复杂穿孔管结构消声器消声性能研究

复杂穿孔管结构消声器消声性能研究

李继锋

陈

剑

文智明

（合肥工业大学）

应用声学有限元和边界元方法对复杂穿孔管结构消声器进行了声学性能的分析计算。仿真结果与试验【摘要】

结果的对比表明，二者吻合性较好，验证了应用声学有限元和边界元方法可以比较准确地预测消声器的消声性能。对不同穿孔管结构参数的消声器进行了传递损失计算，分析了穿孔管主要结构参数对消声器消声性能的影响。采用所提出的消声器优化设计方案，可改善消声器消声效果。

主题词：消声器穿孔管结构参数

中图分类号：U464文献标识码：A文章编号：1000－3703（2010）01－0017－04

ResearchonMufflingPerformanceofaMufflerwithComplicated

PerforatedTubeStructure

LiJifeng,ChenJian,WenZhiming

（HefeiUniversityofTechnology）

【Abstract】Acousticfiniteelementandboundaryelementmethodwereappliedtocalculatetheacousticperformance

ofacomplexmufflerwithperforatedtube.Thecomparisonofsimulationresultswiththeexperimentalresultsshowthatthetwohavegoodconsistency,provingthatthemethodcouldaccuratelypredicttheanechoicperformanceofthemuffler.Thetransmissionlossofperforatedtubemufflerwithdifferentstructureparameterswascalculated,andtheimpactofmainstructuralparametersoftheperforatedtubeonanechoicperformanceofthemufflerwasalsoanalyzed.Withtheoptimizedmufflerdesignplan,anechoiceffectofthemufflerwasimproved.

Keywords：Muffler,Perforatedtube,Structuralparameters

1前言

目前，汽车已成为城市的主要噪声污染源，其中

体在声压作用下像活塞一样做往复运动，使声波与孔径壁面相互摩擦，使一部分声能转化为热能，达到衰减噪声的目的。采用这种结构设计，不论在改善消声器流体动力性能方面还是在提高消声器消声性能方面都具有很好的优越性。但对于复杂结构的消声器，传统的理论和方法很难准确预测消声器的声学性能，而三维数值方法却可以对消声器消声性能进行准确模拟，已成为消声器性能预测和改进设计

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（责任编辑

修改稿收到日期为2009年11月26日。

学

林）

发动机排气噪声是汽车最主要的噪声源之一，而控制排气噪声的主要方法就是加装消声器。为了提高消声效果，越来越多复杂结构的消声器被广泛使用，比如采用穿孔管或穿孔板结构等。带穿孔管消声器的消声原理为：当气流通过穿孔时，小孔孔径中的气

23456

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第1期

———17—

设计计算研究····的有效方法。

本文首先利用有限元和边界元两种方法预测了消声器的传递损失，并与试验结果进行了对比验证，又重点研究了穿孔管孔径和孔距、穿孔率以及穿孔板壁厚等主要结构参数对消声器消声特性的影响。通过对不同穿孔管结构参数的消声器进行传递损失计算，然后与原方案结果对比分析，归纳出穿孔管的结构参数对消声特性的影响关系，以此选择出优化方案来提高消声器的消声性能。

子的平均振速，RP和XP分别为穿孔等效阻抗率的实部和虚部。

当穿孔板厚度不太厚时（l<<4a），穿孔等效阻抗率ZP可以使用Mechel公式计算[3]，它可以在线性范围内使用。当V≥3姨ωηρ0时，实部为非线性，

Mechel公式可以表达为：

RP=

1l

···8ωηρ01+姨·ε2a1

·XP=·ωρ0（l+2Δl）ε姨姨（2）（3）

2

2.1

消声器模型建立及数值计算

消声器的物理模型

图1所示是某消声器结构，整个消声器被3个

式中，ω为角频率；η为粘滞系数；ρ0为空气密度；a为穿孔半径；l为穿孔板壁厚；ε为穿孔率；Δl为小孔分布校正系数，因消声器中穿孔呈正方形排列，且

穿孔隔板分成4个腔体，进、出口插入管均为穿孔管。图2为穿孔管结构，左端入口管和右端出口管上分别有80个直径为3mm的小孔。左穿孔隔板、中间穿孔板和右穿孔板上分别有125、208和192个直径为3mm的小孔。该消声器中的5处穿孔结构，孔距均为20mm，穿孔板壁厚均为1mm。经过计算从左到右穿孔率ε分别为2.7％、8.1％、1.5％、8.4％和

