柴油機(jī)消聲器基本消聲單元消聲特性研究

石靜，徐曉美，賈寒，朱云鵬

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037）

柴油機(jī)消聲器基本消聲單元消聲特性研究

石靜，徐曉美，賈寒，朱云鵬

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037）

基于GT-Power軟件對(duì)柴油機(jī)排氣消聲器的擴(kuò)張腔、穿孔管、穿孔板等基本消聲單元的消聲特性進(jìn)行了仿真研究。討論了擴(kuò)張腔的進(jìn)、出口插入管、穿孔管的孔徑、穿孔區(qū)域在腔體的位置以及穿孔板在消聲器腔體中的位置對(duì)消聲器傳遞損失的影響。研究結(jié)論對(duì)柴油機(jī)消聲器的合理設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

排氣消聲器傳遞損失GT-Power

1 前言

柴油機(jī)排氣消聲器多為抗性消聲器?？剐韵暺骼酶鞣N尺寸形狀的管道或共振腔的適當(dāng)組合，造成聲波在系統(tǒng)中傳播時(shí)阻抗失配，使聲波在管道和共振腔內(nèi)發(fā)生反射或干涉，從而降低其輸出聲能?？剐韵暺麟m然內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式多樣，但組成消聲器的基本消聲單元不外乎擴(kuò)張型元件與共振型元件2種形式[1]。由于單孔共振腔只對(duì)單一聲頻噪聲有效，因此，在實(shí)際消聲器中常采用穿孔管或穿孔隔板2種亥姆霍茲共振體，以擴(kuò)大消聲頻率范圍。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器的消聲特性是各種消聲單元消聲特性耦合作用的結(jié)果。因此掌握各種基本消聲單元的消聲特性及其受消聲單元主要結(jié)構(gòu)尺寸影響的變化規(guī)律，對(duì)合理設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器具有重要的參考意義。本文基于美國GTⅠ公司開發(fā)的流體模擬計(jì)算軟件GT-Power，研究抗性消聲器擴(kuò)張腔、穿孔管與穿孔隔板3種基本消聲單元的消聲特性。

2 消聲器傳遞損失計(jì)算

消聲器的消聲性能通常用傳遞損失來衡量。傳遞損失TL定義為消聲器入口和出口處的聲功率級(jí)之差。它反映了消聲器入口的入射聲能與出口的透射聲能之比，即

式中，W1和W2分別為消聲器的輸入和輸出聲功率；p1和p2分別為消聲器輸入和輸出的聲壓；S1和S2分別為消聲器進(jìn)口和出口的截面積。當(dāng)S1=S2時(shí)，傳遞損失TL即為消聲器進(jìn)、出口聲壓級(jí)之差。

可見，傳遞損失TL只反映消聲器本身的傳遞特性，而不受聲源管道系統(tǒng)和消聲器出口端尾管的影響，即與聲源、消聲器出口端阻抗無關(guān)。

在GT-Power軟件中消聲器傳遞損失的計(jì)算模型[2-3]如圖1所示。聲源為一隨機(jī)白噪聲，可根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的噪聲頻率和幅值。

圖1 消聲器傳遞損失計(jì)算模型

3 基本消聲單元消聲特性

3.1 擴(kuò)張腔

利用GT-Power軟件建立消聲器擴(kuò)張腔的結(jié)構(gòu)模型。取消聲器殼體長(zhǎng)為500 mm，圓形斷面直徑為Φ150 mm，進(jìn)、出口管直徑均為Φ50 mm，管壁和殼體壁厚均為1.5 mm。進(jìn)、出口管件均與擴(kuò)張腔同軸對(duì)正插入，如圖2所示。

圖2 消聲器擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)模型

圖3 插入管對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖3是無管件插入的簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔與有進(jìn)、出口管插入時(shí)4種情況消聲器傳遞損失對(duì)比。進(jìn)、出口管插入消聲器殼體中的長(zhǎng)度均為殼體總長(zhǎng)的1/4。

由圖3可見，無插入管的簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔式消聲器消聲量不大，并且存在通過頻率。當(dāng)存在插入管時(shí)，在某些頻段總體消聲量明顯增大，但通過頻率現(xiàn)象依然存在。只有進(jìn)口管或只有出口管插入腔室時(shí)，消聲器的消聲量及其變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)進(jìn)、出口管都插入擴(kuò)張腔時(shí)，在某些頻段上的總體消聲量最大。

當(dāng)擴(kuò)張腔式消聲器的進(jìn)、出口管軸線偏離擴(kuò)張腔軸線時(shí)，如圖4所示。聲波在擴(kuò)張腔內(nèi)傳播后，將在消聲器兩端的蓋板處經(jīng)過幾個(gè)180°反射后才能傳播出去，這將增加聲波的聲能損耗，提高消聲量。圖5是進(jìn)、出口管無偏置和存在偏置時(shí)擴(kuò)張腔式消聲器的傳遞損失對(duì)比。圖中進(jìn)、出口管偏置距離均為0.4d1，d1為進(jìn)、出口管直徑。

圖4 進(jìn)、出口管偏置示意圖

圖5 插入管偏置對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖5表明，在中、低頻處的某些頻段，進(jìn)、出口管存在偏置時(shí)的消聲量比無偏置時(shí)略有增加；在高頻處，進(jìn)、出口管均偏置時(shí)消聲器的消聲量明顯增大。此外，在整個(gè)頻段范圍內(nèi)，由于進(jìn)、出口管對(duì)稱于擴(kuò)張腔軸線偏置，因此只有進(jìn)口管偏置或只有出口管偏置時(shí)的傳遞損失曲線幾乎重疊。

