一種可自主調(diào)頻的擴(kuò)張腔消聲器

牛凱強(qiáng)++呂海峰+韓彥南

摘 要： 傳遞損失是消聲器的固有特性，是評判消聲器消聲性能的重要因素。采用有限元分析法對有插入管的擴(kuò)張腔消聲器傳遞損失進(jìn)行研究，指出擴(kuò)張腔消聲器入口插入管與出口插入管之間的相互影響。設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。根據(jù)進(jìn)出口插入管之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種可自主調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔位置來調(diào)整插入管長度的結(jié)構(gòu)。調(diào)整擴(kuò)張腔到不同位置的消聲器做仿真分析，仿真結(jié)果表明，通過該結(jié)構(gòu)的自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)張腔消聲器消聲頻率的實(shí)時調(diào)節(jié)。提高了該類型消聲器的消聲效果和消聲頻率寬度。

關(guān)鍵詞： 擴(kuò)張腔消音器； 傳遞損失； 有限元仿真； 可調(diào)頻

中圖分類號： TN61?34； TU112.3； TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0108?0

0 引 言

消聲器是一種在允許氣流通過的同時又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置，它主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的進(jìn)、排氣管道或者通風(fēng)管道的噪聲控制。消聲器的種類很多，按其減噪原理主要分為阻性消聲器、抗性消聲器和復(fù)合式消聲器。消聲器的聲學(xué)性能的優(yōu)劣，是根據(jù)消聲值的高低和消聲頻率的寬度來衡量的。擴(kuò)張腔消聲器是比較常見的抗性消聲器之一，因其結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造且消聲效果較好得到了廣泛的應(yīng)用。它的消聲原理是：利用管道的截面突變引起聲阻抗變化，使一部分沿管道傳播的聲波反射回聲源；同時，通過腔、室和內(nèi)接管等尺寸的變化，使得向前傳播的聲波與不同管截面上的反射波之間產(chǎn)生的相位差發(fā)生相互干涉，從而達(dá)到消聲的目的[1]。傳統(tǒng)的擴(kuò)張腔消聲器消聲頻率比較寬但是消聲效果一般，帶有插管的擴(kuò)張腔消聲器雖然在固定頻率內(nèi)提高了消聲值，但是其消聲頻率寬度又比較窄。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種可自主調(diào)節(jié)插入管長度的擴(kuò)張腔消聲器。

傳遞損失是消聲器本身所具有的特性，在消聲器設(shè)計(jì)以及數(shù)值計(jì)算時，用傳遞損失來作為評價標(biāo)準(zhǔn)特別方便[2]。本文應(yīng)用有限元分析法對幾種擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真的正確性。根據(jù)理論研究對該消聲器做了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，在不影響擴(kuò)張腔消聲器空氣動力性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了消聲器的插入管長度可自主調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了高的消聲值和寬的消聲頻率。

1 傳遞損失理論

傳遞損失是消聲器聲學(xué)性能的一個重要特征參數(shù)，是一個消聲器本身的固有特性，其數(shù)值可以用來作為消聲器性能的評價標(biāo)準(zhǔn)[3]。通常情況下，認(rèn)為傳遞損失值越大，消聲器的消聲性能越好。

傳遞損失（Transmission Loss）的定義：消聲元件入口處的入射聲功率級 [Lwi]和出口處的透射聲功率級 [Lwt] 之差，即：

[TL=Lwi-Lwt=10lgwiwt] （1）

空氣中聲強(qiáng)級近似等于聲壓級，而聲強(qiáng)與聲功率有[I=WS]（[S]為傳播方向的面積）的關(guān)系式，所以有：

[Lp≈LI=LW-10lgS] （2）

傳遞損失也可以運(yùn)用聲壓級或者聲強(qiáng)級來計(jì)算。

2 有限元理論

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，是用有限數(shù)量的未知單元去逼近無限未知單元的真實(shí)系統(tǒng)。COMSOL Multiphysics是一款基于全新有限元理論、直接針對偏微分方程為研究對象的大型數(shù)值仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了任意多物理場、直接、雙向、實(shí)時耦合，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算[3?4]。COMSOL中的聲學(xué)模塊可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲學(xué)的理論仿真。為了對管道內(nèi)的聲壓分布情況進(jìn)行研究，本文應(yīng)用COMSOL仿真軟件對擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行了有限元分析。所研究的消聲器各參數(shù)尺寸如表1所示，分別對無插入管和插入管長度為100 mm和90 mm的擴(kuò)張腔進(jìn)行仿真分析。根據(jù)這些參數(shù)建立了擴(kuò)張腔消聲器模型，并采用自由劃分網(wǎng)格方式對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，如圖1所示。

