氣流對消聲器聲學性能的影響分析

李海兵，陸森林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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氣流對消聲器聲學性能的影響分析

李海兵，陸森林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：研究了氣流對消聲器聲學性能的影響。利用聲學有限元軟件計算有無平均流速時消聲器的傳遞損失。研究了氣流溫度對消聲器性能的影響。運用Fluent分析了消聲器的內(nèi)部流場，得到壓力云圖、速度云圖，以及湍動能分布情況。運用Matlab軟件將脈動壓力的時域響應轉(zhuǎn)化為聲壓級的頻譜響應，得到氣流再生噪聲曲線，為消聲器設(shè)計和改進提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：流速；消聲器；傳遞損失；數(shù)值計算；氣流再生噪聲

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車噪聲已經(jīng)成為交通噪聲最主要的噪聲源之一，嚴重影響人們的身心健康。研究表明[1]，汽車的排氣噪聲占車輛總噪聲的30%以上，因此如何降低排氣噪聲成為降低車輛噪聲的關(guān)鍵措施之一。目前，國內(nèi)外車輛排氣噪聲控制最主要、最有效的方法就是安裝消聲器。因此，對消聲器性能的研究成為國內(nèi)外學者關(guān)注的重點。噪聲控制的實踐經(jīng)驗表明[2]：實際使用的消聲器的消聲效果往往達不到理論設(shè)計時的預期效果，尤其對高消聲量的消聲器，該問題格外突出。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的一個主要原因是氣流對消聲器消聲性能的影響，主要體現(xiàn)在兩個方面[3]：氣流的存在影響了聲波的傳播規(guī)律；氣流經(jīng)過消聲管道時受到局部阻力或摩擦阻力的影響產(chǎn)生湍流，以及氣流激發(fā)內(nèi)部構(gòu)件振動從而產(chǎn)生新的噪聲，即氣流再生噪聲。隨著內(nèi)燃機向著高速化發(fā)展，發(fā)動機排氣速度越來越快，氣流對消聲器性能的影響也變得更加突出。所以，研究消聲器內(nèi)部氣流對消聲器消聲性能的影響在噪聲控制的過程中具有非常重要的實踐意義。

1基本理論

1.1基本方程

流體運動要遵循物理學的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律，由此推導出流體的基本控制方程[4]?？刂品匠淌菍α黧w進行數(shù)值計算的基礎(chǔ)。

1) 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)

(1)

2) 動量守恒方程

(2)

式中：f為作用在流體的體積力；p為壓力；τ為流體的應力張量。

3) 能量守恒方程

(3)

式中：h為流體的熵；k為分子傳導率；kt為由湍流傳遞引起的傳導率；T為溫度；Sh為定義的體積源。

4) 狀態(tài)方程

(4)

式中R為氣體常數(shù)。

1.2管道聲傳播

在傳統(tǒng)的聲學計算中，總是假定聲波在靜止不動的介質(zhì)中傳播。當介質(zhì)流動馬赫數(shù)大于0.3以后，聲音的傳播特性將發(fā)生明顯改變，這時就需要考慮流體介質(zhì)速度對于聲音傳播的影響[5]。

根據(jù)聲學理論，考慮氣流存在時圓形管道內(nèi)的波動方程[6]：

(5)

令

(6)

聯(lián)立式(1)及式(2)，并忽略高次諧波的影響得

(7)

由質(zhì)點速度與聲壓的關(guān)系可知管內(nèi)徑向質(zhì)點速度為

(8)

氣流對消聲器的影響主要與馬赫數(shù)M有關(guān)[2]：

(9)

由式(9)可以看出：氣流對消聲器消聲性能的影響不僅與氣流速度大小有關(guān)，而且與氣流的方向有關(guān)。當流速越高時，M值越大，對消聲性能的影響就越大。

2消聲器傳遞損失仿真計算

2.1考慮平均流速時的傳遞損失

本研究只考慮介質(zhì)流體流動對聲波傳播的影響，不是計算因氣流引起的噪聲。運用CATIA建立一個三腔體消聲器模型，并在Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分。消聲器聲腔網(wǎng)格模型如圖1所示。

