汽車排氣消聲器三維聲場(chǎng)分析

袁守利，辛超，劉志恩，，肖生浩

（1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

汽車排氣消聲器三維聲場(chǎng)分析

袁守利1,2，辛超1,2，劉志恩，1,2，肖生浩1,2

（1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

采用三維有限元法對(duì)某車型排氣消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)傳遞導(dǎo)納理論對(duì)消聲器穿孔管和穿孔板進(jìn)行處理，建立數(shù)值模型并進(jìn)行三維聲場(chǎng)仿真分析，獲得主副消聲器總成的傳遞損失；運(yùn)用雙負(fù)載四傳聲器法測(cè)試消聲器傳遞損失，測(cè)試結(jié)果表明三維有限元法預(yù)測(cè)消聲器聲學(xué)性能有較高的精度，根據(jù)仿真結(jié)果和消聲器設(shè)計(jì)原理，對(duì)主消聲器進(jìn)行優(yōu)化，可提高排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能，滿足汽車噪聲排放法規(guī)的要求。

聲學(xué)；排氣消聲器；三維有限元；傳遞損失

為有效降低汽車噪聲給城市環(huán)境帶來的影響，機(jī)動(dòng)車噪聲控制法規(guī)日益嚴(yán)格，汽車降噪技術(shù)與測(cè)量分析技術(shù)進(jìn)入深層次的研究。目前運(yùn)用GTPower軟件對(duì)汽車排氣噪聲的研究已是一種常用的方法，GT-Power軟件基于一維理論，在計(jì)算復(fù)雜消聲器或分析中高頻率噪聲時(shí)并不準(zhǔn)確，會(huì)有高次模式波的出現(xiàn)，且一維模型僅局限于頻域范圍內(nèi)的橫波。國內(nèi)外已有人采用三維有限元法預(yù)測(cè)了消聲器的聲學(xué)性能[1―3]，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證三維有限元法可以更為準(zhǔn)確的計(jì)算消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)，并且可以通過聲場(chǎng)分布計(jì)算得到消聲器腔體內(nèi)部各頻率段的聲壓分布云圖，更直觀表現(xiàn)出消聲器結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)性能的影響，為汽車排氣消聲器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。因此，本文采用三維聲學(xué)有限元法對(duì)某1.8 L排量車型排氣消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能評(píng)估，據(jù)此優(yōu)化消聲器結(jié)構(gòu)，并采用試驗(yàn)證明了分析結(jié)果的有效性。

1 穿孔聲阻抗和吸聲材料的處理

傳遞損失是評(píng)價(jià)消聲器消聲性能的重要參量。采用有限元法計(jì)算消聲器傳遞損失時(shí)，有兩個(gè)難點(diǎn)需要處理：一是消聲器穿孔管和穿孔板上小孔的簡化；二是阻性消聲結(jié)構(gòu)中，吸聲材料的處理。

在進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少流體的阻力和增大隔聲效果，會(huì)在消聲器內(nèi)部的插入管管壁或隔板上設(shè)計(jì)許多穿孔，聲波在通過這些小孔時(shí)，會(huì)有能量的衰減，由于這些小孔的存在，使得劃分有限元的網(wǎng)格變得非常困難；在建立有限于模型時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行簡化。為降低中高頻的噪聲，消聲器中需要填充吸聲材料，因此，如何在有限元模型中正確定義其屬性是一難點(diǎn)。

本文在建立消聲器聲學(xué)有限元網(wǎng)格時(shí)，忽略小孔，在穿孔板兩邊的網(wǎng)格之間通過定義一種傳遞導(dǎo)納關(guān)系，建立起穿孔板兩側(cè)的振動(dòng)速度和聲壓的線性關(guān)系，間接模擬這些小孔。傳遞導(dǎo)納關(guān)系可以用公式（1）表達(dá)[4]

