计及气流再生噪声的消声器消声量的分析

［ Abstract］ An analysis method of the sound attenuation of muffler with consideration of air flow regenerated noise is proposed based on Lighthill's equation of aerodynamics and the assumption of dipole sound source． The calculation results of the sound attenuation of inserted tube muffler element using the method show higher accuracy than that without considering the effects of flow regeneration noise，in particular at higher flow velocity，where they are much closer to test results． By applying the method to the design and optimization of the muffle in a SUV，its idling noise and stationary noise reduce by 2. 4dB （ A） and 5 to 7dB （ A ） respectively，showing remarkable rise in sound attenuation effects． Keywords： muffler； air flow regeneration noise； sound attenuation 布金汉方法得到了气流再生噪声声功率公式以及有
2
气流条件下实际消声量的测量
[c
1
2 0
×

2 2
t
－
1 ρ= － × ] X t c
2 2 2 0
F i
i
（ 2）
再利用卷积积分和格林函数对式 （ 2 ） 求解， 得 到气流通过管道内障碍物产生的在两个方向的声压 p ± （ ω） 为 S F （ ω） 1 p ± （ ω） = × 槡 2 A 障碍物面积。 由于辐射的声压正比于障碍物表面可变力， 而 障碍物表面可变力又正比于气流在障碍物的作用 S F （ ω） 可写成 力， 因此障碍物表面力 槡 S F （ ω） = K （ St） u2 A = K （ St） Z loc （ f） u2 A 槡 2 2 c0 （ 4） 式中： ρ0 为静态气流密度； c0 为声速； K （ St ） 为比例 St = fd / u， u 为气流 是斯德鲁哈尔数 St 的函数， 常数， 速度； Z loc 为局部声阻抗， 可以通过三维有限元法或 边界元法计算得到。 把式（ 4 ） 代入式（ 3 ） ， 得到声压的平方为 p2 （ f） = 1 16 c
［ 摘要］ 基于 Lighthill 气动声学理论方程和偶极子声源的假设 ， 提出了一种计及气流再生噪声的消声器消声 量的分析方法， 利用该方法计算插入管式消声单元消声量的结果比不考虑气流再生噪声的计算结果的精度要高很 多， 尤其是气流速度较高时 ， 和试验结果较接近。应用该方法对某 SUV 车的消声器进行了设计和优化后 ， 怠速噪声 约降低 2. 4dB（ A） ， 在不同转速下， 定置噪声约下降 5 ～ 7dB（ A） ， 消声效果显著提高。
前言
气流再生噪声是影响消声器消声性能的主要原 ， 因 由于气流再生噪声的产生涉及因素较多 ， 而消声 器本身又具有消声作用， 给消声器性能分析带来很 1］中研究了直管、 大误差和不便。 文献［ 突然收缩 和简单扩张腔 3 种排气消声结构的气流再生噪声， 通过一系列试验得到了气流再生噪声的总声功率与 结构参数和气流速度的关系， 发现直管和突然收缩 结构产生的气流再生噪声呈现更多四极子声源特 ［1 ］ 性， 而扩张腔结构更多呈现偶极子声源特性 。 文 2］ 献［ 中对气流再生噪声辐射声功率进行分析， 按
（ 3）
式中： S F （ ω ） 为障碍物表面力的均方， ω = 2 πf； A 为
ρ0
1
（ 5）
/20 其中 K （ St） = CSt β
可以采用多负载法进行多次试验， 根据试验结 果拟合得到常数 C 和 β， 由相关文献的试验结果得
［5 ］ 到 C 和 β 分别为 140 和 － 2. 308 1 。
2 0 4 K2 （ St） Z2 loc （ f ） u
由于传声器头部栅格自噪声和背景噪声的影 ， 响 在测试管道内实现高速气流条件下消声器实际 消声量的精确测量存在一定困难， 但精确测量能为 消声器准确分析消声性能提供基础 。 2. 1 测试试验台 图 1 为消声器气流再生噪声测试模拟试验台示 意图， 主要包括气流产生装置、 气流速度控制与测量 装置和管内噪声测量装置。气流产生装置主要由电 机 2、 离心风机 3 、 风机进气消声器 4 、 抗性消声箱 7 、 折弯阻性消声箱 8 和软连接 6 等组成。 气流由风机 产生， 经风机进气消声器、 插入管式两腔抗性消声 单通道折板式阻性消声箱进行消声后进入测试 箱、 管道， 软连接主要用来减小来自于风机的冲击和振 动， 这样可得到较低背景噪声的气流源。 气流控制 及测量装置主要由变频器 1 和皮托管与压差计 9 组 被测试消声器进口管内的气流速度根据设定速 成， 度反向换算得到压差计的压差， 由变频器进行调节。 消声器出口管内声压测量装置主要由取样管与传声 器 10 、 接口箱 11 和测试系统 12 等组成。 传声器位 置距消声器出口管截面突变处约 750mm， 远大于出 12 。 1 /4in 4983 倍 采用声压场 的 型传 口管内径的
［4 ］
， 依据偶极子假设提出考虑气
与简 流再生噪声的消声器实际消声量的分析方法， 单插入管消声单元的试验结果进行对比， 并把该方 法运用到某工程车用消声器的改进设计中 。
* 河南省基础与前沿技术研究项目 （ 112300410141 ） 和重庆市汽车零部件重大专项项目 （ CSTC， 2008AB6108 ） 资助。 原稿收到日期为 2010 年 9 月 26 日， 修改稿收到日期为 2010 年 12 月 17 日。