圖6是進(jìn)、出口管對(duì)稱于擴(kuò)張腔軸線偏置時(shí)，偏置值大小對(duì)消聲器消聲特性的影響。由圖可知，并不是偏置值越大，消聲器的消聲量增加越多。在中、低頻區(qū)域，偏置值對(duì)各頻段的影響不大，但依然存在一個(gè)使消聲總量最大的最佳偏置值；在高頻區(qū)域，偏置值對(duì)消聲量影響較大，在不同頻段都存在一個(gè)最佳偏置值。因此，在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的消聲量要求確定進(jìn)、出口管的偏置值。

圖6 插入管偏置值對(duì)消聲器傳遞損失的影響

3.2 穿孔管

在消聲器的擴(kuò)張腔內(nèi)沿軸線插入一直通穿孔管，原擴(kuò)張腔將變成亥姆霍茲共振腔，如圖7所示。

圖7 消聲器擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)模型

圖8是在穿孔率不變的情況下，直通管上的穿孔孔徑對(duì)傳遞損失的影響。由圖可見，在中、低頻區(qū)域，穿孔孔徑對(duì)消聲器的消聲量幾乎沒有影響；在高頻區(qū)域的某些頻段，孔徑對(duì)消聲量具有明顯的影響，孔徑越小，消聲量越大。

圖9是穿孔孔徑不變（此處均為Φ6 mm），穿孔率改變對(duì)消聲器傳遞損失的影響。隨著穿孔率的增大，消聲器的消聲量在某些頻段上增加，但穿孔率過大，相應(yīng)頻段上的消聲量反而有所下降。

圖8 穿孔孔徑對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖9 穿孔率對(duì)消聲器傳遞損失的影響

3.3 穿孔隔板

穿孔隔板用以實(shí)現(xiàn)消聲器多個(gè)腔體的連通，如圖10所示。用多孔連通的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需在隔板上沖出幾個(gè)小孔即可，但空腔不能被充分地隔開，不能充分發(fā)揮多腔的作用，還殘留著單個(gè)空腔的性能。圖11是隔板在空腔中的位置對(duì)消聲器傳遞損失的影響。a為第一腔長(zhǎng)度占腔體總長(zhǎng)的比例。

圖10 穿孔隔板在消聲器腔體中的位置示意圖

由圖11可見，當(dāng)穿孔隔板居于消聲器腔體中央，即a=0.5時(shí)，消聲器通過頻率出現(xiàn)的次數(shù)為原單腔消聲器的一半。

圖11 隔板位置對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖12是隔板上的孔分布對(duì)消聲器傳遞損失的影響。孔均勻分布1（圖13（a））是指四孔均距離隔板中心40 mm，孔均勻分布2（圖13（b））是指四孔均距離隔板中心55 mm，孔密集分布（圖13（c））是指四孔集中分布在隔板某一方位，其間無任何對(duì)稱關(guān)系。

圖12 隔板上的孔分布對(duì)消聲器傳遞損失的影響

由圖12可見，在低頻段，3種孔分布的消聲器的消聲量和變化趨勢(shì)基本相同。在中、高頻段的某些頻段，孔密布的消聲器消聲量略有增加，前2種孔均布形式對(duì)消聲器傳遞損失影響的趨勢(shì)相同。

圖13 消聲器隔板上孔分布示意圖

4 結(jié)論

由GT-Power軟件對(duì)柴油機(jī)排氣消聲器各消聲單元對(duì)傳遞損失的影響分析可見：

（1）在某些噪聲頻段，消聲器有插入管比無插入管的總體消聲量大，且在該頻段無通過頻率，進(jìn)、出口管都插入的消聲器比單端插入的總體消聲量大。

（2）對(duì)于高頻噪聲，進(jìn)、出口管均偏置時(shí)消聲器的消聲量明顯增大，其他頻段僅有微小增加量。偏置值在高頻段對(duì)消聲量影響較明顯，且在每個(gè)頻段均存在最佳偏置值。

（3）穿孔管在高頻區(qū)域的某些頻段，孔徑對(duì)消聲量具有明顯影響，二者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。穿孔率在某些頻段上與消聲量呈正相關(guān)關(guān)系，但不宜過大。

（4）隔板位置對(duì)消聲器消聲性能影響較大?？傮w來看，小的分隔比有利于提高高頻的傳遞損失。隔板上孔的分布方式對(duì)消聲性能的影響在低、中頻段不明顯，在高頻段孔密布方式的消聲效果優(yōu)于孔均布的方式。

1黎志勤，黎蘇．汽車排氣系統(tǒng)噪聲與消聲器設(shè)計(jì)[M]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1991．

2謝田峰，金國棟，鐘紹華．GT-power在內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．內(nèi)燃機(jī)，2003（1）：12-14．

3 Siano D．Three-dimensional/one-dimensional Numerical Correlation Study of a Three-pass Perforated Tube[J]．Simulation Modelling Practice and Theory,2011,19(4):1143-1153．

Researches on Noise Attenuation Characteristics of Basic Elements of Diesel Engine Muffler

Shi Jing,Xu Xiaomei,Jia Han,Zhu Yunpeng
（College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

Based on one-dimensional fluid dynamics software-GT-Power,the basic structures of diesel exhaust muffler were numerically simulated and analyzed.The effects of muffler units on muffler anechoic performance were discussed,such as resistive muffler unit,inserted tube,tube bias,straight-through perforated pipe and so on.The research results can provide references and a new method for diesel exhaust muffler design.

exhaust muffler,transmission loss,GT-Power

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.009

來稿日期：2014-01-18基金項(xiàng)目：進(jìn)2013年國家級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201310298060Z）

石靜（1991-），女，在讀本科生。