方法主要有实验法、经验公式法、传递矩阵法、数值仿真

5、方法等。随着计算机和软件技术的发展，仿真方法因其速度快、精度高、周期短、成本低等优点已经成为工程应用领域的重要方法4。鉴于有界空间声学仿真问题，有限元法比边界元法具有更高的计算精度和求解稳定性5，具有更高的运算效率6，为全面了解结构参数对扩张式消声器消声性能的影响，本文运用有限元数值计算方法，讨论各结构参数对其消声性能的影响。道横断面的扩张和收缩引起的声波反射与干涉来进行消声的3。扩张式消声器是由管和室两种基本元件组成的，声波在管道中传播时，横断面的突变会引起声波传播方向的改变，使透射声波减弱，从而达到消声目的。单节扩张室的消声量可以用下式计算2：（1）TL 10lg111m sin 22L式

6、中，m 表示扩张比；L 表示扩张室长度；表示波长。根据（1）式可求得单节扩张室的最大消声频率为：#2$f c 4L n 1c 1（2）单节扩张室的通过频率为：f t （3）1扩张式消声器的消声原理扩张式消声器也称为膨胀式消声器，是利用管式中，L 表示扩张室长度；c 表示声速；n 1。23扩张式消声器的高频失效频率公式道）为：（圆形管收稿日期：2009-06-14基金项目：国家863基金项目（2006AA110101）f s 122c （4）结构参数对扩张式消声器消声性能影响的数值分析徐磊，刘正士，毕嵘设计研究式中，c 表示声速；d 表示管道直径。20m =4m =6m =9221扩张式消声器的

7、有限元数值分析有限元数值分析步骤传递损失/d B15建立几何模型建立有限元模型计算传递损失22传递损失的计算7消声器的传递损失只与本身结构有关，不受声源特性和尾管辐射特性的影响，是消声器研究中最常用的性能指标。在消声器进出口满足平面波条件时传递损失表达式为：1050050010001500频率/Hz200025003000图1扩张比对消声性能的影响32W i p 20lgi t t（5）扩张室长度对消声性能的影响由图2可见，随着扩张室长度的增加，其通过频L TL 10lg率移向低频，拱形峰值对应的最大消声频率也降低，消声频带变窄，但消声器的最大消声量不变。根据扩张式消声器这一性质，可以通过调整

8、扩张室长度来达到所希望的最大消声频率、通过频率和传递损失带宽。15L =150mmL =200mmL =250mm传递损失/d B式中，W i p i 为消声器进口处的入射声功率和入射声压；W t p t 为消声器出口处的透射声功率和透射声压。消声器入口处的声压p 1可以用入射波p i 和反射波p r 之和来表示：p 1p i p r ，质点振动速度v 1可以表示为：0c 0v 1p i p r ，0为空气密度，c 0为声速。以上两式相加得到p i （p 10c 0v 1）2，假设出口无反射则出口处声压p 2p t ，可以得到变形后的传递损失公式为：L TL 20lg2p 210（6）根据（6

9、）式，当v 1为已知或给定时，利用有限元方法求出消声器内部声压场，将进出口声压值代入，便可求得消声器传递损失。53结构参数对消声性能的影响为了研究各结构参数对消声性能的影响，本文0050010001500频率/Hz200025003000图2扩张室长度对消声性能的影响设计了多种扩张式消声器有限元模型，在研究某参数时，保证其他参数不变，从而得出该结构参数对消声性能的影响，为消声器的改进和设计提供更多依据。33内插管插入深度对消声性能的影响扩张式消声器在无内插管插入的情况下，消声曲线呈规则拱形排列（如图1、2），在有内插管插入的时候，其消声曲线呈拱形和共振峰的叠加（如图31扩张比对消声性能的影响图

10、1所示是一单腔扩张式消声器在扩张比分别3），而且共振峰的峰值频率随插入深度的增加向低频移动，关于内插管共振峰频率可以通过下面的公式来预测2。为96、4时的声传递损失曲线，可见扩张比越大消声效果越好，扩张比的变化并不引起通过频率和最大消声频率的变化，但往往由于车辆结构空间的限制，扩张比不能做的很大，并且消声性能也不是随着扩张比无限增大的，所以在工程实际中一般取20m 54。c（7）式中，f 表示频率；c 表示声速；L 表示内插管插入长度；n 0。123f （2n 1）理论研究已经证明：当内插管插入长度为扩张27设计研究室长度的二分之一时，其峰值频率与扩张室消声特性的奇次通过频率一致；当插入长度为

