一种新型消声器的设计和试验研究

1、一种新型消声器的设计和试验研究张文平 , 柳贡民 , 田华安 , 张新玉 , 季振林(哈尔滨工程大学 动力与核能工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150001摘 要 :针对某型柴油机排气噪声频谱特性 , . Fluent 对 消声器的阻力损失进行了仿真计算 , , 进行了仿真计算 , . 理论与实验结果均表明 , 所 , (A . 关键词 :排气消声器 ; ; 中图分类号 :1006-7043(2004 05-0627-04experimental study of new type of exhaust silencerZHAN G Wen-ping ,L IU G ong-min , TIAN

2、 Hua-an ,ZHAN G Xin-yu ,J I Zhen-lin(School of Power and Nuclear Energy Engineering ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China Abstract :The design process of a new type of exhaust silencer for some diesel engine models was discussed. Pres 2sure loss of the muffler was emulated and calculat

3、ed with FL U EN T software , and the scheme with less pressure loss was brought forward. The silencer s transmission loss was also calculated with acoustical software SYS 2NO ISE which carried on the finite element method. Finally an experiment was done to measure the silencer s inserting loss in co

4、ndition without airflow. The results of emulation and experiment shows that in the whole fre 2quencies considered of the diesel engine , this design can achieve the acoustic reduction of 25dB (A . K ey w ords :exhaust silencer ;insert loss ;transmission loss ;finite element method ;diesel engine收稿日期

5、 :2003-09-15.作者简介 :张文平 (1956- , 男 , 教授 , 博士生导师 . 柴油机是工业 、 农业 、 国防建设等各行业中广泛 使用的动力设备之一 . 柴油机工作时产生的气动噪 声 、 燃烧噪声和机械噪声等构成柴油机的主要噪声 源 . 其中以排气系统的气动噪声最为突出 , 成为环境 噪声污染的主要因素 . 降低排气噪声的最有效的方 法是采用排气消声器 . 因此 , 研制高效 、 低阻的排气 消声器是降低柴油机噪声的首要措施 .消声器是一种能阻碍声音传播而容许气流通过 的装置 , 有抗式消声器 、 阻式消声器和阻抗复合式消 声器等结构形式 1. 阻抗复合式消声器综合了抗式

6、和阻式两种消声器的特点 , 在一个很宽的频率范围 内具有良好的消声性能 . 消声器设计应该具有较好 的声学性能及气动性能 , 还要求结构简单 、 制造工艺 性好 、 体积小 、 成本低 、 工作可靠和使用寿命长 . 在实 际设计中 , 要同时满足这些要求是困难的 , 必须进行权衡和折衷 .该工作根据某型柴油机排气噪声的特性 , 在 119m 3的空间尺寸内 、 排气温度 500 和排气量 8m 3/s 的条件下 , 设计了一种新型二腔阻抗复合式 消声器 . 经现场静态声学试验 , 插入损失达 25dB (A 以上 , 阻力损失小于 118kPa.1 某型柴油排气噪声频谱特征柴油机的排气噪声频谱

7、特性较为复杂 , 它包括 以排气次数为基频的排气噪声 、 管道内气柱共振噪 声 、 排气岐管处气流吹气声 、 废气喷注和冲击噪声 、 气缸亥姆霍兹共振噪声以及排气系统管道内表面的 紊流噪声等 2. 利用柴油机排气噪声频谱来确定不 同频率下所需取得的消声量是消声器设计中很重要 的工作 . 某型柴油机额定功率下排气噪声 1/3倍频 程谱如图 1所示 .第 25卷第 5期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol. 25 . 52004年 10月 Journal of Harbin Engineering University Oct. 2004 图 1 某型柴油机不带消声器排气噪声 1/3倍频程

8、谱 Fig 11 1/3octave band spectrum of exhaust noise of a type of diesel engine without silencer=. (1 式中 :n , r/min ; z 为柴油机气缸数 ; 为冲程系数 , 四冲程机为 2, 二冲程机为 1.由式 (1 计算得到某型柴油机排气噪声基频为 26617Hz , 分频为 13314Hz , 倍频为 53314Hz. 欲获 得 25dB (A 的消声量 , 主要取决于 125Hz 1kHz 这 4个倍频带消声量 . 根据柴油机排气噪声谱 , 同时 考虑到 A 计权修正的影响 , 在这 4个频

