李海兵，陸森林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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氣流對消聲器聲學(xué)性能的影響分析

李海兵，陸森林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：研究了氣流對消聲器聲學(xué)性能的影響。利用聲學(xué)有限元軟件計(jì)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(yùn)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(yùn)用Matlab軟件將脈動壓力的時域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為聲壓級的頻譜響應(yīng)，得到氣流再生噪聲曲線，為消聲器設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：流速；消聲器；傳遞損失；數(shù)值計(jì)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(yán)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(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。噪聲控制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[2]：實(shí)際使用的消聲器的消聲效果往往達(dá)不到理論設(shè)計(jì)時的預(yù)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(jī)向著高速化發(fā)展，發(fā)動機(jī)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(shí)踐意義。

1基本理論

1.1基本方程

流體運(yùn)動要遵循物理學(xué)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(dǎo)出流體的基本控制方程[4]。控制方程是對流體進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(yīng)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(dǎo)率；kt為由湍流傳遞引起的傳導(dǎo)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(xué)計(jì)算中，總是假定聲波在靜止不動的介質(zhì)中傳播。當(dāng)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(xué)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(diǎn)速度與聲壓的關(guān)系可知管內(nèi)徑向質(zhì)點(diǎn)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(dāng)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(jì)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(jì)算因氣流引起的噪聲。運(yùn)用CATIA建立一個三腔體消聲器模型，并在Hypermesh中進(jìn)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(dǎo)入聲學(xué)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(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～6 000 r/min，對應(yīng)的發(fā)動機(jī)排氣速度大約為10～50 m/s。經(jīng)過渦輪增壓以后，進(jìn)入排氣系統(tǒng)的氣流速度大幅提高，因此計(jì)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(jì)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(jì)算并提取入口和出口端的聲壓響應(yīng)，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(dāng)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(shí)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(jī)類型的不同，進(jìn)入排氣系統(tǒng)的燃?xì)鉁囟仍?50～650 ℃。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(jì)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(jì)算方法

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

3.2氣流再生噪聲計(jì)算

本文使用CFD軟件Fluent進(jìn)行流場求解，得到監(jiān)測點(diǎn)的壓力時域分布，再使用Matlab編程，將監(jiān)測點(diǎn)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(yīng)。

首先建立消聲器聲腔模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到消聲器內(nèi)部流體網(wǎng)格及監(jiān)測點(diǎn)，如圖7所示。將聲腔有限元模型導(dǎo)入Fluent作為流體計(jì)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(diǎn)

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(jì)算模型；進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算得到流場的脈動壓力的時域分布；選取監(jiān)測點(diǎn)并提取壓力時域響應(yīng)分布；在瞬態(tài)計(jì)算時設(shè)置時間步長為0.000 2、計(jì)算步數(shù)為1 000進(jìn)行流場模擬計(jì)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(dǎo)致速度梯度比較大，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)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(jì)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(yīng)，這也證明了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可靠性。

4結(jié)束語

通過計(jì)算平均氣流速度對消聲器傳遞損失的影響，說明當(dāng)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(dāng)內(nèi)部溫度梯度較大時，在計(jì)算消聲器聲學(xué)性能時應(yīng)該注意溫度場的影響。當(dāng)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(dāng)氣流流速變大時，噪聲強(qiáng)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(fù)。

圖12　氣流再生噪聲與氣流速度的關(guān)系

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(責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(xué)性能的影響分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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.