排氣消聲器消聲性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

朱中輝，楊盛捷，李佩陽(yáng)，徐曉美

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲是汽車噪聲中最主要的噪聲源之一，其大小直接取決于排氣消聲器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、不斷試制并修改樣品的消聲器設(shè)計(jì)方法不僅設(shè)計(jì)工作周期長(zhǎng)，而且開(kāi)發(fā)成本高，無(wú)法滿足當(dāng)前產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的步伐。因此，近些年來(lái)，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的消聲器設(shè)計(jì)方法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。陳志林等人應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)常用共振式消聲器開(kāi)展了參數(shù)化建模研究[1]。戚美等人利用COMSOL和FLUENT軟件模擬研究了某型排氣消聲器的聲場(chǎng)和流場(chǎng)[2]。石靜等人利用GT-POWER軟件對(duì)柴油機(jī)排氣消聲器基本消聲單元的消聲特性進(jìn)行了仿真研究[3]。本文將基于COMSOL軟件和正交試驗(yàn)理論，對(duì)某型排氣消聲器的消聲性能開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 消聲器聲學(xué)模型構(gòu)建與計(jì)算

圖1為利用COMSOL軟件建立的消聲器立體模型。由圖1可知，該消聲器的內(nèi)腔由3塊隔板隔成了4個(gè)腔室，每個(gè)隔板上都有8個(gè)尺寸相等且均勻布置的通孔。1根直通管貫穿消聲器的入口和出口，直通管中部有1個(gè)封閉圓鐵片切斷了氣流從直通管入口到出口的流通，直通管上有2段穿孔區(qū)域。圖2為網(wǎng)格劃分后的消聲器聲學(xué)分析有限元模型。

圖1 消聲器立體模型

圖2 消聲器聲學(xué)分析有限元模型

設(shè)定消聲器的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。在COMSOL中設(shè)定消聲器外殼邊界為硬聲場(chǎng)邊界（壁），穿孔區(qū)域設(shè)定為 “內(nèi)部穿孔板”，內(nèi)部其他邊界設(shè)定為內(nèi)部硬聲場(chǎng)邊界。

表1 消聲器仿真參數(shù)設(shè)定

選定噪聲分析頻率范圍為100～1 000 Hz。通過(guò)計(jì)算可得圖3所示的消聲器傳輸損耗 （即傳聲損失）隨排氣噪聲頻率變化的關(guān)系，以及不同頻率下消聲器內(nèi)部的聲壓分布。

圖3 傳輸損耗隨排氣噪聲頻率的變化關(guān)系

2 消聲器傳聲損失單一影響因素

為考察消聲器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳聲損失的影響，分別研究了消聲器外殼直徑、直通管直徑及消聲器內(nèi)的聲腔個(gè)數(shù)對(duì)消聲器傳聲損失的影響。

2.1 消聲器外殼直徑

保持原消聲器其他參數(shù)不變，改變其外殼直徑，由原來(lái)的180 mm分別增大和減小10 mm，即使消聲器外殼的直徑分別為190 mm和170 mm。運(yùn)用COMSOL軟件計(jì)算消聲器的傳聲損失，得到如圖4所示的不同消聲器外殼直徑下消聲器傳聲損失隨噪聲頻率的變化關(guān)系。由圖4可以看出，在低頻區(qū)域消聲器的外殼直徑對(duì)消聲器傳聲損失的影響并不明顯，但隨著頻率的增高，消聲器的傳聲損失隨其外殼直徑的增大而增大。

圖4 消聲器外殼直徑對(duì)其傳聲損失的影響

2.2 消聲器直通管直徑

保持原消聲器其他參數(shù)不變，改變其直通管直徑，由原來(lái)的54 mm分別增大和減小10 mm，即使消聲器直通管直徑分別為44 mm和64 mm。運(yùn)用COMSOL軟件計(jì)算消聲器的傳聲損失，得到如圖5所示的不同直通管直徑下消聲器傳聲損失隨噪聲頻率變化的關(guān)系。由圖5可以看出，隨著消聲器直通管直徑的減小，即消聲器擴(kuò)張比的增大，消聲器的傳聲損失逐漸增加。