图3
插入管式消声单元结构简图
。
图2
取样管结构示意图
3 简单消声结构实际消声量分析及对比
插入管式消声单元的结构简图如图 3 所示。 在 35 和 50m / s 时， 常温下， 气流速度分别为 15 、 采用考 虑气流再生噪声的分析方法对插入管式消声单元实 际消声量进行分析。考虑和不考虑气流再生噪声时 传声损失计算结果与试验结果的对比如图 4 所示， 图中试验结果进行了多次分段平滑处理 。 由图可 见： 在气流速度为 15m / s 时， 三者总体上基本一致， 说明实际消声量在气流速度较低时受气流再生噪声 的影响不大， 但在 1 200Hz 附近不考虑气流再生噪 声的计算结果与试验结果有一定差别， 而考虑气流 再生噪声的分析结果和试验结果较接近； 当气流速
［7 ］
度为 35m / s 时， 不考虑气流再生噪声的计算结果与 试验结果差别较大， 主要表现在 1 200 和 1 450Hz 左 原因可能是插入管式消声单元的气流再生噪声 右， 在该频率范围内的峰值较突出， 从而引起实际消声 量的下降造成的， 而考虑气流时传声损失分析结果 和试验结果较接近； 当气流速度为 50m / s 时的对比 结果与 35m / s 时的情况类似。
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赵海军， 等： 计及气流再生噪声的消声器消声量的分析
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1
分析方法
Lighthill 气动声学理论方程是根据流体质量连
W rf =
p2 （ f） S 1 4 = K2 （ St） Z2 loc （ f ） u S 3 ρ0 c 16 ρ0 c0
关键词：消声器；气流再生噪声；消声量
An Analysis on Sound Attenuation of Muffler Considering Flow Regeneration Noise
Zhao Haijun1 ＆ Deng Zhaoxiang2
1. Department of Mechanical Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023 ； 2. State Key Laboratory of Automotive NVH and Safety Control，Chongqing 400039
弯管和调节阀等部件的气流再生噪声经验 关圆管、 公式或关系曲线。这些研究虽然对消声器气流再生 噪声的认识有一定帮助， 但离工程应用还有较大差 尤其是对复杂结构实际消声量的分析还比较困 距， 难
［3 ］
。因此， 进行考虑气流再生噪声的消声器实际
消声量的分析研究对提高消声器的性能分析能力和 正向设计有重要的现实意义。 本文中根据 Lighthill 气动声学理论方程
这样， 根据式 （ 5 ） 就可得到消声器出口管内气 流再生噪声声功率 W rf 为
图1 消声器气流再生噪声测试模拟试验台示意图
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汽
车
工
程
2011 年（ 第 33 卷） 第 7 期
3560C 型接口箱， PULSE8. 0 型测试系统。 取 声器， 样管、 风机进出气消声器、 抗性消声箱和阻性消声箱 在此重点对取样管进行介绍。 须进行专门设计， 2. 2 取样管的设计 普通传声器的前端栅格在有气流时会产生自噪 声， 影响测量精度。当风速大于 2m / s 时需要进行防 风处理。由于本研究的测试管道内径较小， 防风罩 安装后会破坏管道内流场， 会引起较大测量误差。 因此， 要准确测量消声器在有高速气流时的管内声 进而获得实际消声量， 需要专门设计适合本研究 压， 的取样管。经反复的声场和流场数值分析及试验验 设计出微穿孔取样管结构， 如图 2 所示， 微穿孔 证， 具有透声作用。这样， 取样管内气流 直径仅为 1mm， 速度足够小， 基本保证传声器头部栅格不产生自噪 声， 能消除气流对测量的影响。 管壁上微穿孔壁厚 也仅有 1mm， 隔振垫通过夹具与主管道相连并固定 在传声器测点的正确位置上， 传声器与导流透声层 之间装有少许防风材料， 除了防风作用外还对传声 器头部有一定保护作用。运用双传声器传递函数法 通过不同传声器间距可实现 100 ～ 4 000Hz 频率范 围内的有效测量
2011 年（ 第 33 卷） 第 7 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2011 （ Vol． 33 ） No． 7
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计及气流再生噪声的消声器消声量的分析
1 2 赵海军 ， 邓兆祥
*
（ 1. 洛阳理工学院机械工程系 ， 洛阳 471023 ；
2. 汽车 NVH 及安全控制国家重点实验室， 重庆 400039 ）
（ 6）
式中 S 为消声器出口管的截面积。 这样利用 W rf 可 续性方程和运动方程推导出的流体介质中的波动方 程， 即 ρ t
2 2
得到考虑气流再生噪声时消声器的实际消声量为 Wi TL reg = 10lg （ 7） W o + W rf 式中 W i 和 W o 分别为无气流时消声器进口管和出口 管内的声功率。 在无气流时， 采用有限元法或边界 元法计算的消声器进口管和出口管内的声功率能和 试验结果吻合良好， 故采用三维有限元法计算得到 W i 和 W o［6］。
－ c2
ρ X
2 i
2
－
2 Q （ T ij ） F i － + =0 t X i X j X i
（ 1）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2， 式中： ρ 为流体介质密度； Q 为质量产生率； i = 1 ， 3， 分别代表空间坐标的 3 个方向； T ij 为广义应力张 Q 均是空间位置和时间的函数。 量； ρ、 假设气流通过排气消声器产生的气流再生噪声 的主要成分是偶极子声源， 则 Lighthill 气动声学理 论方程可简化为