期刊-结构参数对直通穿孔管消声器消声性能影响的数值分析_徐磊

图 1 Sul livan & Crocker 的实验模型
图 2 穿孔管消声器有限元模型
图 3 和图 4 分别给出了 Sullivan & C rocker 预测和实验结果与有限元数值仿真结果 , 可以发 现两者吻合较好 。 1 500 H z 时 消声器内部的声 压和速度分布如图 5 、图 6 所示 。
直通穿孔管消声 器作为常用的 共振式消声 设计具有重要的指导意义 。
器 , 具有良好的消声性能和低的流动阻力损失 , 被 广泛应用于内燃机进排气噪声控制[ 1] 。 因此 , 研 究和分析直通穿孔管消声器各结构参数对其消声
目前 , 消声器的数值仿真方法主要有边界元 法[ 1 , 2] 和 有限 元法[ 3 , 4] 。 文献[ 1] 在 对 一维 解析 法 、实验法和边界元法比较的基础上 , 得出边界元
= 20 lg
p1 +ρ0 c0 v1 2 p2
(6)
根据(6)式 , 当 v1 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 。
3 结构参数对消声器消声性能的影响
本文选取的穿孔管模型为典型的直通穿孔管 模型[ 8] (即 Sullivan & Crocker 的实验模型), 尺 寸如图 1 所示 , 图 2 所示为其有限元模型 。
(S chool of M achinery and A ut omobile Engineering , H ef ei U niversit y of Techn ology , H ef ei 230009 , C hina)
Abstract :S t raight-through perf orated t ube silencers w hich have g ood acoustic at tenuatio n perfo rmance and low pressure loss are w idely used in t he intake and exhaust noi se cont rol of internal com bustion engines .In o rder t o underst and i t s acoustic att enuatio n perfo rmance in det ai l , t hi s paper discusses the ef fect of t he st ruct ural paramete rs by m eans of t he f init e element met ho d .T he result s are as f ollow s : the shape of cro ss-section has lit tle inf luence on t he acoustic at t enuation perf ormance w hen the resonato r vo lum e of t w o muff lers i s equivalent ;the lengt h of the muf fler af fect s no t only t he f requency but also t he t ransmi ssio n loss ;w hen the radial dimension of t he resonato r increases , t he t ransmi ssio n loss i n lo w-f requency al so increases , but the reso nance f requency reduces ;t he thi ckness and porosi ty of the tube and t he perf oratio n diameter have no ef fect o n the t ransmission loss in low-f requency , but mainly af fect reso nance f requency and transmission lo ss in medium f requency . Key words:st raight-t hrough pe rf o ra ted tube silencer ;acoustic at tenuatio n perf ormance ;f init e element method ;st ruct ural parame ter
作者简介 :徐 磊(1984 -), 男 , 辽宁建平人 , 合肥工业大学硕士生 ; 刘正士(1947 -), 男 , 安徽合肥人 , 合肥工业大学教授 , 博士生导师 .
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合肥工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
界元法讨论了穿孔管消声器的穿孔率 、穿孔段长 度和位置对消声性能的影响 。 文献[ 4] 基于有限 元法简单讨论了穿孔孔径对消声性能的影响 。对 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] 。 为了更全面了解结构参数对消声 性能的影响 , 本文应用有限元数值分析方法 , 详细 讨论了穿孔管消声器共振腔截面形状 、轴向长度 、 共振腔径向尺寸 、穿孔管壁厚 、穿孔率和穿孔孔径 等结构参数对消声性能的影响 。
波 pt 之和来表示 :p1 =pi +pr , 质点振动速度可
以表示为 :ρ0 c0 v1 =pi -pr , ρ0 为空气密度 , c0 为声
速 。 以上两式相加得 pi =(p1 +ρ0 c0 v1 )/ 2 , 假设
出口无反射 , 则 p2 =pt 。 可以得到变形后的传递
损失公式 :
LTL
Numerical analysis of the effect of structural parameters on the acoustic attenuation performance of straight-through perforated tube silencers
XU Lei , LI U Zhen-shi , BI Rong
改变穿孔管消声器的轴向长度 , 保持其他结 构参数不变 , 如图 9 所示 。
图 6 1 500 H z 时速度分布图