圖5 消聲器直通管直徑對(duì)其傳聲損失的影響

2.3 消聲器聲腔個(gè)數(shù)

保持原消聲器其他參數(shù)不變，改變消聲器聲腔的個(gè)數(shù)，由原來(lái)的4改為3個(gè)和5個(gè)。運(yùn)用COMSOL軟件計(jì)算消聲器的傳聲損失，得到如圖6所示的不同消聲器聲腔個(gè)數(shù)下消聲器傳聲損失隨噪聲頻率的變化關(guān)系。由圖6可以看出，在低頻區(qū)域消聲器聲腔個(gè)數(shù)對(duì)消聲器的傳聲損失影響并不大，但隨著頻率的增大，聲腔個(gè)數(shù)對(duì)傳聲損失有較明顯的影響。

圖6 消聲器聲腔個(gè)數(shù)對(duì)其傳聲損失的影響

3 消聲器傳聲損失正交優(yōu)化

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法[4-5]。消聲器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體步驟如下：1）篩選消聲器的影響因素，設(shè)定各因素水平，制作因素水平表，選擇合適的正交試驗(yàn)表；2）對(duì)正交試驗(yàn)表中的組合進(jìn)行試驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)的傳聲損失，并將其記錄于正交試驗(yàn)表內(nèi)；3）計(jì)算因素水平的極差，并根據(jù)極差大小分析各因素的影響大小關(guān)系，找出因素主次和水平優(yōu)劣，然后找出可能的優(yōu)化組合；4）對(duì)優(yōu)化組合進(jìn)行仿真分析，計(jì)算傳遞損失之和，并與原有消聲器的傳遞損失進(jìn)行比較分析，確定最終的優(yōu)化方案。

本文選擇消聲器外殼直徑、直通管直徑和聲腔個(gè)數(shù)作為正交優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)因素水平，如表2所示。

表2 消聲器正交試驗(yàn)因素水平表

運(yùn)用COMSOL軟件計(jì)算消聲器的傳聲損失LT（Transmission Loss），并統(tǒng)計(jì)每種方案在整個(gè)頻段上的傳聲損失均值，得到如表3所示的消聲器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)表3進(jìn)行正交優(yōu)化計(jì)算，得到表4。表4中，Ⅰ值就是在每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為1的試驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅱ就是在每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為2的試驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅲ就是每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為3的試驗(yàn)結(jié)果之和，R為各因素的極差，是任一因素下指標(biāo)值的最大值與最小值之差。R越大，說(shuō)明該因素對(duì)使用指標(biāo)的影響越大，也就是越重要。

表3 消聲器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析計(jì)算結(jié)果

由表4中R的大小可知，直通管直徑為影響消聲器傳聲損失的首要影響因素，其次是消聲器外殼直徑，最后是消聲器聲腔個(gè)數(shù)。在表4中，選取各因素中試驗(yàn)結(jié)果之和為最大的水平之因素作為優(yōu)化組合方案，得到表5所示的優(yōu)化方案。

表5 正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)值

根據(jù)表5的消聲器優(yōu)化參數(shù)值，運(yùn)用COMSOL軟件建模并計(jì)算消聲器的傳聲損失，將其與原消聲器的傳聲損失作對(duì)比可得圖7。

圖7 原消聲器與優(yōu)化后消聲器傳聲損失對(duì)比

由圖7可以看出，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消聲器，其傳聲損失明顯大于原消聲器，即經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的消聲器的消聲性能得到了顯著提高。

4 結(jié)論

運(yùn)用COMSOL軟件建立了某4腔擴(kuò)張式消聲器的聲學(xué)仿真模型?；诖朔抡婺Ｐ停紫妊芯苛讼暺鞯幕窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)，如外殼直徑、直通管直徑、聲腔個(gè)數(shù)等單一因素對(duì)消聲器傳聲損失的影響，然后基于正交試驗(yàn)理論，研究了多因素對(duì)消聲器消聲性能的影響，并對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，優(yōu)化后的消聲器，其消聲性能得到了明顯的提高。此研究方法有利于提高消聲器的設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，滿足市場(chǎng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求。