阻抗復(fù)合式消聲器聲學(xué)特性的研究*

畢 嶸，劉正士，劉煥進(jìn)，陸益民，陳恩偉，王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

前言

汽車進(jìn)排氣噪聲是影響環(huán)境的主要噪聲源之一，而消聲器作為控制汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲及流體機(jī)械噪聲的主要手段，其性能很大程度上決定了汽車進(jìn)排氣噪聲的控制水平［1－2］?？剐韵暺髂苡行Ы档椭械皖l噪聲而被廣泛應(yīng)用。穿孔管或穿孔板常被用于消聲器中，一方面小孔結(jié)構(gòu)可以有效地對(duì)消聲器內(nèi)部氣流進(jìn)行導(dǎo)流而避免截面突變而造成較大壓力損失;另一方面，聲波進(jìn)入小孔時(shí)部分聲能量得到耗散而增加了總的消聲量。吸聲材料可以有效提高消聲器中高頻的消聲性能［3］。阻抗復(fù)合式消聲器綜合了阻性和抗性消聲器的優(yōu)勢(shì)，極大提高了消聲器的消聲性能和拓寬消聲頻帶。阻抗復(fù)合式消聲器的分析方法主要包括一維平面波理論或傳遞矩陣法、有限元和邊界元法及二維解析法。一維平面波理論或傳遞矩陣法適用于簡(jiǎn)單消聲器的分析，但該方法忽略了高階模態(tài)聲波的影響，從而對(duì)中高頻的分析結(jié)果偏差較大。有限元和邊界元法常用于復(fù)雜消聲器的分析，但該方法在分析頻段上需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。二維解析法不但滿足計(jì)算精度，并且只須改變結(jié)構(gòu)參數(shù)即可進(jìn)行消聲器的改進(jìn)計(jì)算，計(jì)算周期較短。文獻(xiàn)［4］中分析了阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)特性，但沒有考慮小孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)［5］中分析了組合共振式消聲器、膨脹腔和阻性消聲器的多腔阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)性能。文獻(xiàn)［6］中應(yīng)用邊界元法計(jì)算了包含阻性和抗性消聲器的阻抗復(fù)合式消聲器的聲衰減特性。

汽車排氣噪聲是一種寬頻噪聲，通常采用單級(jí)或者多級(jí)阻抗復(fù)合式消聲器，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)控制排氣噪聲，因此提高消聲器的消聲性能并拓寬消聲器的消聲頻段是必要的。本文中利用二維解析法計(jì)算了組合膨脹腔、穿孔管/板和吸聲材料的復(fù)合式消聲器的聲學(xué)特性;采用基于傳遞函數(shù)法的四傳聲器法測(cè)量了阻抗復(fù)合式消聲器的消聲性能，驗(yàn)證二維解析法的有效性和精確性，該方法可用于指導(dǎo)消聲器的設(shè)計(jì);在不改變消聲器尺寸的情況下，研究消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和吸聲材料的填充位置對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響;研究填充混合材料的阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)特性。

1 理論模型

圖1為阻抗復(fù)合式消聲器示意圖。進(jìn)口管道和出口管道分別為管道A和管道E，半徑為r1。消聲器膨脹腔的半徑為r4，分為3個(gè)部分，即腔體B、C和D，腔體填充吸聲材料，吸聲材料和氣流通道被穿孔管隔開(如腔體B被分成B1和B2)，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)B，LC和LD，腔體B與D中的吸聲材料厚度為r4－r2，腔體C中的吸聲材料厚度為r4－r3，腔體之間被部分穿孔板隔開，~ζp為穿孔管/板聲阻抗。利用相鄰腔體界面處聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的連續(xù)性條件可以得到消聲器內(nèi)部的聲壓分布，從而獲得消聲器的傳遞損失。

1.1 進(jìn)口管和出口管的聲傳播(A和E)

消聲器進(jìn)口管內(nèi)部聲壓由亥姆赫茲方程的解可以得到［5］:

出口管E的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度與進(jìn)口管A類似。

1.2 膨脹腔內(nèi)部的聲傳播(B、C和D)

假設(shè)消聲器內(nèi)部的吸聲材料均勻絕熱，可將吸聲材料等效為具有復(fù)聲速~c和復(fù)密度~ρ的流體。在腔體B中，聲波傳播分為兩部分，一部分通過氣流通道B1傳播，另一部分通過穿孔管/板的小孔在吸聲材料通道B2中傳播。波數(shù)k在腔體B中為

腔體B中的波數(shù)滿足下列方程［5］，解該方程則可以得到在腔體B中的波數(shù):

式中:Y0、Y1為零階和一階紐曼方程。由文獻(xiàn)［5］可得穿孔管聲阻抗為

式中:tw為穿孔管厚度;dh為穿孔直徑;φ為穿孔管穿孔率;F(φ)為孔之間的耦合作用的修正函數(shù);Z0=ρ0c0，為空氣的特性阻抗;，為吸聲材料特性阻抗;R為吸聲材料流阻率。和可由下式得到:

腔體B中的聲壓為

其中

腔體B中的質(zhì)點(diǎn)速度為

腔體B中的穿孔管被剛性管道代替，即進(jìn)口管延伸情況，腔體B2中的特性方程為

在腔體C和D中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的表達(dá)式與腔體B類似。

1.3 消聲器傳遞損失的計(jì)算

在不同腔體界面處，由聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的連續(xù)性條件可得在x=0和x=LB處，有