9、带上应有 25 dB 以上的消声量 , 才能取得比较理想的消声效果 .2 消声器的设计柴油机排气消声器采用扩张室式的较多 , 但单 级扩张室式消声器难以满足消声量要求 , 因此多数 采用多级扩张串接形式 , 但级数不宜过多 , 以 24级为宜 3,4. 当级数超过 4时 , 消声量增加很少 , 而 功率损失却相对增加较多 , 且结构复杂 . 由于结构尺 寸和重量的限制 , 本文设计的柴油机排气消声器采 用 2级阻抗复合式结构 , 如图 2所示 . 其中敷设在内 接插管及消声器筒体内表面的吸声材料既改善了消 声器的高频消声性能 , 又可起到隔热作用 . 腔室之间 的隔板和插管对进口气流造成了阻挡

10、 , 但可避免高 频声直通透射 .这里应用流体软件 Fluent 对如图 2所示结构 的阻力损失进行了仿真计算 . 结果显示当流速为 60m/s 时 , 消声器的阻力损失为 21 68kPa , 超过消声 器的阻力损失应不大于 118kPa 的设计要求 . 为了 改善该消声器的流体动力性能 , 作了如图 3所示的 改进 . 仿真计算表明该方案的阻力损失只有 1134 kPa , 阻力损失较好地满足了设计要求 . 图 4给出了 两种不同结构内部的流场分布情况 . The sketch map of the exhaust silencer图 3 改进后的消声器结构示意图Fig 13 The st

11、ructure of exhaust silencer after mend图 4 改进前后两种消声器内部的流场分布Fig. 4 The path lines in two differentstructure of exhaust silencer3 用有限元法计算消声器传递损失 消声器的声学性能分析常用的数值方法有矩阵 法 、 有限元法 、 有限元 +边界元法等 . 目前已出现了 较成 熟 的 有 限 元 软 件 和 边 界 元 软 件 如 ANSYS , SYSNO ISE 等 5. 其中 , SYSNO ISE 软件既可选用 有限元技术 , 又可选用边界元技术 . 该软件的优点是 对声

12、场的后置处理功能很强 , 可计算结构的辐射声 功率 、 激励力的辐射声功率效率 、 矢量声强 、 声场的 质点振速分布 、 远场指向性等 . 这里把这两套软件联 合起来使用计算消声器的声学性能 (传递损失 , 即 先用 ANSYS 软件建立消声器的结构模型 , 进行网 格划分 , 然后利用 ANSYS 2SYSNO ISE 接口将模型826 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 25卷导入到 SYSNO ISE , 用 SYSNO ISE 软件计算消声器 的传递损失 .采用流固耦合作用模型 , 整个流体城内 , 描述完 全耦合的结构流体运动方程 , 分别对结构和流体的 单元进行离散 , 用统

13、一的矩阵形式表示流体压力和 结构位移分量的依赖关系 6:M Se 0R fe M f e u ¨e p ¨e + C Se 00C fe u e p e +K S e R fe 0K feu e p e =F Se 0. (2式中 :为介质密度 , R fe 用 , M 为质量矩阵 阵 . 上标 s 和 , p e 、 u e 分别为 . (2 可以同时获得结构表面 S 上的位移和声压 .利用上述有限元法得出消声器试验件在静态条 件下的传递损失 . 图 5给出了计算结果的线谱 .图 5 有限元法计算的消声器传递损失线性谱Fig 15 The linear spectrum

14、of silencer s transmissionloss calculated by finite element method4 消声器的消声性能 (插入损失 IL 试验 该试验是将试验台系统放在空旷的场地 , 进行 静态白噪声消声试验 . 试验台架如图 6所示 . 试验所 选用的仪器为 :带通滤波器 、 白噪声信号发生器 、 多 面体声源和功率放大器 . 带通滤波器的滤波带宽定 为 2010000Hz.插入损失是装置消声器前后所测得的排气管外 某定点处的声功率级之差 . 若声场分布情况保持不变 , 那么插入损失是在给定测点处 , 装置消声器前后声压级之差 ,IL =L p 1-L p

