梅 盼，袁雪松，聶更倪，于海業(yè)，張 強

(吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022)

?

拖拉機抗性消聲器不同結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

梅 盼，袁雪松，聶更倪，于海業(yè)，張 強

(吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022)

拖拉機的柴油機排氣噪聲一般覆蓋高、中、低頻段，抗性消聲器主要通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元特性來降低噪聲，不同結(jié)構(gòu)單元對噪聲頻率具有選擇通過性。運用數(shù)值模擬的方法，對抗性消聲器尾管長度、尾管偏角、尾管個數(shù)、內(nèi)插管及膨脹比等結(jié)構(gòu)單元進行仿真分析，并通過正交試驗設(shè)計比較尾管個數(shù)、內(nèi)插管、膨脹比三因素對消聲器傳遞損失的影響大小。結(jié)果表明：尾管長度、尾管偏角對拖拉機柴油機抗性消聲器傳遞損失影響較??；尾管個數(shù)、內(nèi)插管、膨脹比對拖拉機柴油機抗性消聲器傳遞損失影響較大，但正交試驗結(jié)果顯示三者之間的顯著性不明顯。

拖拉機；抗性消聲器；單元結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

0 引言

我國拖拉機主要采用以柴油為燃料的內(nèi)燃機作為動力來源，柴油機的排氣噪聲一般覆蓋高、中、低頻段[1]。抗性消聲器因其結(jié)構(gòu)簡單、消聲范圍寬、使用壽命高等特點廣泛應(yīng)用于拖拉機用柴油機排氣噪聲控制。拖拉機的柴油機排氣噪聲是一種寬頻帶噪聲，抗性消聲器主要通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元特性來降低噪聲，不同結(jié)構(gòu)單元對噪聲頻率具有選擇通過性，因此抗性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元應(yīng)主要消除峰值頻率噪聲。本文通過對單腔膨脹式抗性消聲器不同聲學(xué)結(jié)構(gòu)單元特性的分析入手，運用數(shù)值模擬分析方法定性研究抗性消聲器不同結(jié)構(gòu)單元對消聲器降噪效果的影響。

1 聲學(xué)性能評價指標(biāo)及數(shù)值模擬條件

抗性消聲器是由若干不同聲學(xué)特性結(jié)構(gòu)單元聯(lián)結(jié)而成，主要包括膨脹腔、穿孔管、內(nèi)插管和穿孔板等[2]。其主要聲學(xué)性能評價指標(biāo)為傳遞損失，即消聲器進氣入口與排氣出口相比較，管口輻射噪聲聲功率級的降低量即消聲量。

隨著計算聲學(xué)和計算機能力的提高，使應(yīng)用二維和三維聲波理論研究抗性消聲器的聲學(xué)特性成為可能[3],聲學(xué)有限元法可以直接分析計算出所設(shè)計抗性消聲器在不同噪聲頻率上的傳遞損失。本文在對所設(shè)計抗性消聲器的數(shù)值模擬過程中，未考慮消聲器內(nèi)部流體傳熱的影響，重點模擬常溫下消聲器傳遞損失的變化規(guī)律[4]。對所設(shè)計抗性消聲器傳遞損失的模擬計算均以空氣作為入口流體，模擬溫度為20℃，空氣密度ρ=1.225kg/m3，聲速340m/s。抗性消聲器的傳遞損失分析采用基于聲學(xué)有限元的商用軟件ACTRAN進行數(shù)值模擬，將抗性消聲器的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ACTRAN VI中進行傳遞損失分析。

2 不同結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

2.1 尾管長度對消聲器聲學(xué)性能的影響

文獻[5]提出了抗性消聲器隨著尾管長度增長消聲器的消聲量會減少，但若繼續(xù)增加尾管長度會出現(xiàn)消聲器的消聲量增加的現(xiàn)象。傳統(tǒng)確定抗性消聲器排氣尾管的最佳長度的方法是用臺架試驗確定，過程繁瑣、周期長，因此如能通過數(shù)值模擬方法驗證這一結(jié)論，則對消聲器的設(shè)計可提供技術(shù)支持。

單腔膨脹式抗性消聲器(圖1)傳遞損失TL為

式中 m—膨脹比，m=S2/S1；

k—波數(shù)，k=2π/λ(1/m)；

l—膨脹室長度(m)；

λ—聲波在抗性消聲器內(nèi)氣體溫度下的波長(m)。

圖1 單腔膨脹式抗性消聲器

單腔膨脹式抗性消聲器的傳遞損失TL隨波長(即聲波的頻率)而變化。其中，TL取最大值時對應(yīng)的頻率稱為最佳衰減頻率fm，取零值時對應(yīng)的頻率稱為通過頻率fz，分別為

(1)

式中 n—1，2，3，…，整數(shù)；

c—瞬時聲速c=331.45+0.61t/℃(m/s)；

l—膨脹室長度(m)。

當(dāng)所需的最佳衰減頻率已知時，根據(jù)式(1)可以求得膨脹室長度l為

(2)