0<2.3

aa<0.25，故取Δl=0.85a1-2.34dd姨，d为穿孔管姨孔距。

有限元和边界元法计算传递损失和声压分布在HYPERMESH中分别建立消声器的有限元和边界元声学网格模型（图3），将两种网格模型分别导入SYSNOISE中计算，设定进口处加单位振速，出口处设为空气特性阻抗边界，频率计算范围为

3.1％。

20～2000Hz，以5Hz为步长，分别用有限元和边界元两种方法来进行传递损失计算。图4为消声器传

递损失的仿真结果和试验结果对比曲线。

图1消声器结构示意

图3

60504030201000

消声器的边界元声学网格模型

有限元边界元试验值

图2穿孔管结构示意

2.2穿孔管的等效模拟

在该款消声器内部结构中存在大量的穿孔，且

传递损失/dB直径小、数量多，因此采用声阻抗率边界条件对穿孔板进行等效替代，即每一个穿孔管都用一组连续的等效阻抗率边界条件来代替，建模时忽略小孔，而在连接小孔的两边等效面单元上赋予一个连续的传递阻抗率边界条件来模拟小孔的共振作用[2]。

穿孔等效阻抗率ZP[1]可以表示为：

图4

5001000频率/Hz

15002000

消声器传递损失的仿真结果和试验结果对比曲线

由图4可知，仿真计算结果和试验结果吻合良好，消声器在中低频消声量不足，没出现明显的消声峰值，只是在1800Hz出现一个峰值。低频消声量不足是结构本身的原因，但中高频的消声量可以通过改进消声器中穿孔管的结构参数或加吸声材料来

ΔPZP==RP+jXP

V

—18———

（1）

得以提高。

图5为消声器内部声压云图。在频率f=400Hz

汽

车

技

术

式中，ΔP为穿孔管内外壁的声压差；V为小孔中粒

设计计算研究····

时，根据声压云图可知，声波从左侧入口管道进入消声器，声压值较高，声波开始时以平面波形式传播，但在声波沿管道流经第2、3腔时，由于穿孔没能发挥出相应作用，声压几乎没发生变化，最终导致在该频率消声量不大[4]。而在频率f=1500Hz时，声波以高次波形式传播，声波沿管道流过各腔时，各腔内声

传递损失/dB为20mm，穿孔板壁厚l为1mm。在此基础上，增加或减少穿孔数保持消声器穿孔率不变，而只改变穿孔的孔径和孔距，来对比分析二者对消声器消声性能的影响。

6050403020100

0

500

15002000频率/Hz

（a）a=1、ε不变时1000

2500

3000原方案

波相互干涉显著，声波相互抵消，且声压分布不均匀，致使进、出口管的声压差变化不大，消声效果不明显。

声压/Pa

d=16d=20d=24

849.2746.5643.8541.1438.5335.8

传递损失/dB60504030201000

500

15002000频率/Hz

（b）a=2、ε不变时1000

233.1130.527.78

d=16d=20d=24

原方案

（a）f=400Hz

声压/Pa

535.9469.2402.4335.7268.9202.1135.468.621.859

25003000

图6不同孔径和孔距下消声器传递损失比较曲线

由图6a中可以看出，在穿孔率不变时，孔径变小会使得消声峰值频带向高频移动，在此基础上，再改变孔距大小只引起中高频峰值的大小有所改变。而图6b中，穿孔率不变、孔径增大时，孔距的变化对传递损失的影响主要体现在消声峰值的大小上，同时也可以看到增大孔距使消声器在2000Hz又出现一个消声峰值。总体来讲，孔径的大小对消声特性的影响主要体现在中频段；当穿孔率和孔径都一定的情况下，改变小孔的孔距，对消声器在800Hz以下的消声效果影响不大，一般只影响中高频带消声峰值的大小，选用适当的孔距可以提高消声峰值的消声量[6]。

