结构参数对抗性消声器性能影响分析

夏征盛

（温州职业技术学院，浙江 温州 325035）

1 引言

发动机噪声是整车噪声的重要来源，而排气噪声又是发动机噪声的重要组成部分，其声强远远高于其他来源，因此有效降低排气噪声，对整车降噪具有重要意义。而排气噪声最主要最直接的方法就是在发动机排气口加装消声器，而其在降低排气噪声的同时，也增加了排气阻力，从而对发动机的燃油经济性和动力性产生一定的影响[1]。文献[2]基于等效电路原理，将消声器采用传递矩阵的形式进行设计；文献[3]研究认为忽略温度梯度的变化也会导致预测与实测的差异；文献[4]尝试用时域的方法来计算消声器的消声性能；文献[5]利用三维有限元方法讨论消声器内部声场和流场的分布对消声器性能的影响。

基本消声单元是消声器的基本单元，其组合构成了复杂的消声器结构。针对扩张室消声器中的抗性结构进行分析，通过使用有限元软件ANSYS，GAMBIT建立有限元模型，运用专业声学软件SYSNOISE和流体动力学软件FLUENT对基本抗性消声单元的声学性能、空气动力性能进行数值仿真计算与分析，分析主要结构参数对消声器压损强度和空气动力学性能的影响。

2 扩张室消声器结构

管和室结构是扩张室消声器的重要特征[6]，其消声量为：

式中：ΔL—消声量，dB；m—消声器的扩张比；k—波数，由声波频率决定；L—扩张室的长度，m。

由式（1）可知，当正弦函数取最大值1时，取最大值，反之则最小，则，消声器最大笑声量频率为：

其中，n=0，1，2，…。

当消声起不到消声作用时，即其消声量为0时，对应的频率可写作：

在扩张室内插管，可以解决此缺点，当插入管长度为l/2、l/4时，对应的可以消除n为奇、偶数的情况[7]，综合考虑，即可消除所有频率，带插入管的扩张室消声器结构，如图1（b）所示。

由以上分析可知，消声器的最大消声量写作：

由式（4）可知，扩张比m直接影响消声量的大小，结合工程实际，其取值范围为：5＜m＜20，一般取 9＜m＜16[8]。扩张室的此种结构设计，使得其存在上下截止频率，其上限截止频率f上为：

式中：D—扩张部分几何尺寸。

由式（5）可知，D的取值越大，即扩张室截面越大，则f上越小，整个消声器的消声频率范围越窄。

对于扩张室消声器而言，由于扩张室和插入管的作用，整个系统可视为声振系统[9]，其固有频率为：

由式（6）可知，对于频率与固有频率接近的声音频率，会使得声音加强，因此，消声器的下限截止频率必须大于，则下限截止频率为：

式中：s2—连接管的截面积，m2；V—扩张室的容积，m3；l—连接管的长度，m；l1—扩张部分的长度，m。

3 消声结构声学分析

由式（1）可知，扩张比m、扩张室的长度L是影响消声器消声量的重要参数。基于ANSYS建立其有限元模型，导入SYSNOISE中分析消声器的传递损失。消声器入口为速度激励，出口为阻力条件，忽略壁面的吸收左右，统一设置为刚性面。

3.1 扩张比m

此时，控制扩张腔的长度为固定值，分析张比对的影响。模型尺寸：连接管管径D=200m，m为扩张比；连接管长度l=l1=300mm；扩张室长度L=1360mm；扩张室管径D2=200（mm）。

扩张比m分别取4、9、16，理论计算得到各参数，如表1所示。

表1 消声器各参数Tab.1 Muffler Parameters

可知，消声器在fmax频率处出现波峰，获得了较大的消声量，平均可达到7dB；在fmin频率处出现波谷，几乎没有任何消声量；总的来说次消声器在（50～1000）Hz的频段内都有比较好的消声效果，而在30Hz一下的频率内消声量急剧下降，主要是因为此区域为消声器的下限截止频率范围，此结构消声器对在这个频率段的噪声不起消声作用。