11、扩张室长度的四分之一时，其峰值通过频率与扩张室消声特性的偶次通过频率一致1。这样在扩张室进出口处，内插管分别插入二分之一和四分之一，便可以消除扩张室的通过频率，达到良好的消声效果。6050传递损失/d B汽车科技第1期2010年1月高频时偏置的消声效果要好于无偏置，而且偏置距离越大，消声性能越好，但消声器进出口偏置往往带来很大的流动阻力损失，引起发动机背压增高，功率损失增大，所以在实际应用中要综合考虑消声效果和压力损失，采取适当的配置方式。302520151050050010001500200025003000L =20mm L =15mmL =0mm403020100传递损失/d BL =1

12、00mm L =150mm L =0mm频率/Hz05001000频率/Hz图5进出口偏置对消声性能的影响图3内插管插入深度对消声性能的影响36扩张室串联对消声性能的影响图6所示为两单扩张室的消声效果及两扩张室34扩张室截面形状对消声性能的影响从图4可以发现扩张室截面形状（截面积相等）消声效果曲线的数学求和。图7比较了两扩张室串403530传递损失/d B对低频时的消声性能无影响，主要影响较高频率时的消声性能，而且圆形截面和正方形截面的消声曲线基本吻合，椭圆形截面的消声曲线在2400Hz 时出现较高消声量，在2400Hz 以后的频率消声量变小。椭圆形截面时消声性能的变化，主要是由于椭圆形较扁，

13、高频声波直接从扩张室通过，不能达到很好的消声。对于圆形和正方形截面，在较高频段也存在高频失效问题，不过发生频率要高于椭圆形截面。20圆形椭圆形正方形L =L 1+L 2L 1=120mm L 2=180mm2520151050050010001500200025003000频率/Hz15传递损失/d B图660单扩张室及其消声性能之和曲线求和扩张室串联1050传递损失/d B4030201000500频率/Hz3000505001000频率/Hz图4扩张室截面形状对消声性能的影响35进出口偏置对消声性能的影响图5表示了进出口无偏置和两种不同偏置时的图7两扩张室串联消声效果与两单扩张室消声效果求

14、和比较消声效果。可以发现偏置对低频的消声性能无影响，结构参数对扩张式消声器消声性能影响的数值分析徐磊，刘正士，毕嵘设计研究联及其单独消声效果曲线的数学求和，可以发现两扩张室串联的消声性能与其单独消声效果的数学求和能够基本吻合。可以通过单独扩张室消声性能的数学求和来预测扩张室串联的消声性能，能够取得较好的一致性。37内插管数量对消声性能的影响图8给出了单内插管和多内插管的传递损失曲线（为忽略内插管长度的的影响，取内插管长度相等且很短，图中单内插管（见图9）和四个内插管（见图10）时的气流流通面积相等，六个内插管的流通面积大于四个内插管流通面积）。从图8可以发现单内插管在2100Hz 以后已经失去

15、消声能力，而多内插管拓宽了消声器的有效消声频率。单内插管和多内插管时的通过频率和拱形峰值对应频率几乎相等，只是个别窄带共振峰频率不一致。从图中还可以发现四个内插管时在1500Hz 以下消声性能也好于单插管。从整个频率段上看四个内插管的消声性能要好于六个内插管，主要是由于六内插管时气流流通面积较大，导致扩张较小的缘故。总之，从图8可以看出多内插管的消声量和消声频带都好于单内插管。706050传递损失/d B六内插管单内插管四内插管图10四内插管结构4结论本文应用有限元数值分析方法，讨论了结构参数对扩张式消声器消声性能的影响。可以得出如下结论：（1）扩张比影响消声量，且扩张比越大消声量越大；（2）扩张室长度影响消声器消声的拱形峰值频率、通过频率和传递损失的带宽；（3）内插管的插入深度决定共振峰的峰值频率；（4）扩张室的截面形状对低频消声性能无影响，当扩张室较扁时其高频失效频率降低；（5）进出口偏置在一定程度上能够提高扩张式消声器的消声性能；（6）扩张室串联的消声效果可以通过单个扩张室消声效果的简单求和来预测；（7）多内插管可以扩大有效消声的频率范围，扩张比相同时，多内插管消声性能好于单内插管。参考文献：1何琳，朱海潮声学理论与工程应用M 北京：科学出版4030201000500100015002000频率/Hz25003000社，20062庞剑，谌刚，何华汽车噪声与振动M 北京