汽車消聲器聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

盧泉

摘 要：利用聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT建立模型，對(duì)汽車消聲器結(jié)構(gòu)與相關(guān)插入損失與傳遞損失進(jìn)行分析，而后對(duì)消聲器聲學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，并分析相關(guān)優(yōu)化建議的有效性。

關(guān)鍵詞：汽車消聲器；聲學(xué)性能分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

隨著社會(huì)的發(fā)展與人民生活水平的提高，汽車事業(yè)與交通工業(yè)迅速發(fā)展，汽車逐步變?yōu)樯鐣?huì)的核心交通工具，如此也產(chǎn)生了越來越多的汽車噪音污染，而隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的水平的提高，對(duì)汽車質(zhì)量的需求也在提高，如何減少汽車噪音成為提高汽車技術(shù)性能與質(zhì)量水平的核心指標(biāo)之一。其中，汽車的主要噪音源是發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，而發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪音源則是排氣噪音源，因而可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪音、控制汽車的車外噪音的消聲器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)對(duì)控制汽車噪音、提高汽車性能都具有極為重要的意義。

因此消聲器的性能優(yōu)劣直接影響著汽車性能的好壞。而常見的評(píng)價(jià)消聲器的消聲性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有聲壓極差、插入損失與傳遞損失等，其中消聲元件的消聲效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為傳遞指標(biāo)，而消聲系統(tǒng)的消聲效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為聲壓極差與插入損失。

一、汽車消聲器聲學(xué)性能分析

消聲器分析與研究的早期主要依據(jù)的是平面波理論，并在此理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出消聲器聲學(xué)性能分析的主要計(jì)算方法，即以平面波理論為基礎(chǔ)的邊界元、有限元法與傳遞矩陣法等。但是，因?yàn)槠嚺艢庀暺鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)均較為繁復(fù)，其內(nèi)部聲場(chǎng)在聲波頻率較高時(shí)為三維，因而僅使用一維的平面波理論檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，于是必須采取二維乃至三維的平面波檢測(cè)方法來分析它們的聲學(xué)性能。而對(duì)于具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的消聲器，如果僅是運(yùn)用傳統(tǒng)的阻力系數(shù)理論與平面波理論相關(guān)的計(jì)算方法，就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的誤差。

因此，隨著計(jì)算方法的技術(shù)發(fā)展，從而產(chǎn)生了消聲器設(shè)計(jì)的新途徑。利用專業(yè)的聲學(xué)分析軟件建立消聲器的三維模型，而后運(yùn)用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析與計(jì)算，就可以有效的彌補(bǔ)以上各方法的不足。例如，聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT。

1.運(yùn)用有限元法進(jìn)行性能分析

有限元法相對(duì)于邊界元法，具有可以大大簡(jiǎn)化具有復(fù)雜的穿孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的消聲器的優(yōu)點(diǎn)，如此可以大大簡(jiǎn)化分析的計(jì)算量。

1.1 利用建立聲學(xué)有限元模型的方法進(jìn)行性能分析

對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行普遍分析，可以發(fā)現(xiàn)消聲器的原始幾何模型也是十分復(fù)雜的，因此對(duì)分析消聲器影響不大的幾何結(jié)構(gòu)特征可以進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，從而對(duì)后面建立有限元模型網(wǎng)格創(chuàng)造有利條件。其次，為了避免在建立模型后期時(shí)出現(xiàn)局部模型網(wǎng)絡(luò)無法等效的情況，對(duì)經(jīng)過相應(yīng)簡(jiǎn)化、重新建立簡(jiǎn)單模型的消聲器，建立有限元模型時(shí)還需要著重注意相關(guān)模塊與模塊之間的有機(jī)聯(lián)系，必須注意反復(fù)調(diào)整分解與聯(lián)系模塊的方法以追求達(dá)到模型的整體等效平衡。在最后，為了能夠控制質(zhì)量不良的模型網(wǎng)格單元可以在一定的比例內(nèi)，還必須優(yōu)化和檢驗(yàn)三維模型網(wǎng)格每單元的質(zhì)量。

1.2 運(yùn)用三維聲學(xué)有限元法進(jìn)行性能分析

根據(jù)有限元的聲學(xué)相關(guān)理論可以得出，在不考慮消聲器位于的相應(yīng)氣體環(huán)境下的氣體的熱傳導(dǎo)性與空氣粘性等因素的條件下，可得氣場(chǎng)的三維波動(dòng)理論方程為：

▽2p-（1/c02）*（?2p/?2t）=0；

而后通過變分原理可得亥姆霍茲方程：

▽2p+k02p=0，

其中，▽2指的是拉普拉斯算子，k0指的是波數(shù)；

然后，運(yùn)用三維有限元法對(duì)消聲器性能進(jìn)行分析，需要首先利用消聲器周圍的環(huán)境氣體建立起離散化模型，而后再利用伽遼金法建立起離散化方程：

∫（{N}▽2{N}T+{N}k2{N}T）{φn}dV=0，

其中，{φn}指的是所有離散節(jié)點(diǎn)的速度勢(shì)矩陣；

而后，將邊界條件代入上式，即可計(jì)算出各離散節(jié)點(diǎn)的壓力與速度。

2.消聲器的傳遞損失的性能分析

作為消聲器的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一的傳遞損失，指的是消聲器進(jìn)口端與出口端的功率級(jí)的差值，而由于進(jìn)出口的功率級(jí)不可以直接進(jìn)行測(cè)量，但是在消聲器的進(jìn)口端和出口端的管道截面的面積相同時(shí)，沿截面聲壓近似為均勻分布，因此消聲器的傳遞損失的數(shù)值等于進(jìn)口端的入射聲壓級(jí)減去出口端的投射聲壓級(jí)。其表達(dá)式為：

