习文辉
【摘 要】本文以HT01001X的发动机排气消声器为模型，运用三维有限元分析软件对消声器内部声场进行数值模拟，分析了消声器进、出口管位置偏置对消声器声学性能的影响。结果表明：消声器进、出口管位置发生偏置对中、低频噪声的消声性能影响很小，而对中高频和高频的消声性能影响十分明显。
【关键词】消声器；声学性能；传递损失；有限元
中图分类号： TB535.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0161-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.073
0 引言
在对汽车进行噪声控制时，最简单又有效的措施就是安装消声器，消声器理论覆盖的学科范围非常广泛，包括声学、流体学、振动学、传热学、内燃机构造等诸多学科领域的知识都有涉及到[1]，且消声器内部结构十分复杂，因此，对其设计和研究十分困难。消声器的性能主要从声学性能和空气动力学性能两个指标去衡量。设计出综合性能较好的消声器一直是该领域始终在追寻的目标。
传统消声器进、出口管位置一般与消声器外壳同轴。本文对消声器进、出口管位置进行偏置设计，采用声学有限元分析方法，利用专业的声学分析软件LMS Virtual.Lab Acoustic及相关软件对消声器内部声场进行了数值模拟分析，研究消声器进出口管位置偏置对该消声器声学性能的影响，为今后消声器的设计和研究提供一定的理论依据。
1 声场基础理论
1.1 基本假设
在进行数值模拟分析时，需要进行一定的假设，本文进行的假设主要有：
（1）介质为理想均质流体，即介质不存在粘滞性，声波在传播过程中没有能量的损耗。
（2）声波传播是一个绝热过程，与外界不存在热交换。
（3）介质静态压强和静态密度都为常数。
（4）消声器为刚性管壁组成，声波不会透过管壁向外辐射。
1.2 声学方程
在均匀介质、非粘性和绝热状态下的声学波动方程：
？塄2p'-
式中：拉格朗日算子？塄2=为声波在流体介质中的传播速度，c与时间t的关系为，c≈331.6+0.6t，？酌为气体定压比热容与定容比热容之比，对于空气，？酌=1.402；ρ0为流体静态情况下的密度；p'为外界扰动引起的流体声压；q'为流体微元体内单位体积的体积速度引起的附加质量。
在消声器的设计和评价中有很多指标，对于声学性能，常用的有插入损失、传递损失和末端减噪量等参数，对于插入损失等参数的计算，需要声源特性以及声阻抗特性，往往需要实验获取此类参数，很不方便。而传递损失是消声器本身具有的特性，因此，在消声器设计以及数值计算时用传递损失来作为评价指标非常方便。消声器传递损失计算公式：
式中，Win、Wout分别为入口和出口平面波的声功率；p1、p2分别为入口和出口声压；Ain、Aout分别为入口和出口截面积。本文中消声器出口和入口截面积相同，即Ain/Aout=1，则公式化简为
TL（dB）=10lg（3）
2 排气消声器模型的建立
2.1 物理模型
图1为所研究消声器模型的基本结构尺寸。该消声器为典型的抗性消声器，具有三个腔室，每个腔室由带孔的隔板及带穿孔的进、出口管相连接，内部结构较为复杂，对其内部声场的分析研究具有很大意义。如图，消声器总长982mm，进口与出口管直径均为65mm，消声器外径为182mm，进口管长537mm，出口管长445mm，进、出口管穿孔300个，小孔直径6mm，中间腔室隔板每块上均布有6个直径为20mm的孔来连接各腔室，模型厚1mm。图中，左端为进口，右端为出口。
通过对消声器原有模型的进、出口管位置进行偏置设计，得出图2所示三种设计方案：A方案仅对进口管位置进行偏置15mm，B方案仅对出口管位置偏置15mm，C方案为消声器进出口管同时偏置15mm。三种设计方案中，模型的其他结构尺寸以及位置等均不发生变化，图中粗实线为入口管，细虚线为出口管。
2.2 有限元模型
在进行有限元计算之前，首先对消声器三维模型进行网格划分。由于研究的是消声器内部声场，因此需先将UG建立的消声器三维实体模型提取内部空腔部分，然后导入专业有限元网格划分软件Hypermesh内进行网格划分。网格划分质量对计算结果有很大影响，鉴于该消声器内部结构较为复杂，为保证计算精度，在消声器隔板及穿孔管处进行网格细化。当然，数值计算结果是由大部分网格所决定的，并非网格越细越好，为保障计算速度，需合理控制网格划分大小和划分精度。网格大小由最高响应频率决定，单元大小满足公式：LMAX≤（4）
其中C为声速，fmax为最高计算频率[2]。由于对消声器进行分析计算时，流体材料选择空气，声速为340m/s，最高计算频率为3000Hz，所以最大网格尺寸为18.8mm，网格划分采用四面体网格。如图3为方案A的消声器有限元模型（仅以方案A的有限元模型为例），从图中可以看出，为提高计算精度，对模型腔室隔板小孔以及进、出口管穿孔位置进行了细化，该模型有121689个节点，569360个单元。