式中vn1和vn2為穿孔板兩側(cè)的法向振動(dòng)速度；p1和p2為穿孔板兩側(cè)的聲壓；α1，α2，α4和α5為傳遞導(dǎo)納系數(shù)，α3和α6為由聲源引起來的系數(shù)，在消聲器計(jì)算中都是零，α1，α2，α4和α5通常需要試驗(yàn)測(cè)定，聲音通過穿孔板的阻抗為Zp，采用季振林[5]穿孔聲阻抗計(jì)算公式，在無吸聲材料填充時(shí)，表示如下

式中t為穿孔板壁厚，dh為穿孔直徑，Φ為穿孔率，i為虛數(shù)，k0為波數(shù)，α為穿孔板的聲學(xué)厚度修正系數(shù)。

這樣可以得到

如果消聲器中添加吸聲材料，在進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析時(shí)，吸聲材料用等效流體來替代，設(shè)吸聲材料的復(fù)阻抗和復(fù)波數(shù)分別為Zb、Kb，由Utsuno和Tanaka[6]計(jì)算公式得到吸聲材料的特性阻抗和波數(shù)的表達(dá)式為（空氣密度ρ0=1.156 kg/m3，聲速

式中σ為材料的流阻率，Z0為空氣的特性阻抗，K0為空氣中的波數(shù)。由于本文副消聲器中的吸聲材料為長纖維玻璃絲棉，其密度為100 kg/m3，參考吸聲材料流阻率測(cè)量方法[7]，測(cè)得該材料的流阻率為4 896 Rayls/m。

吸聲材料的復(fù)聲速和復(fù)密度可由下式得到

根據(jù)Kirby和Cumm ings[8]的研究，有吸聲材料填充時(shí)穿孔的特性聲阻抗表達(dá)式被修改為

2 聲學(xué)有限元模型的建立

對(duì)某汽車排氣系統(tǒng)中的主副消聲器總成分別進(jìn)行分析，副消聲器為三腔結(jié)構(gòu)，兩隔板距副消聲器進(jìn)氣口處截面分別為255 mm，445 mm，前隔板上打有200個(gè)直徑為4 mm的孔，后隔板上打有300個(gè)直徑為3 mm的孔，三個(gè)腔體中都有穿孔，其中第一腔中打有500個(gè)直徑為3 mm的孔，第二腔中打有324個(gè)直徑為3 mm的孔，第三腔中打有142個(gè)直徑為3.5 mm的孔，且第三腔中加入吸聲棉；主消聲器為三腔抗性結(jié)構(gòu)，兩隔板距消聲器進(jìn)氣口端面分別為150 mm，450 mm，第二腔中有穿孔，其中進(jìn)氣管上打有210個(gè)直徑為3.5 mm的孔，出氣管上打有60個(gè)直徑為3.5 mm的孔。副消聲器總成和主消聲器總成三維實(shí)體模型如圖1和2所示。

圖1 副消聲器總成

圖2 主消聲器總成

導(dǎo)入有限元軟件中建立其離散模型。有限元法計(jì)算聲場(chǎng)時(shí)常使用四面體和六面體單元，由于后者的計(jì)算精度要高，也為了節(jié)省單元數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，選用六面體網(wǎng)格，單元大小為5 mm，對(duì)于內(nèi)部復(fù)雜的主消聲器，特別是帶有穿孔板的腔室，采用分塊建立，保證管壁內(nèi)外表面上的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，以便傳遞導(dǎo)納可以正確使用，隔板上的很多小孔也采用傳遞導(dǎo)納的關(guān)系來處理，網(wǎng)格劃分后的副消聲器和主消聲器總成如圖3和4所示：