將消聲器聲腔有限元網(wǎng)格導入聲學軟件Virtual.Lab Acoustics中，定義流體屬性為空氣，消聲器的入口邊界條件定義為單位速度(1 m/s)，出口端面定義為全吸聲的邊界條件。此處只考慮了流速對聲音傳播的影響，在入口處定義為平均流速邊界條件。一般工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000～6 000 r/min，對應的發(fā)動機排氣速度大約為10～50 m/s。經(jīng)過渦輪增壓以后，進入排氣系統(tǒng)的氣流速度大幅提高，因此計算速度大小范圍選為0～120 m/s，出口處流動勢為0 m2/s。通過計算可以得到消聲器內(nèi)部氣體流動的速度矢量，如圖2所示。經(jīng)過聲場分布計算并提取入口和出口端的聲壓響應，最終得到消聲器的傳遞損失曲線。圖3為消聲器入口處流速分別為0，60和120 m/s時消聲器的傳遞損失曲線。

從圖3可以看出：在0～500 Hz頻率范圍內(nèi)，當流速為60 m/s和120 m/s時，消聲器的傳遞損失比介質(zhì)靜止時的傳遞損失要高，且流速越大，消聲器的傳遞損失也就越大，也就表示流速對低頻段聲音傳播規(guī)律的影響較大。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：氣流速度越大，對消聲器的傳遞損失影響也就越大，說明流速對聲音傳播規(guī)律的影響隨速度增大而增加。

圖2　消聲器內(nèi)部氣體流動的速度矢量

圖3　消聲器傳遞損失曲線對比

圖4　不同流速的傳遞損失差值對比

2.2考慮溫度時消聲器的傳遞損失

以上只考慮了平均流速大小對聲音傳播的影響而忽略了溫度的影響。實際上溫度對消聲器消聲性能存在較大的影響。根據(jù)發(fā)動機類型的不同，進入排氣系統(tǒng)的燃氣溫度在450～650 ℃。溫度與流體的密度、聲速等息息相關(guān)，在排氣管道、渦輪增壓器等部件中存在很大的溫度梯度，因此流體屬性會有很大差異，必然會影響聲音的傳播。

圖5為排氣系統(tǒng)入口處溫度為600 ℃(873 K)時經(jīng)Fluent計算的溫度場云圖。從圖6可以看出：溫度對消聲器消聲性能的影響較大，在0～400 Hz以及700 Hz以上降低了消聲量，在400～700 Hz使消聲量增加。

圖5　排氣系統(tǒng)的溫度場云圖

圖6　是否考慮溫度影響時的消聲器傳遞損失曲線

3氣流再生噪聲

3.1數(shù)值計算方法

計算氣流聲學方法是近年來興起的一門計算科學方法。該方法考慮流體運動的可壓縮性，求解流體的非穩(wěn)定狀態(tài)運動和聲波在流體中的傳播，運用了Navier-Stokes方程和Burger’s方程，可同時求解聲學問題和流體動力學問題，從而可得流體計算域內(nèi)任意一點的聲壓級響應[7]。該方法的計算思路：首先利用CFD軟件對流場進行流場分析，得到流場在時域上的壓力分布，讀取流體計算域內(nèi)監(jiān)測點處的壓力波動時間歷程，對時間歷程進行傅里葉變換，從而計算監(jiān)測點處的聲壓級的頻譜響應[8]。

3.2氣流再生噪聲計算

本文使用CFD軟件Fluent進行流場求解，得到監(jiān)測點的壓力時域分布，再使用Matlab編程，將監(jiān)測點處的脈動壓力的時域分布轉(zhuǎn)化為聲壓級的時域分布響應。

首先建立消聲器聲腔模型，進行網(wǎng)格劃分，得到消聲器內(nèi)部流體網(wǎng)格及監(jiān)測點，如圖7所示。將聲腔有限元模型導入Fluent作為流體計算域，忽略消聲器壁面對消聲器內(nèi)部聲場和流場的影響。