（b）f=1500Hz图5

消声器内部声压云图

3穿孔管结构参数对消声器消声性能的影响

对于带穿孔管的复杂结构消声器，影响其消声性能的因素很多,如孔径、孔距、穿孔率、穿孔板壁厚以及穿孔排列方式等等。由于本文采用穿孔声阻抗率边界条件对穿孔板壁面进行等效替代，因此，可以通过改变穿孔管声阻抗率的相关系数，来达到模拟改变穿孔管结构参数的目的[5]。下面将通过声学有限元方法对穿孔管结构参数改变前、后的消声器的仿真结果进行分析对比，得出不同结构参数对消声性能的影响规律。

3.2穿孔率ε不同

图7为不同穿孔率ε下的消声器传递损失对

比曲线。由图7a可知，孔径减小，保持穿孔数目不变，穿孔率ε减小时，消声峰值明显向中低频偏移，高频消声效果有所下降，而孔距大小对消声器传递损失的影响不大。而图7b显示，孔径增大，保持穿孔数目不变，穿孔率ε增大时，消声器在中高频的大部分频带消声量比较均匀，且消声频带有所拓宽。综合看图7可知，穿孔率ε对消声器低频的消声性能影响较小；在孔径和孔距一定的情况下，穿孔率ε

———19—

3.1孔径和孔距不同

图6为两种不同孔径的穿孔管消声器，其穿孔

率ε不变、穿孔孔距不同时的消声器传递损失比较曲线。原方案消声器的穿孔半径a为1.5mm，孔距d

2010年

第1期

设计计算研究····

减小，消声器在中低频的消声效果加强；穿孔率ε增大，在中高频的消声效果有不同程度的改善，且影响的噪声频率范围更广[7]。

原方案

图9可知，改进方案后的消声器消声性能在中频段有一定程度的提高，消声峰值频率及峰值的大小也有所增大；在高频段，改进后消声器消声效果没有明显改善，可通过增加吸声材料来得以提高；从整体上看,改进后消声器的消声效果优于原消声器。

6050传递损失/dB原方案优化方案

6050传递损失/dBd=16

d=20d=24

4030201000

500

100015002000

频率/Hz

（a）ε减小、a=1时

25003000

40302010

6050传递损失/dBd=16d=20d=24

原方案

00

图9

10001500200025003000

频率/Hz

改进前、后消声器传递损失比较曲线

500

4030201000

500

15002000频率/Hz

（b）ε增大、a=2时1000

25003000

4结束语

通过对消声器消声性能的数值计算，分析研究

了穿孔管主要结构参数的变化对消声器传递损失的影响关系，得出以下结论：穿孔管孔径和壁厚对消声器的影响主要体现在中频段，低频和高频影响不大；孔距大小会引起中高频峰值发生改变；在孔径和孔距一定的情况下，穿孔率ε减小，消声器在中低频的消声效果提高，穿孔率ε增大，中高频的消声效果都有不同程度的改善，且消声频带拓宽。文中在对穿孔管结构参数定性分析的基础上，通过合理改变其结构参数，最终选择出消声器的优化改进方案，使消声器的整体消声效果得以改善

参

考

文

献

图7不同穿孔率下消声器的传递损失比较曲线

3.3

穿孔板壁厚l不同

图8为不同穿孔板壁厚l下的传递损失曲线。

由于穿孔板不能过薄，所以只分析了在原方案的基础上增加壁厚的情况。通过对比发现，穿孔板壁厚l主要影响消声器的中高频吸收性能。随着壁厚的增大，低频影响不大，中频的消声效果有所改善，高频吸声性能变差。

6050传递损失/dB原方案

1LMSInternationalCorporation.TransmissionLossComputa-tionofaMufflerwithPerforatedPlates.UserManual2001：3-11.

l=1.5l=2

4030201000

10001500200025003000

频率/Hz

不同穿孔板壁厚l下消声器传递损失曲线

500

23

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（责任编辑

修改稿收到日期为2009年11月18日。

汽

车

技

术

学

林）

图8

在对消声器的消声性能仿真和穿孔管结构参数定性分析的基础上,

提出如下更有效的优化方案：

消声器的穿孔半径a为2mm，孔距d为20mm，穿孔板壁厚l为1.5mm，减少穿孔数目，消声器5处穿孔结构从左到右的穿孔率分别为3.5％、12.5％、2％、

13.5％和3.5％。

图9为改进前、后消声器传递损失比较曲线。由

—20———