三角截面內(nèi)管的阻抗復(fù)合消聲器聲學(xué)特性研究

黃逸哲，蔡敢為，李　霖，李善德

（1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

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三角截面內(nèi)管的阻抗復(fù)合消聲器聲學(xué)特性研究

黃逸哲1，蔡敢為1，李霖2，李善德2

（1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

以三角截面內(nèi)管阻抗復(fù)合型消聲器為研究對象，推導(dǎo)其消聲量數(shù)學(xué)表達式，基于GT-POWER軟件建立消聲器傳遞損失和阻力損失計算仿真模型，分析消聲器結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)與消聲性能的關(guān)系，得到孔徑、穿孔率、變徑管傾角、吸聲材料及容重對消聲器傳遞損失及背壓的影響規(guī)律，并通過實驗驗證仿真結(jié)果的正確性。研究結(jié)果可為具有三角截面消聲器的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

聲學(xué)；阻抗復(fù)合消聲器；三角截面管；聲學(xué)特性；傳遞損失

阻抗復(fù)合型消聲器具有消聲頻帶寬、消聲量大等優(yōu)點，在風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)、汽車排氣系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-8］。目前阻抗復(fù)合消聲器內(nèi)管截面主要有圓形直管式、矩形管片式、折板式及迷宮式等。其中圓形直管式消聲器的吸聲材料大多厚度相等，且在相同流通面積的情況下，聲波與吸聲體接觸面積相對較小，未能充分發(fā)揮吸聲體的聲學(xué)潛力［2-4］；矩形片式消聲器主要適合于矩形管道消聲器，聲波與吸聲體接觸面積大，但該類消聲器氣流阻力損失相對較大。文中提出一種具有三角截面內(nèi)管的直通式消聲器，該消聲器具有如下特點：其一，聲波與吸聲體接觸面積大、消聲性能好；其二，吸聲體內(nèi)管截面中的吸聲材料具有不同厚度，可拓寬吸聲頻帶，滿足寬頻帶消聲降噪的要求；其三，阻力損失小。因此，研究具有三角截面的阻抗復(fù)合消聲器具有重要的理論和實際意義。文中擬采用聲學(xué)理論、有限體積法，并應(yīng)用GT-Power軟件進行建模分析計算，得到消聲器結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)與消聲性能的關(guān)系，其研究結(jié)果對通風(fēng)系統(tǒng)、汽車排氣系統(tǒng)等消聲器設(shè)計具有一定的參考價值。

1　三角截面內(nèi)管阻抗復(fù)合消聲器理論建模

圖1 GEM-3D模型圖

圖1所示為具有三角截面的典型消聲器結(jié)構(gòu)。由圖1可知，管內(nèi)吸聲體由穿孔板和非等厚度吸聲材料構(gòu)成，如圖2所示。由于穿孔板后部空間及吸聲材料厚度的不同，其表面的聲阻抗隨位置的不同是不一樣的，因而其穿孔板表面的吸聲系數(shù)是不同的。為此，文中將圖2的吸聲體分解為n個吸聲單元，設(shè)第i個單元的面積為Si，單元i的聲阻抗率由其穿孔板和板厚吸聲材料串聯(lián)而成，可表示為

即

式中ω為圓頻率，ρ0為空氣密度/kg/m-3，t為穿孔板的厚度/mm，d為穿孔直徑/mm，u=η/ρ0，為運動黏滯系數(shù)（η為媒質(zhì)的切變黏滯系數(shù)），pm為單元穿孔板的穿孔率，ρc為吸聲材料的特性阻抗，c為吸聲材料中的聲速，D為吸聲材料厚度/mm。

圖2　穿孔板-吸聲材料結(jié)構(gòu)圖

以空氣的特性阻抗ρ0c0為單位，i單元的相對聲阻抗率可表示為

式中ri和xi分別為復(fù)合吸聲單元i的相對聲阻率和相對聲抗率。

吸聲單元i的垂直入射吸聲系數(shù)為

根據(jù)平均吸聲系數(shù)的定義，圖2所示吸聲結(jié)構(gòu)的平均吸聲系數(shù)為

若所劃分的各單元面積相等，即S1=S2=…=Sn，則圖2所示吸聲體及三角截面內(nèi)管的平均吸聲系數(shù)為

直管式阻抗復(fù)合消聲器的消聲量計算公式為［1］

通過式（6）得到消聲器內(nèi)管復(fù)合吸聲系數(shù)后，即可由式（7）計算具有三角截面阻抗復(fù)合消聲器消聲量。通過上述理論分析可知，消聲器阻抗特性決定其吸聲系數(shù)，從而影響消聲器消聲系數(shù)和消聲量。在同樣消聲系數(shù)的情況下，增大穿孔管截面周長，則聲波與吸聲體接觸的面積越大，消聲效果越好，消聲器長度越長，消聲量越大。