3.2 扩张室长度L

此时，保证扩张比m不变，分析扩张腔长度变化的影响，模型尺寸，如表2所示。

表2 模型尺寸Tab.2 Model Size

扩张室长度分别取100mm、150mm的消声器在（1～5000）Hz范围内的消声量。

扩张室长度为100mm的消声器的消声效果成周期性分布，最大消声频率也就是波峰出现在1100Hz、2500Hz、3900Hz以及4900Hz处，最小的消声频率也就是通过频率出现在1800Hz、3500Hz、4400Hz处，在波峰处最大可达到平均为14dB消声量。扩张室长度为1500mm的消声器的消声效果成周期性分布，最大消声频率也就是波峰出现在800Hz、1800Hz、2900Hz及3800Hz处，最小消声频率也就是通过频率出现在1200Hz、2300Hz、3500Hz处，在波峰处最大可达到平均为14dB消声量。

3.3 膨胀腔数量

保持其他参数不变，分析膨胀腔数量的影响。该模型尺寸与表2一样，隔板加在扩张室的中间。双扩张室消声器的最大消声量平均为32dB，最大消声频率为1500Hz和3500Hz，通过频率为2600Hz和4300Hz。将分析结果和未加隔板的扩张室消声器相对比可知：（1）增加隔板之后的消音器的消声量明显增大；（2）有隔板的消声器的消声频带变宽，通过频率变少。

3.4 有无内插管

固定扩张比m和扩张室的长度，在扩张室进出口处分别加装插入管，对其进行声学有限元分析，观察内插管对消声器传递损失的影响，如图1所示。

图1 内插管的影响Fig.1 Effect of Cannula on Transmission Loss

对比图可以看出，不带内插管扩张室消音器在频率1200Hz、3500Hz处出现的波谷情况在安装内插管之后得到了改善，并且当扩张室消音器安装内插管之后，其最大消声量提高到了25dB，总体来说在安装内插管之后扩张室消声器整体表现得到提升。因此根据分析结果可以得出：（1）带内插管消声器的消声量明显增大；（2）带内插管式消声器的通过频率得到改善。

4 消声器空气动力学分析

消声器的设计，是在满足消声量的需要的同时，保证功率损失最小，寻找最优解。

4.1 不同扩张比消声器阻力特性分析

不同扩张比扩张室消声器的阻力损失随着扩张比的增加而有所增加，但并不是一直增加的，但当扩张比到16时阻力损失又有所减少，如图2所示。总体来说不同扩张比扩张室消声器的阻力损失相差不大，但阻力损失的基值比较大，是一种阻力损失相对比较大的消声器结构。

图2 消声器压力云图及进出口压力差Fig.2 Muffler Pressure Cloud Chart and Import and Export Pressure Difference

4.2 带内插管进排气阻力特点

本模型选择扩张比m=9的扩张室型消声器，扩张室中有插入管，插入管长度为0.25l和0.5l，分布在消声器的入口处及出口处，消声器空气动力性模拟图形与结果，如图3所示。从进出口的压力差数值可以看出，带内插管的扩张室消音器的压力损失明显小了很多，通过观察其速度矢量图，发现这时流动的空气被限制在了管道里，所以在扩张室部分产生的湍流明显减少，所以对空气流动造成的阻力明显降低了。所以在使用扩张室消声器时，最好加入内插管，机能达到消声效果，又不会产生大的空气阻力。

图3 空气动力学仿真分析结果Fig.3 Aerodynamic Simulation Results

5 结论

针对扩张室消声器中的抗性结构进行分析，基于有限元模型，对其进行声学和空气动力性分析，并分析结构参数对其传递损失的影响，通过对比分析可知：（1）对于简单扩张腔，扩张比对消声量影响较大，消声频率取决于扩张室长度，随着其增加，传递损失的带宽却随之减少，反之则增加；（2）内插管的布置，可以有效的抑制通过频率；而膨胀腔与传递损失成正比，前者的增加，使得消声频率带变宽；（3）对于扩张室结构，扩张比的大小对空气阻力的影响不大，但总的来说相对于其它消声结构，它所产生的空气阻力比较大；对于加带内插管的扩张室消声器，其空气动力性得到明显的改善；（4）不同扩张比扩张室消声器的阻力损失相差不大，但阻力损失的基值比较大，是一种阻力损失相对比较大的消声器结构；带内插管扩张室消音器压力损失明显减小。