3.1 有无穿孔管的传递损失比较 如图 7 所示 , 对直通穿孔管消声器和简单扩
图 9 不同轴向长度比较
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合肥工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
当轴向长度减短 30 mm(227.2 mm)时 , 传递 损失的拱形峰值向高频移动 , 即传递损失最大值 的中心频率是增加的 , 通过频率也增加 , 且在中低 频时传递损失幅值基本不变 , 传递损失的频率宽 带增加 。 当轴向长度增加 30 mm(287.2 mm)时 , 所有对应情况刚好相 反 。 直通穿孔 管的这种性 质 , 与无穿孔管的简单扩张腔消声器相同 。根据 曲线所表现的性质 , 对于直通穿孔管也可以通过 调整轴向长度来达到所希望的中心频率 , 通过频 率和传递损失的带宽 。 3.4 共振腔径向尺寸对消声性能的影响
性能的影响 , 掌握其消声特性 , 对消声器的改进和 法是处理消声器声学问题的有效方法 , 并基于边
收稿日期 :2008-11-14 ;修改日期 :2009-01-25 基金项目 :国家 863 高技术研究发展计划资助项目(2006A A 110101);安徽省研究专项基金资助项目(2006K J 010TD)
可以发现空腔截面形状对穿孔管消声器传递 损失影响很小 。 这与亥姆霍兹共鸣器性质(构成 共鸣器体腔的形状并不很重要[ 9] )一致 。 在设计 消声器外形时可以根据车辆底盘空间适当选择 , 轿车结构紧凑底盘空间有限 , 所以轿车消声器可 以做成扁形或者椭圆形 。 3.3 穿孔管消声器轴向长度对消声性能的影响
型的复杂性 , 对穿孔通过施加阻尼边界条件来模 拟[ 8] 。 穿孔结构阻抗计算公式如下[ 8] :
Z =R +j X 当穿孔板厚度不太厚时(l 按下式计算 :
(1) 2d), R 和 X 可
R
=
1 σ
8 ωηρ0
1
+
l d
(2)
X = 1σωρ0(l +2Δl)
(3)
Δl
=
0.8 5d 2
1
-2.3
1 穿孔管消声器声学理论基础
穿孔管消声器的模型(全穿孔)由穿孔管和穿 孔管外面的共振腔组成 。 其吸声机理是每一个穿
孔和后面的空气层组成的系统 , 类似于亥姆霍兹 共振器 , 整个穿孔结构可以理解为许多亥姆霍兹 共振器的并联[ 7] 。 1.1 穿孔管的声阻抗计算
有限元数值分析时 , 为降低穿孔管消声器模
第 32 卷 第 11 期 2009 年 11 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
JO U RN A L O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECHN O LOG Y
V ol .32 No .11 Nov .2009
结构参数对直通穿孔管消声器 消声性能影响的数值分析
(4)
其中 , c0 表示声速 ;σ表示穿孔率 ;S 0 表示穿孔层
总面积 ;V b 为穿孔结构后腔体积 ;l 表示穿孔的有 效长度[ 9] 。
2 穿孔管消声器的有限元数值分析方法
2.1 有限元数值分析的步骤 (1)建立几何模型 ;
(2)建立有限元模型 ; (3)施加阻尼边界条件并计算传递损失 。 2.2 传递损失的计算 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
第 11 期
徐 磊 , 等 :结构参数对直通穿孔管消声器消声性能影响的数值分析
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影响穿孔管消声器消声性能的因素很多 , 如 几何结构 、穿孔率 、穿孔孔径和穿孔管壁厚等 。应 用有限元数值分析方法讨论各结构参数对消声性 能的影响 , 在研究某参数时 , 保证模型其它参数 不变 。
张腔消声器做了比较 , 可以发现直通穿孔管消声 器在低频域形成拱形衰减特性 , 通过频率与简单 膨胀腔的通过频率几乎一致 。 穿孔管的引入对消 声器低频消声性能影响很小 , 中频消声性能有很 大提高 , 高频消声性能有限 , 在高频域拱形变得很 窄 , 产生了明显的轴向共振 。
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[ 4] 为 :
LTL
= 10 lg
W W
i t
= 20 lg
pi pt
(5)
其中 , Wi 、pi 为消声器进口处的入射声功率和入
射声压 ;W t 、pt 为消声器出口处的声功率和声压 。
消声器入口处的声压 p1 可以用入射波 pi 和反射
图 3 Sul livan & Crocker 预测和实验结果
图 7 有无穿孔管的传递损失比较
图 4 有限元数值仿真结果 图 5 1 500 H z 时声压分布图
图 8 不同共振腔横截面形状比较
3.2 对穿孔管消声器的消声性能影响 如图 8 所示 , 3 条传递损失曲线是在保证穿
孔管后空腔体积相同的情况下 , 共振腔沿穿孔管 径向截面形状分别为圆形 、椭圆和正方形 。
4
d 2s
(4)
其中 , σ表示穿孔率 ;ω表示角频率 ;η表示流体的
Βιβλιοθήκη Baidu
动态粘滞度 ;ρ0 表示流体的密度 ;l 表示穿孔板厚
度 ;d 表示穿孔直径 ;s 表示相临两孔的 中心距 ;
j = -1 。 1.2 参数模型的共振频率
对于共振式消声器集中参数模型 , 其共振频
率为 :
f r =2c0π
σS 0 lV b
徐 磊 , 刘正士 , 毕 嵘
(合肥工业大学 机械与汽车工程学院 , 安徽 合肥 230009)
摘 要 :直通穿孔管消声器具有良好的消声性能和低 的压力损 失 , 广泛 应用于内 燃机进排气 噪声控制 。 为 了 深入认识其消声性能 , 文章应用有限元数值分析方法 , 详细 讨论了结构 参数对消声 性能的影 响 , 结果 证明 :共 振腔体积相同时横截面形状对消声性能影响很小 ;穿 孔管消声器的 长度既影响 消声频率 又影响消声 量 ;消 声 器共振腔径向尺寸增加 , 低频消声量增加 , 共振频率移向低 频 ;穿孔 管壁厚 、穿孔率和 穿孔孔径的 改变对低 频 消声量无影响 , 主要影响共振频率及中频消声性能 。 关键词 :直通穿孔管消声器 ;消声性能 ;有限元法 ;结构参数 中图分类号 :U 464 .134 文 献标识码 :A 文章编号 :1003-5060(2009)11-1637-05