圖3 副消聲器總成網(wǎng)格模型

圖4 主消聲器總成網(wǎng)格模型

計(jì)算消聲器傳遞損失時(shí)，在消聲器的入口端定義-1m/s速度振動(dòng)邊界條件來給予激勵(lì)；消聲器的出口直接接著大氣，聲音通過出口直接傳播到大氣中，由于聲學(xué)有限元網(wǎng)格是實(shí)體網(wǎng)格，其壁面如果不做任何處理，聲音傳播到出口的壁面上后就會(huì)全部反射回來，為了模擬聲音在出口處沒有反射的效果，在出口端定義一個(gè)全吸聲的邊界條件，在消聲器的出口處定義聲阻抗Z0=ρ0c0=399.7 kg/(m2s)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過設(shè)定聲學(xué)網(wǎng)格、流體材料、流體屬性、前處理操作、穿孔板、傳遞導(dǎo)納屬性、入口端和出口端、邊界條件、吸聲屬性等參數(shù)，設(shè)置計(jì)算頻率為10～3 000 Hz，步長為20 Hz，后進(jìn)行三維聲學(xué)數(shù)值模擬。計(jì)算獲得主副消聲器總成的聲壓分布如圖5—圖10所示，分別為低、中、高三個(gè)頻率下消聲器的聲壓云圖分析。

圖5 150 Hz副消聲器總成聲壓分布圖

圖6 1 050 Hz副消聲器總成聲壓分布圖

圖7 2 450 Hz副消聲器總成聲壓分布圖

由圖5—圖7可以看出，在150 Hz時(shí)，第一腔和第二腔內(nèi)聲壓值較小為80～170 N/m2，而第三腔及副消聲器出氣管中，副消聲器聲壓值要稍大些為170～210 N/m2；在1 050 Hz時(shí)，副消聲器第二腔中的聲壓值要大，最大達(dá)到246 N/m2，第三腔中的聲壓值很小，最小為7.58 N/m2；在2 450 Hz時(shí)，第一腔和第二腔中的聲壓值更大，且不均勻，局部達(dá)到了952N/m2，第三腔中的聲壓值也很小，最小為2.57 N/m2。這是因?yàn)榈谝磺缓偷诙粸楣舱袂?，主要是為了消除中低頻的噪聲，由于該車型的排氣副消聲器采用了三腔結(jié)構(gòu)，所以在150 Hz時(shí)，排氣噪聲的控制還較為理想，而第三腔中加有吸聲材料，主要是為了消除中高頻的噪聲，氣流經(jīng)過第三腔后，中高頻的噪聲得到了有效的控制。

圖8 150 Hz主消聲器總成聲壓分布圖

圖9 1 050 Hz主消聲器總成聲壓分布圖

圖10 2 450 Hz主消聲器總成聲壓分布圖

由圖8—圖10可以看出，在150 Hz時(shí)，主消聲器三腔內(nèi)聲壓值都較小，為0.2 N/m2～80.7 N/m2；在1 050 Hz，主消聲器第一腔和第二腔聲壓值較大，大部分區(qū)域是在40 N/m2～306 N/m2，而在第三腔中聲壓值要小些為20 N/m2～131 N/m2；在2 450 Hz時(shí)，主消聲器三個(gè)腔內(nèi)聲壓值都較大，且局部區(qū)域出現(xiàn)較大值，最大達(dá)到1340 N/m2，這是由于主消聲器第一腔為共振和擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，第二腔為共振結(jié)構(gòu)，第三腔為擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，都是為了消除中低頻的噪聲，所以中低頻的噪聲得到了很好的控制，而高頻噪聲沒有得到有效的控制。

為進(jìn)一步了解副消聲器和主消聲器在各個(gè)頻段的消聲效果，在聲學(xué)有限元軟件中計(jì)算得到副消聲器總成和主消聲器總成的傳遞損失曲線。計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 副消聲器和主消聲器總成傳遞損失

由圖11可以看出，副消聲器的消聲效果較理想，考慮到副消聲器體積有限，結(jié)構(gòu)已相對(duì)復(fù)雜，并且副消聲器的結(jié)構(gòu)變化對(duì)消聲器最后的消聲性能影響較小，因此對(duì)副消聲器的結(jié)構(gòu)不作優(yōu)化；主消聲器在10～3 000 Hz所有頻率下，消聲量都不高，最大只有36.38 dB，且在150 Hz以下，消聲量較小，為10～18.8 dB。通過改變主消聲器的結(jié)構(gòu)來改善排氣系統(tǒng)的消聲性能。