圖7　消聲器內(nèi)部流體網(wǎng)格及監(jiān)測點

設(shè)置流體屬性、初始邊界條件(入口為速度入口、出口為壓力出口)，以及所選的計算模型；進行瞬態(tài)響應計算得到流場的脈動壓力的時域分布；選取監(jiān)測點并提取壓力時域響應分布；在瞬態(tài)計算時設(shè)置時間步長為0.000 2、計算步數(shù)為1 000進行流場模擬計算，得到消聲器內(nèi)部流場的壓力云圖、速度云圖以及湍動能分布云圖，如圖8～10所示。

圖8　某一時刻的壓力云圖

圖9　流速為30 m/s時對稱面某一時刻的速度云圖

圖10　對稱面某一時刻的湍動能分布云圖

由圖8～10可以看出：消聲器出口端流體壓力、速度以及湍動能的值都比較高。由于截面突然收縮，導致速度梯度比較大，流體質(zhì)點運動激烈，湍動能較大，輻射的流體噪聲也較大。

在不同氣流速度下氣流再生噪聲的計算結(jié)果及比較如表1及圖11所示。

表1　不同氣流速度下氣流再生噪聲值

圖11　氣流速度為30，40，50 m/s時氣流再生噪聲

表1及圖11表明：氣流再生噪聲隨氣流速度的增加而增大，氣流速度對頻譜特性影響不是很大。由圖12可以看出：氣流再生噪聲仿真結(jié)果與氣流速度6次擬合曲線基本對應，這也證明了數(shù)值模擬計算方法的可靠性。

4結(jié)束語

通過計算平均氣流速度對消聲器傳遞損失的影響，說明當氣流速度增加到一定數(shù)值時，不能再忽視氣流對消聲器消聲性能的影響。當內(nèi)部溫度梯度較大時，在計算消聲器聲學性能時應該注意溫度場的影響。當氣流速度不高時，氣流再生噪聲值比較小，對消聲器消聲影響不大；當氣流流速變大時，噪聲強度隨流速的6次方規(guī)律遞增，降低了消聲器的消聲性能，甚至使得消聲器的消聲值為負。

圖12　氣流再生噪聲與氣流速度的關(guān)系

參考文獻：

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

[2]張林.噪聲及其控制[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2002.

[3]黃其柏.工程噪聲控制學[M].武漢：華中科技大學出版社，1999.

[4]李高明，李明.ANSYS 13.0 流場分析技術(shù)及應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[5]詹福良，徐俊偉.Virtual.Lab Acoustics 聲學仿真計算從入門到精通[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2013.

[6]潘甫生.內(nèi)燃機排氣消聲器設(shè)計技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[7]ERIC M,BRUNO T.Trailing-Edge Noise Prediction Using Large-Eddy Simulation and Acoustic Analogy[J].AIAA Journal,2000,38(4)：575-583.

[8]王少康.消聲器內(nèi)三維流動的數(shù)值模擬研究[D].長春:吉林大學，2007.

(責任編輯劉舸)

Analysis on Effect of Airflow on Muffler Performance

LI Hai-bing, LU Sen-lin

(School of Automotive & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:This paper studied the effect of airflow on the muffler acoustic performance. It used the acoustic finite element software to calculate the muffler’s transmission loss under the average velocity， and the effect of temperature on muffler. Using Fluent, we analyzed the muffler’s internal flow field, and got pressure cloud, velocity cloud and distribution of turbulent kinetic energy. Converting time domain response of the fluctuating pressure into a sound pressure level of spectral response by Matlab, we got the regeneration noise curve, which provides the basis for the muffler design and improvement.

Key words:flow velocity; muffler; transmission loss; numerical computation; regeneration noise

文章編號：1674-8425(2016)02-0024-05

中圖分類號：U464.134

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.005

作者簡介：李海兵(1988—)，男，碩士研究生，主要從事車輛噪聲控制研究。

基金項目：江蘇省自然科學基金資助項目(KB2009212)

收稿日期：2015-03-26

引用格式：李海兵，陸森林.氣流對消聲器聲學性能的影響分析[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):24-28.

Citation format：LI Hai-bing, LU Sen-lin.Analysis on Effect of Airflow on Muffler Performance[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):24-28.