TL=LW1-LW2，

其中，TL指的是傳遞損失，LW1指的是進(jìn)口端的入射聲壓級(jí)，LW2指的是出口端的投射聲壓級(jí)。

而消聲器的傳遞損失與消聲器的出口端的聲學(xué)性能、聲源性能與消聲元件在消聲器系統(tǒng)中的位置無關(guān)，而只取決于汽車消聲器元件的截面積、元件的結(jié)構(gòu)與消聲介質(zhì)的阻抗率。因此分析與評(píng)價(jià)消聲器的消聲性能是否優(yōu)越與是否滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用傳遞損失分析則最為適宜。

它的分析與測(cè)量方法主要有脈沖法、兩聲源法、兩負(fù)載法與聲波分解法等。其中因?yàn)槠囄矚忾L(zhǎng)期處于高壓、高溫的氣流狀態(tài)，對(duì)位于這種高溫、高壓情況下的消聲器是無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的傳遞損失分析與測(cè)量的，所以對(duì)于這種情況下的消聲器只能運(yùn)用靜態(tài)的傳遞損失方法進(jìn)行分析與測(cè)量。

消聲器的傳遞損失的分析與測(cè)量方法主要為靜態(tài)的四傳聲器法的測(cè)量方法。其主要采取的是直接通過多通道數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析儀進(jìn)行分析與測(cè)量。而使用多通道數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析儀的主要方法、步驟為：首先：在分析儀的信號(hào)輸出端輸出在一定電壓信號(hào)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻或者按照1/1倍頻率或1/3倍頻率的電壓信號(hào)的中心變化頻率，而后經(jīng)由功率放大器將其頻率輸送到揚(yáng)聲器內(nèi)，從而在揚(yáng)聲器中轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的聲波，然后將其在測(cè)試管中進(jìn)行傳播。

二、消聲器聲學(xué)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化建議

1.改進(jìn)與優(yōu)化消聲器穿孔器的幾何參數(shù)

對(duì)消聲器的幾何尺寸進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行有效增大，能夠有效增大消聲器的消聲量。然而，首先由于消聲器的裝配空間會(huì)對(duì)消聲器的幾何尺寸產(chǎn)生限制，因此消聲器的腔體幾何尺寸大都不適合進(jìn)行改變。其次，增大消聲器的腔體幾何尺寸，也會(huì)增大消聲器的傳遞損失。

所以，改進(jìn)與優(yōu)化消聲器穿孔板的幾何參數(shù)，即在消聲器內(nèi)部的隔板或管壁上增加許多微小的穿孔，聲波在通過消聲器穿孔板上的這些微小穿孔時(shí)，可以造成有效的聲波能量衰減。因此，可以有效減少消聲器穿孔板的幾何參數(shù)，可以減少消聲器對(duì)壓力損失的影響，而且可以有效改善消聲器在低頻范圍內(nèi)的消聲性能，因此對(duì)提高消聲量更加具有實(shí)際意義。

2.確定消聲器穿孔板的阻抗

在消聲器的實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果采用大量的微小穿孔，則會(huì)大大增加劃分有限元模型網(wǎng)格的工作量。因此，如果想要保存這些微小穿孔，則需要建立以四面體為基礎(chǔ)模型網(wǎng)絡(luò)類型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，或者以六面體為基礎(chǔ)模型網(wǎng)絡(luò)類型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)加以應(yīng)對(duì)，從而將微小穿孔附近的空氣劃分成為十分細(xì)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)。

3.確定有限元模型的邊界條件

消聲器的有限元模型網(wǎng)格在聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab中的邊界條件，主要有消聲器穿孔板內(nèi)表面與外表面之間的導(dǎo)納與傳遞關(guān)系、入口的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、入口邊界、出口阻抗與出口邊界，其余的邊界表面則會(huì)自動(dòng)被LMS Virtual Lab 默認(rèn)為絕熱剛性壁。入口邊界指的是消聲器入口端的包絡(luò)面網(wǎng)格單元選中，而出口邊界指的是消聲器出口端的包絡(luò)面網(wǎng)格單元選中，其中出口邊界還需要進(jìn)一步確定它的消聲屬性。如果將消聲器的出口端管道直接通往大氣，則通過出口邊界，聲波可以直接傳播到大氣中。但如果不對(duì)消聲器的壁面進(jìn)行任何處理，因?yàn)槁晫W(xué)有限元的模型網(wǎng)格為實(shí)體的網(wǎng)格，則傳播到出口邊界時(shí)，聲波就會(huì)被壁面全部反射回來。

結(jié)語：隨著社會(huì)科技的發(fā)展，出現(xiàn)了新的三維聲學(xué)有限元法，例如聲學(xué)分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT，為分析消聲器的聲學(xué)性能提供了一個(gè)更加有效、快速的方法，可以有效對(duì)汽車的消聲器的靜態(tài)的傳遞損失進(jìn)行檢測(cè)與分析，從而也可以為分析、改進(jìn)與設(shè)計(jì)消聲器的聲學(xué)性能提供了相應(yīng)的有效依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)分析，改進(jìn)與優(yōu)化消聲器穿孔器的幾何參數(shù)，可以有效提高消聲器的消聲性能與效果。

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（作者單位：東風(fēng)悅達(dá)起亞汽車有限公司）