4 確定主消聲器優(yōu)化方案

根據(jù)聲學(xué)理論知識(shí)和消聲器設(shè)計(jì)原理，對(duì)于原主消聲器，進(jìn)出氣管上在第二腔中均布置有穿孔高速氣流會(huì)通過出氣管中的小孔直接排出而沒有得到處理，且原主消聲器在中高頻降噪效果不好，所以需要在消聲器中增加吸聲材料來降低中高頻的噪聲，通常加在末腔中，以便平順消聲器所產(chǎn)生的酷利噪聲。優(yōu)化后的主消聲器采用三腔結(jié)構(gòu)，其中前隔板上打有220個(gè)直徑為3.5 mm的孔，在第一腔中，進(jìn)氣管上打有90個(gè)直徑為3.5 mm的孔，第三腔中出氣管上打有190個(gè)直徑為3.5 mm的孔，且加入吸聲棉，結(jié)構(gòu)如圖12所示，以同樣的方法建立有限元模型，并分析計(jì)算得到其聲壓分布如圖13—圖15所示。

圖12 主消聲器優(yōu)化方案

圖13 150 Hz主消聲器優(yōu)化方案聲壓分布圖

圖14 1 050 Hz主消聲器優(yōu)化方案聲壓分布圖

圖15 2 450 Hz主消聲器優(yōu)化方案聲壓分布圖

由圖13—圖15可以看出，優(yōu)化后的主消聲器總成在150 Hz時(shí)，內(nèi)部聲壓值有明顯減小，為1.05 N/m2～50.4 N/m2，在1 050 Hz和2 450 Hz時(shí)，優(yōu)化后的主消聲器在第一腔和第二腔中，中高頻的噪聲并沒有得到提高，但是由于第三腔中添加了吸聲材料，所以在第三腔中的聲壓值較小，最大為132 N/m2，由此可見，經(jīng)過優(yōu)化后的主消聲器降噪量在各頻段都有所提高，為進(jìn)一步體現(xiàn)優(yōu)化后的主消聲器的消聲效果，與原主消聲器對(duì)比，傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖16所示：

圖16 原主消聲器與主消聲器優(yōu)化方案?jìng)鬟f損失對(duì)比

由圖16可以看出，優(yōu)化后的主消聲器的消聲量在10 Hz～3 000 Hz幾乎所有頻率段都有提高，特別是710 Hz以下和1 410 Hz～3 000 Hz有較大提高，710 Hz以下最大提高了26.9 dB，1 410 Hz～3 000 Hz最大提高了25.5 dB，主消聲器經(jīng)過優(yōu)化后，低頻和高頻噪聲都得到了有效提高，主消聲器的消聲性能相應(yīng)提高。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于兩負(fù)載法用于消聲器傳遞損失的測(cè)量操作方便，而且能測(cè)量到較精確的傳遞損失值，所以本文將采用兩負(fù)載法進(jìn)行傳遞損失的測(cè)量[9]。傳聲損失測(cè)量原理如圖17所示。

圖17 測(cè)量系統(tǒng)原理圖

由圖17可以看出，布置在上游管一端的揚(yáng)聲器發(fā)出穩(wěn)態(tài)寬帶隨機(jī)白噪聲給整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)試樣件布置在管中間部位，在上、下游管相對(duì)于被測(cè)試樣件的合適位置分別布置兩個(gè)傳聲器安裝位置，用于安裝壓力場(chǎng)型傳聲器。通過進(jìn)行兩種不同典型邊界條件（下游管末端開口和使用海綿堵塞）進(jìn)行測(cè)量，從而獲得消聲器傳聲損失。

5.1 消聲器傳遞損失試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本試驗(yàn)主要采用B&K公司4206 T阻抗管實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上來測(cè)量無流情況下消聲器傳遞損失。此套系統(tǒng)為固定件，所以聲源位置固定不變，采用兩負(fù)載法來進(jìn)行消聲器傳遞損失的測(cè)量。試驗(yàn)儀器設(shè)備參數(shù)見表1。

5.2 消聲器傳遞損失的測(cè)量與驗(yàn)證

對(duì)原排氣主消聲器和副消聲器及優(yōu)化后的主消聲器均按此試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)：由頻率發(fā)生器作為噪聲源，采用基于傳遞函數(shù)的4傳聲器位置、雙末端邊界條件的傳聲損失測(cè)量方法[10]。實(shí)驗(yàn)溫度為20°C，副消聲器傳遞損失測(cè)試如圖18所示。