設(shè)定聲音的傳播速度為340 m/s，空氣密度為 1.293×10-6 kg/m3。根據(jù)擴(kuò)張腔消聲器平面波截止頻率公式[f=1.22cd]，該消聲器的截止頻率為3 771 Hz，因?yàn)楸疚难芯吭肼曌罡邽? 000 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止頻率。所以仿真設(shè)定入射聲波為一維平面波，入射聲壓[6?8]為1 Pa。

圖2（a）為擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失曲線，由圖中曲線可以看出，無插入管消聲器傳遞損失呈周期性變化，消聲效果一般。插入管100 mm的擴(kuò)張腔消聲器在約為790 Hz時傳遞損失特別大，消聲效果特別好。插入管90 mm的擴(kuò)張腔消聲器在約為850 Hz時傳遞損失值大，消聲效果顯著。說明插入管有利于消聲效果的提高，而插入管的長度決定消聲效果較好的消聲頻率。

如圖2（b）所示，消聲器1為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和0 mm的消聲器，消聲器2為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和90 mm的消聲器，消聲器3為入口插入管和出口插入管長度分別為0 mm和90 mm的消聲器，從該圖可以看出消聲器2所得的傳遞損失曲線是由消聲器1與消聲器3所得傳遞損失的疊加。說明消聲器入口插入管與出口插入管互不干涉，但是都有利于消聲器消聲效果。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)用四傳聲器法對該消聲器消聲前后聲壓進(jìn)行測量[9?10]，實(shí)驗(yàn)測試原理如圖3所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是莞音Audio Labs制作的8 Ω/ 15 W揚(yáng)聲器，采用YE5856功率放大器對信號源噪聲信號源進(jìn)行放大，采用Φ12.7 mm（[12] inch）預(yù)極化測試傳聲器，傳聲器1和傳聲器2、傳聲器3和傳聲器4均間隔12 cm。采用DAQ9234采集卡配合LabVIEW軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)測試裝置如圖4所示。為了比較準(zhǔn)確地測試出消聲器的消聲效果，在消聲器的同一位置放置長度相同的直管做空管的聲壓測量，并將兩者所得傳遞損失的差值作為該消聲器的傳遞損失值[7]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4760—1995，在管道的出口處接喇叭形的消聲末端，這樣能夠最大程度地減小管道振動對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

4 結(jié)果分析

通過應(yīng)用有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究對有插管的擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失進(jìn)行分析，其傳遞損失曲線如圖5中所示。圖5中消聲器1為入口插入管和出口插入管長度均為100 mm的消聲器，消聲器2為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和90 mm的消聲器。由圖5中曲線可以看出，插入管長度不同的兩個消聲器，其仿真分析得到的傳遞損失曲線與實(shí)驗(yàn)分析得到的傳遞損失曲線都能很好的吻合。說明應(yīng)用COMSOL仿真得到的結(jié)果是正確的，可以在研究有插入管的擴(kuò)張腔消聲器時作為參考。實(shí)驗(yàn)得到的曲線在頻率低于300 Hz時出現(xiàn)了局部不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是在頻率低于100 Hz時波動尤為明顯，這是由于實(shí)驗(yàn)所用的揚(yáng)聲器本身在低頻段工作不穩(wěn)定的特性引起的。而在1 400 Hz處傳遞損失曲線出現(xiàn)了一個極大值，其原因可能是由于達(dá)到擴(kuò)張腔的共振頻率，擴(kuò)張腔內(nèi)的氣體在聲波激勵下發(fā)生共振，使得聲能急劇轉(zhuǎn)化為熱能以及管道的動能，導(dǎo)致傳遞損失出現(xiàn)極大值。而在約為600 Hz，1 100 Hz和1 700 Hz時出現(xiàn)了不同程度的負(fù)的傳遞損失，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所用的是雙末端法，該方法在傳遞損失接近0時會出現(xiàn)較大的誤差，從而使得傳遞損失值出現(xiàn)了周期性的負(fù)值。