2　消聲器數(shù)值仿真模型

圖3為具有三角截面阻抗復(fù)合消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖，該消聲器由出入口、錐形連接管、消聲器外殼、穿孔管、吸聲材料組成。聲波從左端入口進入消聲器，通過錐形擴張管后，進入穿孔管，在穿孔和吸聲材料作用后，通過錐形收縮管，從出口流出。消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中穿孔管的截面形狀、穿孔直徑、穿孔率、吸聲材料的容重等為影響該管道消聲器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

對于圖1所示的消聲器結(jié)構(gòu)，根據(jù)傳遞損失和壓力損失的測試方法，應(yīng)用GT-POWER軟件，建立了傳遞損失仿真模型和背壓計算仿真模型，如圖4、圖5所示。

表1　消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3　管消結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖4　傳遞損失仿真模型

圖5　背壓仿真模型

上述模型包含以下模塊：白噪聲發(fā)聲模塊（Speaker）、傳遞損失計算模塊（Trans Loss）、聲壓傳感器（Sensor Corm）、末端環(huán)境（Endout）、氣流模塊（End Flowlnlt）、儲存模塊（RLT Creator）。

利用所建消聲器仿真模型，可計算分析穿孔管孔徑、吸聲材料及容重、變徑管傾角等參數(shù)與消聲器傳遞損失及背壓，其中傳遞損失計算頻率范圍為31.5 Hz～3 150 Hz。

3　消聲器性能仿真分析

3.1穿孔管孔徑的影響

穿孔管上開孔數(shù)目為300個，開孔直徑在3～12 mm變化時，傳遞損失及背壓的仿真結(jié)果如表2所示。

表2　孔徑大小對傳遞損失及背壓的影響

由表2可知，隨著穿孔板孔徑的增大，消聲器傳遞損失隨之增大，背壓逐步減小。穿孔板孔徑與消聲器傳遞損失頻譜如圖6所示。

由圖6可知，在低頻范圍內(nèi)，消聲器傳遞損失隨穿孔孔徑變化較小，高頻范圍內(nèi)，傳遞損失變化明顯。當(dāng)穿孔孔徑小于4 mm時，由于聲波的衍射作用，其消聲器傳遞損失較小，在孔徑大于6 mm后，聲波能較好地進入吸聲材料內(nèi)，因而中高頻消聲效果較好，孔徑繼續(xù)增大，效果變化減弱。

圖6　穿孔管孔徑大小對各頻率傳遞損失的影響

3.2穿孔管穿孔率的影響

穿孔率是影響消聲器性能的重要參數(shù)，本節(jié)通過仿真分析，得到穿孔率在0.02～0.23范圍內(nèi)消聲器傳遞損失及背壓的仿真結(jié)果，如表3所示。由表3可知，隨著穿孔板穿孔率的增加，其傳遞損失逐步增大，背壓逐漸減小。其中，在穿孔率為0.17時，總的傳遞損失最大，可能是由于2 500 Hz附近穿孔板-吸聲體聲腔共振所致。

表3　穿孔率變化對傳遞損失及背壓的影響

圖7所示為傳遞損失頻譜圖。由圖7可知，隨著穿孔率增大，傳遞損失值有逐漸增大趨勢。在穿孔率在0.06～0.23時，1 600 Hz附近傳遞損失均存在谷值。穿孔率為0.17時，傳遞損失在2 500 Hz附近達到峰值的最大值。

圖7　穿孔率對各頻率傳遞損失的影響

3.3吸聲材料及其容重的影響

超細玻璃棉是一種抗腐蝕玻纖增強復(fù)合材料，因其環(huán)境危害小、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，其在船舶、機械、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在排氣消聲器中，它也是較為理想的絕熱吸聲材料。巖棉是另一種廣泛應(yīng)用的吸聲材料，它具有不燃、防蛀、熱導(dǎo)率低、耐溫達300℃～400℃、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強、吸聲性能好等特點。在仿真分析中，選擇如表4所示的兩種常用材料作為對比分析。

選擇穿孔管開孔為300×Φ6，吸聲材料容重與傳遞損失、背壓變化如表5所示。由表5可知，對于超細玻璃棉來講，當(dāng)容重為40 kg/m3時傳遞損失最大，過大或過小，其消聲效果均有所減小，背壓隨容重的增大逐步增大。對于巖棉來講，在所分析的容重范圍內(nèi)，隨著容重的增加，其消聲效果逐步下降，可見，容重太大，不利于消聲器消聲效果的發(fā)揮。從總體上看，超細玻璃棉的消聲效果和背壓比巖棉有明顯優(yōu)勢。

表4　吸聲材料的基本物理參數(shù)