表1 儀器設(shè)備參數(shù)

圖18 副消聲器總成傳遞損失測(cè)試

圖18為副消聲器和主消聲器傳遞損失測(cè)量裝置圖。兩對(duì)傳聲器分別被安裝在被測(cè)聲學(xué)單元的上游和下游端。傳聲器被平嵌在管道上，所以傳聲器的存在不會(huì)破壞管道內(nèi)的原有聲場(chǎng)。聲源信號(hào)被四個(gè)傳聲器拾取，經(jīng)過功率放大器信號(hào)放大后輸入多通道分析儀進(jìn)行分析運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)要求在測(cè)量過程中信噪比一定要盡可能地高，至少大于10 dB。為了減少因信號(hào)的不確定性而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)中對(duì)信號(hào)采用了500次線性平均[9]。

測(cè)試時(shí)，消聲器前后連接管按實(shí)際排氣系統(tǒng)管路進(jìn)行測(cè)試：副消聲器和主消聲器傳聲損失測(cè)試結(jié)果見圖19和圖20。

圖19 副消聲器總成傳遞損失模擬與試驗(yàn)對(duì)比

由圖19和圖20可以看出，副消聲器和主消聲器總成的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在整個(gè)頻域內(nèi)吻合很好，但在高頻出現(xiàn)稍微偏差，這是因?yàn)榇┛坠芎透舭宀捎玫氖锹曌杩褂?jì)算公式，以及吸聲材料采用等效流體，這些經(jīng)驗(yàn)公式在高頻還不夠準(zhǔn)確，為了使三維有限元法可以更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)消聲器的聲學(xué)性能，還需要對(duì)穿孔聲阻抗計(jì)算公式講行進(jìn)一步研究，尋找更加合適的修正參數(shù)。

圖20 主消聲器總成模擬與試驗(yàn)對(duì)比

6 結(jié)語

通過對(duì)消聲器隔板或管壁上的小孔采用傳遞導(dǎo)納理論來模擬，消聲器中的吸聲材料采用等效流體的方法處理，可以快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)三維聲學(xué)有限元方法預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失，由分析結(jié)果可以看出，副消聲器和主消聲器總成的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在整個(gè)頻域內(nèi)吻合很好，對(duì)分析和改進(jìn)消聲器的聲學(xué)性能提供了一定的依據(jù)。

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Analysis of Three-dimensional Sound Field of s Exhaust Mufflers Automobile’

YUAN Shou-li1,2,XIN Chao1,2,LIU Zhien1,2,XIAO Sheng-hao1,2

(1.School ofAutomotive Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2.Hubei Key Laboratory ofAdvanced Technology of Automotive Parts,Wuhan 430070,China)

Three-dimensional finite element method is used to optimize the design of a vehicle’s exhaust mufflers.Based on the transfer admittance theory,behaviors of the perforated pipe and the perforated plate of a muffler are analyzed.The numerical model is established and the three-dimensional acoustic fields of the primary and secondary mufflers are simulated and analyzed,and their transmission losses are obtained.Then,the transmission losses of the primary and secondary mufflers are measured with the double-load and four-microphone method.The experiment results show that the three-dimensional finite element method has high accuracy to predict the muffler’s acoustic performance.According to the simulation results and the principle of muffler’s design,the primary muffler is optim ized,and the acoustic performance of its exhaust system is improved.The demands of laws and regulations for the vehicle’s noise emission limitation are satisfied.

acoustics;exhaust muffler;three-dimensional FEM;transm ission loss

TB5

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.026

1006-1355(2014)01-0113-05

2013-04-08

國家科技支撐計(jì)劃—生物燃?xì)鈨艋峒兗夹g(shù)裝備及城市公交系統(tǒng)應(yīng)用研究（基金編號(hào)：2012BAC18B02）

袁守利（1966-），男，武漢人，副教授，目前從事車輛新能源及排放控制研究。

E-mail:YSL0202@163.com