結(jié)合第3節(jié)中的結(jié)論，可以知道，只要調(diào)節(jié)插入管的長度就能調(diào)節(jié)消聲器最佳消聲頻率，從而實(shí)現(xiàn)高消聲寬頻域的消聲器。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)第3，4節(jié)中的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論，在現(xiàn)有的內(nèi)插管擴(kuò)張腔消聲器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔內(nèi)插管長度的結(jié)構(gòu)，它是由步進(jìn)電機(jī)通過絲桿帶動擴(kuò)張腔左右移動，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張腔內(nèi)部插入管長度的調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6中插入管外徑帶有外螺紋，與擴(kuò)張腔插入口處的內(nèi)螺紋相連接，擴(kuò)張腔外設(shè)有外螺紋，將其與有步進(jìn)電機(jī)的絲桿相連接，插入管與過渡管固定連接，這樣只要控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)消聲器插入管長度的調(diào)節(jié)。對該消聲器的部分位置進(jìn)行仿真分析，仿真分析結(jié)果如圖7所示，設(shè)定前后插入管均為100 mm時為0，擴(kuò)張腔向左移動為正。從圖7中可以看出，隨著擴(kuò)張腔位置的移動，其最佳的消聲頻率會隨著變化，從圖7中還可以看出，每個頻率的噪聲都有一個最佳的傳遞損失值，也就是說，每個頻率的噪聲都對應(yīng)有一個擴(kuò)張腔位置使其達(dá)到最佳的消聲效果。只要能夠有足夠量的基數(shù)，每個頻率處都取所有基數(shù)的最大傳遞損失值，就能得到該消聲器的最佳傳遞損失曲線。圖8為擴(kuò)張腔每5 mm一個移動單元所得的最佳傳遞損失曲線，從該曲線可以看出，其消聲效果相比無插管消聲器消聲量大的多，相比固定插管消聲器消聲頻域?qū)捄芏唷?/p>

5.2 控制系統(tǒng)

擴(kuò)張腔體的移動需要通過控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的工作需要控制算法的支持。選取點(diǎn)積值法作為該系統(tǒng)的控制算法?？刂葡到y(tǒng)方案：通過消聲器前后端傳聲器信號識別噪聲頻率，根據(jù)預(yù)先算好的仿真結(jié)果，步進(jìn)電機(jī)快速調(diào)整擴(kuò)張腔至指定位置，傳聲器信號隨隔板移動發(fā)生變化，根據(jù)點(diǎn)積值法計(jì)算結(jié)果，實(shí)時調(diào)整擴(kuò)張腔位置，實(shí)現(xiàn)自動控制消聲頻率，圖9為點(diǎn)積值算法流程圖[11] 。

6 結(jié) 論

對擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證了消聲頻率與插入管長度的關(guān)系，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。根據(jù)消聲頻率與插入管的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種通過調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔位置調(diào)節(jié)插入管長度的消聲器結(jié)構(gòu)，并通過控制算法控制擴(kuò)張腔位置移動，實(shí)現(xiàn)了自主控制的可調(diào)頻消聲效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到實(shí)驗(yàn)儀器本身特性的影響，需要更好的方法來避免，實(shí)驗(yàn)管路的特性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法所產(chǎn)生的局部頻率處傳遞損失負(fù)值或突變需要進(jìn)一步的改進(jìn)。所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張腔與插入管處密封性由螺紋本身所具有的密封性來實(shí)現(xiàn)，密封性的優(yōu)劣還需進(jìn)一步的研究。圖8中擴(kuò)張腔每5 mm一個移動單元所得的最佳傳遞損失曲線過于曲折，若能適當(dāng)?shù)臏p小移動單元，可以使該傳遞損失曲線趨于平滑。

參考文獻(xiàn)

[1] 盛美萍，王敏慶，孫進(jìn)才.噪聲與振動控制技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] 趙良省.噪聲與振動控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 徐俊偉.virtuallab聲學(xué)仿真計(jì)算從入門到精通[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013：22?24.

[4] MCMAHON K J. The effectiveness of using the transfer matrix method to calculate the transmission loss of a finite element single expansion chamber muffler model [D]. Troy： Rensselaer Polytechnic Institute， 2014.

[5] 馬慧，王剛.Comsol multiphysics基本操作指南和常見問題解答[M].北京：人民交通出版社，2009.

[6] 趙海軍，鄧兆祥，楊杰，等.插入管消聲器傳聲損失數(shù)值計(jì)算方法對比及參數(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（6）：65?69.

[7] 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.

[8] 杜江，歐陽華，杜朝輝.計(jì)及氣流影響的小長徑比插入管消聲器聲學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].振動與沖擊，2010，29（5）：166?170.

[9] 吳勝舉，張明鐸.聲學(xué)測量原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[10] 張曉龍，李功宇.擴(kuò)張腔消聲器消聲特性理論研究和實(shí)驗(yàn)分析[J].噪聲與振動控制，2008，28（1）：105?107.

[11] 高林.多線譜可調(diào)頻水消聲器仿真設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.