将划分好的网格导入LMS Virtual.Lab Acoustic软件内进行求解计算。首先确定分析类型，選择FEM Frequency Fluid ，定义流体材料属性，使用系统默认属性为空气。然后进行边界条件的定义。
2.3 边界条件
（1）入口边界条件：传递损失是消声器的固有属性，与输入无关，入口端可施加单位速度边界条件，也可输入一定的声功率。本文入口输入（0，1）阶平面波，声功率为1w。
（2）出口边界条件：消声器出口端施加全吸声边界条件， 对于吸声属性，可以通过声阻抗和声导纳来定义，即吸声系数α=1或声阻抗为416.5kg/m2/s。本文定义消声器出口面为无反射面。
（3）壁面边界条件：设壁面为刚性壁面， 即不考虑壁面吸声， 吸声系数α=0[3-4]。
3 声场计算及分析
本文所研究的消声器为抗性消声器，中、低频的消声效果较好[5]，并且发动机排气噪声频率主要集中在3200Hz以内[6]，因此，对消声其进行数值模拟分析时，计算频率选择为20Hz至3000Hz，步长为20Hz。如图4为不同方案的消声器与原消声器传递损失的对比。
从图中可以看出，在20Hz至940Hz频率范围以内，不同方案的消声器传递损失曲线与原消声器传递损失曲线基本重合，因此，在此频率范围内，消声器进、出口管位置的偏置对消声性能几乎没有影响。940Hz以后不同方案的消声器传递损失开始发生变化。
图5和图6分别为380Hz和2220Hz时各消声器声压级分布云图。从图5中可以看出，频率等于380Hz时，每个消声器内部除了隔板小孔附近出现小的球面波，在同一横截面上的声压级都相等，声音在消声器内是以平面波的形式在传播，且不同方案下每个消声器的声压级云图基本相同，说明在该频率点附近，消声器进、出口管位置的偏置对消声器的声学性能基本没有影响，与图4中传递损失曲线在中、低频区域反应的情况是一致的。而从图6中可以发现，频率等于2220Hz时，同一消声器同一横截面上的声压级不再相等，声波以球面波的形式传播；不同消声器同一截面附近的声压级分布也大不相同，说明消声器进、出口管位置的偏置对该频率点附近消声器的声学性能有一定影响。
下面对940Hz以上频率的不同方案下的消声器的传递损失进行进一步分析。如图7为方案A（进口管偏置）与原消声器在940Hz至3000Hz的传递损失的比较。
从图7中可以看出，进口管偏置消声器在980Hz和2140Hz处均有一消声峰值，原消声器则没有；而在1240Hz处两者均出现峰值，但原消声器的幅值更大；在2740Hz至2940Hz内，原消声器有较好消声效果。如图8为方案B（出口管偏置）与原消声器在940Hz至3000Hz的传递损失的比较。
从图8中可以看出，出口管偏置的消声器在1020Hz、1420Hz、1800Hz、2180Hz、2860Hz和2980Hz处均出现消声峰值，原消声器则没有，说明在这些频率附近出口管位置偏置的消声器具有较好的消声性能；而在1240Hz处出口管偏置的消声器未出现较大消声峰值；在2740Hz至2840Hz和2900Hz至2960内，原消声器有较好消声效果；其它频率两者消声效果基本一致。如图9为方案C（进出口管同时偏置）与原消声器在940Hz至3000Hz的传递损失的比较。
从图9中可以看出，进、出口管同时偏置的消声器与原消声器相比，增加了大量通过频率，总消声量远不及原消声器，整体消声效果较差。因此，在以后的消声器设计中应该避免进出口管同时偏置的情况。
4 结束语
根据对汽车排气消声器内部声场的数值模拟分析， 可以得知：消声器的进、出口管位置偏置对消声器的消声性能具有一定影响，在消声器设计时，可根据具体情况对消声器进、出口管位置进行偏置，以达到相应的消声要求。同时，仿真分析结果显示，消声器进出口管位置同时偏置会使消声器产生大量通过频率，降低消声性能。因此，在消声器设计时应该尽可能避免这种设计方案。
【参考文献】
[1]马家义.消声器内部流场声场特性研宄[D].吉林：吉林大学，2005.
[2]李增刚，詹福良.Virtual.Lab Acoustic声学仿真计算高级应用实例[M].北京：国防工业出版社.2014.
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[4]詹福良，徐俊伟.Virtual.Lab Acoustic声学仿真计算从入门到精通[M].西安：西北工业大學出版社.2013.
[5]曹玉煌，罗马吉，刘志恩.不同截面布置的抗性消声器三维声学性能分析[D].武汉理工大学.2009.
[6]郑蕾，李以农.汽车排气消声器声学性能分析及结构改进[D].重庆大学.2009.