2 消聲器實(shí)驗(yàn)裝置

消聲器聲學(xué)性能測(cè)試裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用B＆K的4206－T系列阻抗管測(cè)試消聲器的傳遞損失。該系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成:①信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，由功率放大器和揚(yáng)聲器構(gòu)成;②信號(hào)采集系統(tǒng)，由傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)采集與處理軟件Pulse系統(tǒng)構(gòu)成;③消聲器及管路系統(tǒng)，由連接管道、被測(cè)消聲器和末端構(gòu)成。采用兩載法測(cè)量和計(jì)算消聲器的傳遞損失［7］，測(cè)量時(shí)參照ASTM 標(biāo)準(zhǔn) E1050—98對(duì)傳聲器相位不匹配造成的誤差進(jìn)行修正［8］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較如圖3所示。消聲器的參數(shù)為:進(jìn)出口管內(nèi)徑d1=29mm，膨脹腔內(nèi)徑d4=100mm，膨脹腔長(zhǎng)度L=200mm。穿孔管/板參數(shù)為:腔體B和D的穿孔管內(nèi)徑 d2=29mm，長(zhǎng)度 LB=LD=50.8mm。腔體C的穿孔管內(nèi)徑為d3=63.5mm，穿孔管/板穿孔率φ=6%，穿孔管/板厚度tw=1mm，穿孔直徑dh=3mm。吸聲材料的流阻率R=12 000 Rayls/m。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，消聲器傳遞損失的二維解析法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，表明二維解析法能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)性能。由圖3可以看出，相對(duì)于抗性消聲器，阻抗復(fù)合式消聲器大大提高了消聲器的消聲性能。

3.2 進(jìn)出口延伸對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響

將腔體B和D的穿孔管替換為剛性管道，改變了進(jìn)出口剛性管道的長(zhǎng)度，進(jìn)出口延伸結(jié)構(gòu)對(duì)阻抗復(fù)合式消聲器聲學(xué)性能的影響如圖4所示。在500Hz以下的低頻段，復(fù)合式消聲器的傳遞損失和抗性消聲器基本相同。在500～1 100Hz之間，進(jìn)出口延伸和進(jìn)口延伸消聲器的傳遞損失大于進(jìn)出口均不延伸的消聲器，而在1 100Hz后的中高頻段，進(jìn)出口均不延伸的復(fù)合式消聲器的消聲性能則要優(yōu)于進(jìn)出口延伸結(jié)構(gòu)的復(fù)合式消聲器。

3.3 吸聲材料填充位置對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響

圖5示出在腔體不同位置填充吸聲材料對(duì)消聲器消聲性能的影響。在低頻部分(低于500Hz)，阻抗復(fù)合式消聲器傳遞損失曲線和抗性消聲器類似。在中高頻處，阻抗復(fù)合式消聲器大大提高了消聲器的消聲性能，消除了抗性消聲器傳遞損失中的通過頻率。阻抗復(fù)合式消聲器幾乎在整個(gè)頻帶要優(yōu)于阻性消聲器(吸聲材料厚度與腔體C相同)。全填充式阻抗復(fù)合式消聲器在500～1 500Hz之間的消聲性能優(yōu)于只在腔體B和D中填充吸聲材料的消聲器，后者在2 200～2 600Hz之間體現(xiàn)了更好的消聲性能，這是由于后者的抗性部分在該頻帶范圍內(nèi)有和抗性消聲器類似的共振峰，提高了該頻帶的消聲性能。

3.4 流阻率對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響

多孔吸聲材料的流阻率影響消聲器的聲學(xué)特性。消聲器中的吸聲材料存在最佳流阻率，設(shè)計(jì)時(shí)需優(yōu)化選擇［9］。文獻(xiàn)［10］中給出了確定吸聲材料流阻率的測(cè)量方法。流阻率不但影響吸聲材料的特性阻抗，而且影響穿孔管/板的聲阻抗。圖6給出消聲器在不同流阻率下的傳遞損失曲線，隨吸聲材料流阻率的降低，消聲器的消聲量幾乎在整個(gè)消聲頻段上有所降低，傳遞損失曲線峰值往高頻方向移動(dòng)。

3.5 混合材料對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響

阻抗復(fù)合式消聲器中往往只填充一種密度的吸聲材料，本文中測(cè)量和考察了混合材料對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響。試驗(yàn)中采用密度為11.8和26.2kg/m3的兩種多孔吸聲材料。吸聲材料密度的改變會(huì)影響材料的流阻率，從而影響吸聲材料的特性阻抗。圖7給出混合吸聲材料和單一密度吸聲材料的復(fù)合式消聲器的傳遞損失曲線。腔體B和D填充低密度材料，腔體C填充高密度材料的消聲器(混合式2)相對(duì)于填充單一密度材料的消聲器不但提高了消聲器的傳遞損失，而且拓寬了消聲頻帶。腔體B和D填充高密度材料，腔體C填充低密度材料的消聲器(混合式1)的消聲量略有增加。

4 結(jié)論

采用二維解析法推導(dǎo)了阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)模型，分析了阻抗復(fù)合式消聲器的聲學(xué)性能。通過阻抗復(fù)合式消聲器的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了二維解析法可在整個(gè)頻率范圍內(nèi)比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)消聲器的聲學(xué)特性。阻抗復(fù)合式消聲器吸聲材料的填充位置對(duì)消聲器在不同頻段上的消聲性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。進(jìn)出口延伸結(jié)構(gòu)使阻抗復(fù)合式消聲器的消聲性能在低頻處有所提高，但在中高頻處則降低了消聲器的消聲性能。若不增加消聲器的尺寸，可考慮在消聲器內(nèi)部填充兩種不同密度的吸聲材料，以提高消聲器部分頻段的消聲性能，拓寬消聲器的消聲頻帶。

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