表5　容重變化對傳遞損失及背壓的影響

容重變化時，各頻段傳遞損失的仿真結(jié)果如圖8所示。由頻譜圖可知，在500 Hz以下，無論是巖棉還是超細玻璃棉，其傳遞損失均較小。不過，在630 Hz的低頻范圍，當(dāng)巖棉容重為50 kg/m3時，其傳遞損失較其他容重均好。在頻率為630 Hz～1 600 Hz之間，兩種吸聲材料在不同容重情況下均有峰值，但超細玻璃棉的傳遞損失明顯好于巖棉。頻率1 600 Hz以上，材料和容重的變化對消聲器傳遞損失影響不大。

圖8　容重對各頻率傳遞損失的影響

3.4變徑管傾角對消聲性能的影響

氣流從入口管道進入穿孔管時，管道直徑從150 mm變化為276 mm，截面突變引發(fā)聲波反射、干涉等現(xiàn)象。在截面接頭處需要用錐形變徑管（包括連接入口的擴張管和連接出口的收縮管）連接，如圖1所示。錐形變徑管發(fā)揮一定的抗性消聲作用，而抗性消聲器具有良好的中、低頻消聲特性?？紤]到加工方便，此時擴張管和收縮管采用同等大小的尺寸。此處分析主要對變徑管傾角進行優(yōu)化，變徑管傾角指變徑管外徑與管中心線的夾角，如9所示。

圖9　變徑管傾角示意圖

在變徑管傾角從48°～84°變化時，消聲器傳遞損失及背壓變化如表6所示。從該表可看出，隨著變徑管傾角逐漸增大，總傳遞損失增大，背壓變化不大。

表6　傾角變化對傳遞損失及背壓的影響

圖10　變徑管傾角對傳遞損失的影響

不同傾角下，傳遞損失變化如圖10所示，由該圖可知，傾角在48°～84°間變化時，400 Hz以下傳遞損失變化不大；在400 Hz～1 250 Hz頻段，隨著傾角增大，傳遞損失值增大，且消聲頻帶寬度增大；在1 600 Hz以上，傳遞損失差別較大，特別是在傾角為48°時高頻效果較好?？紤]到消聲器進出口間距固定、穿孔管長度固定、變徑管傾角θ增大時，消聲器腔體容積增大，自然導(dǎo)致傳遞損失值增大，從中可得出結(jié)論，在管道出入口位置確定時，變徑管傾角增大，消聲效果有所增強。

4　消聲器實驗分析與驗證

針對三角截面管道消聲器的仿真分析結(jié)果，設(shè)計試制消聲器樣件，其消聲器進出口管道、內(nèi)外管尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，三角形內(nèi)管截面穿孔管孔徑為8 mm，穿孔率為0.10，穿孔板后吸聲材料為超細玻璃纖維，容重為40 kg/m3，變徑管管道傾角為80°。該消聲器在實驗室冷流消聲器模擬系統(tǒng)上進行了傳遞損失測試，同時利用所建GT-Power模型進行仿真計算，其傳遞損失仿真和實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11　管道消聲器仿真和實驗結(jié)果的對比

由圖11可知，頻率低于400 Hz以下時，理論和實驗值有一定的偏差，其誤差主要來源于測試過程中背景噪聲，頻率高于2 500 Hz時所產(chǎn)生的誤差，主要是由于GP-Power所使用的體積法所限?？傊?，仿真結(jié)果與消聲器的實驗測試結(jié)果擬合較好。

5　結(jié)語

針對具有三角截面阻抗復(fù)合消聲器進行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）建立具有三角截面內(nèi)管的阻抗復(fù)合消聲器消聲量預(yù)測模型，得到了影響消聲器消聲效果的因素，為消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

（2）建立了基于GT-Power的具有三角截面內(nèi)管的阻抗復(fù)合消聲器的消聲性能和阻力損失仿真模型，并進行仿真計算，揭示了消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)與消聲性能、阻力特性的關(guān)系及相關(guān)規(guī)律。

論文的研究結(jié)果為具有三角截面消聲器的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

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Study onAcoustic Characteristics of the Impedance Composite Muffler with a Triangular Cross-section Inner Tube

HUANG Yi-zhe1，CAI Gan-wei1，LILin2，LI Shan-de2

（1.Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

An impedance composite muffler with a triangular cross-section inner tube is studied.Mathematical expressions for noise elimination of the muffler are derived.Based on the GT-POWER software，the models of transmission loss and resistance loss of the muffler are established.By analyzing the relationship of muffler structure，material parameters and the acoustic performance of the muffler，the influence of aperture，perforation rate，inclined angle of the reducing pipe，parameters of the sound-absorbing materials and bulk density on the transmission loss and back pressure is obtained.The simulation results are verified by experiment.This work has provided a reference for design and optimization of mufflers with the triangular section inner tubes.

acoustics；impedance composite muffler；triangular section tube；acoustic performance；transmission loss

TB535；TB132

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.038

1006-1355（2016）04-0178-05

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（51575201）

黃逸哲（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為振動與噪聲控制。E-mail:hyz900123@163.com

蔡敢為（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:caiganwei@163.com