15、2. (3 式中 :L p 1未接消声器时某点测得声压级 , L p 2接入消声器后某点测得声压级 .图 6 排气消声器模拟试验台示意图 Fig 16 Sketch of simuleted test rig of exhanst silencer图 7给出了加装替换管和加装消声器两种状态下试验结果的倍频程谱 .图 7 静态白噪声放声试验得到的试验结果 Fig 17 The experimental data achieved by staticwhite noise experiment926 第 5期 张文平 , 等 :一种新型消声器的设计和试验研究5 结束语针对某型柴油机排气噪声频谱特性

16、 , 设计了一 种阻抗复合式排气消声器 ; 通过在该消声器筒体内 表面敷设吸声棉毡 , 不仅解决了中 、 高频段内的排气 噪声 , 同时隔离排气高温向外的辐射 ; 消声器腔室之 间的隔板和插管虽对进口气流造成了阻挡 , 但可避 免高频声直通透射 , 而在进 、 出口管及中间内插管采 取的导流措施则有效地降低了阻力损失 ; 理论与实 验结果均表明所设计的排气消声器在柴油机排气分 频 、 主频处都有较宽的消声带 , 中 、谷由多孔材料的吸声效果予以补充 .噪声 需 考 虑 的 频 带 内 , 该 消25dB (A .参考文献 :1赵松岭 . 噪声的降低和隔离 (下 M .上海 :同济大学出 版社

17、,1983.ZHAO S ong-ling. Noise reduction and insulation (Second part M .Shanghai :The Publishing Company of Tongji U 2 niversity , 1983.2刘丽萍 . 存在气流时消声器消声性能的实验研究 J.内燃机工程 ,2001, 22(1 :54-57.L IU Li-ping. The experimental study on the sound elimina 2 tion performance of mufflers with air-flow J .Chinese

18、Internal Combustion Engine Engineering , 2001, 22(1 :54 -57,61.3王言宁 . 6310发动机排气消声器的设计 J.黄河汽车 , 1995(2 :12-16.WAN G Y an-ning. The design of muffler for engine 6130J.Automobile of (2 :12-16.4. -1J. ( -45.on the design of model S195-1 of low back-pressure J.Journal of Hunan University , 1990,13(7 :41-

19、45.5蓝 军 , 史绍熙 , 郝志勇 . 发动机排气消声器传声特性的 计算研究 J.内燃机学报 ,2001,19(3 :275-278.LAN J un ,SHI Shao-xi , HAO Zhi-yong. Study on the calcu 2 lation of the acoustical transfer property of exhaust muffler J.Transaction of CSICE ,2001,19(3 :275-278.6CHENG C Y R ,SEY BERT A F. A multi 2domain boundary element soluti

20、on for silencer and muffler performance predic 2 tionJ.Journal of S ound and Vibration ,1991,151:119-129.责任编辑 :李玲珠 (上接 613页 经波浪模拟测试 , 该造波机的造波周期为 0. 4 4s. 在船舶的泊稳试验中 , 研究船舶的断缆情况需 要产生较长周期的波浪 , 这一点是很重要的 , 本设备 具有这种能力 , 可满足要求 .本造波系统经过技术改进 , 在二维非规则波模 拟方面 , 不仅可模拟国际水池会议规定的标准波谱 , 而且还能够模拟任意海域的实测谱 , 因此可用于开 发适应于

21、特定海域的新船型 .参考文献 :1文圣常 , 余宙文 . 海浪理论与计算原理 M .北京 :科学出 版社 ,1984年 .WEN Sheng-chang , YU Zhou-wen. The wave theory and calculation principleM .Beijing :SciencePress , 1984. 2SAND E. Design and construction of the DHI 3-D wave basin R .Lyngby :Technical University of Denmark , 1984.3ANDERSON C H ,JOHNSON B. A com puter controlled wave generation system for the US naval academy A . Proc 18th American Towing Tank Conf C .Michigan ,1977.4HE Wu-zhou , DUAN Wen-yang. Fully nonlinear calcula 2 tion of 2-D water wave generated by rocker flap wave maker J.Journal of