以時風(fēng)ZS1105柴油機為研究對象，針對500Hz噪聲頻率所設(shè)計的抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示[6]。由式(2)確定消聲器膨脹腔的長度約為167mm，尾管長度L分別取值為50、75、100、125、150、200mm。圖3為所設(shè)計抗性消聲器在不同噪聲頻率上的傳遞損失。由圖3可知：發(fā)現(xiàn)所選取的6種尾管長度結(jié)構(gòu)單元的數(shù)值模擬曲線基本重合，尾管長度因素對所設(shè)計抗性消聲器的聲學(xué)性能影響較??；所設(shè)計抗性消聲器在噪聲頻率為500、1 500、2 500Hz左右出現(xiàn)傳遞損失峰值。這是因為膨脹腔的長度為500Hz噪聲頻率波長的1/4倍，當(dāng)噪聲聲波向前傳播時遇到膨脹腔內(nèi)壁產(chǎn)生“半波損失”現(xiàn)象，反射波與迎向波存在180°相位差，從而相互干涉抵消。數(shù)值模擬結(jié)果與根據(jù)式(2)單腔膨脹式抗性消聲器傳遞損失的計算結(jié)果相吻合，說明數(shù)值模擬分析具有可行性。

比較不同尾管長度在500Hz頻率時的傳遞損失值，如圖4所示。由圖4可知：文獻[5]中所說抗性消聲器隨著尾管長度增長消聲器的消聲量減少，但繼續(xù)增加尾管長度消聲器的消聲量會增加。模擬結(jié)果表明，尾管長度對消聲器消聲量影響較小。故拖拉機用抗性消聲器設(shè)計時，尾管長度應(yīng)主要參照消聲器在拖拉機上的整體布置。

圖2 抗性消聲器尾管不同長度結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 尾管不同長度結(jié)構(gòu)單元數(shù)值模擬結(jié)果曲線圖

圖4 尾管不同長度結(jié)構(gòu)單元在500Hz時的消聲量

2.2 尾管偏角對消聲器聲學(xué)性能的影響

拖拉機主要作業(yè)于工況較為復(fù)雜的田地間，為避免消聲器排出的濃煙氣體對駕駛員視線帶來干擾，一般拖拉機消聲器排氣出口采用偏角設(shè)計。為研究消聲器排氣出口不同偏角對消聲器聲學(xué)性能的影響，設(shè)計了抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡圖(見圖5)，并進行了對比試驗。

圖5 單腔膨脹式抗性消聲器尾管不同偏角結(jié)構(gòu)簡圖

為研究尾管不同偏角對抗性消聲器聲學(xué)性能的影響情況，設(shè)計了θ取值分別為0°、45°、60°、90°，數(shù)值模擬曲線如圖6所示。其中，4種尾管偏角的數(shù)值模擬曲線基本重合，說明尾管偏角對消聲器的消聲量幾乎沒有影響；但是尾管偏角過大將造成柴油機排氣阻力增大，降低拖拉機的最大功率。因此，拖拉機用柴油機抗性消聲器設(shè)計時尾管偏角的選取應(yīng)進行綜合考慮。

圖6 尾管不同偏角結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果曲線圖

2.3 尾管數(shù)量對消聲器聲學(xué)性能的影響

2.3.1 雙尾管聲場疊加理論

聲波在抗性消聲器內(nèi)部沿管道傳播時，管道的截面突變將引起聲波產(chǎn)生反射現(xiàn)象[6]。由聲壓的疊加原理[7]可知：如果將雙尾管消聲器的兩個尾管看作兩個獨立聲源，則由兩個尾管發(fā)出的聲波在空間聲場形成兩個聲場的疊加。設(shè)有兩列聲波，聲壓分別為p1、p2，合成聲場聲壓為p，由聲場的三維波動方程，即

(3)

可知聲壓p1和p2也分別滿足聲波方程為

(4)

(5)

因式(4)和式(5)均為線性方程，相加可得

2(p1+p2)

(6)

聲學(xué)邊界條件為線性，可得

p=p1+p2

(7)

則兩列聲波合成聲場的聲壓等于每列聲波聲壓之和。

由聲波干涉現(xiàn)象[8]可知：如果兩個尾管作為兩個獨立聲源，在進行聲場疊加時，同一空間位置上兩列聲波的頻段一致，就會在空間聲場中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。設(shè)有兩列相同頻率聲波，設(shè)L1和L2分別為兩個聲源到空間中某點的距離，則

p1=P1cos(ωt-kL1)

(8)

p2=P2cos(ωt-kL2)

(9)

p=p1+p2=PTcos(ωt+θ0)

(10)

由于這兩列聲波的頻率相同，對空間固定位置兩列聲波的相位差Δθ=θ2-θ1恒為常數(shù)，那么這兩列聲波就出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

2.3.2 不同尾管數(shù)量消聲器數(shù)值模擬仿真

抗性消聲器結(jié)構(gòu)及尺寸如圖7所示。其中，圖7(a)和圖7(b)尾管內(nèi)徑相同、尾管個數(shù)不同；圖7(b)和圖7(c)尾管個數(shù)相同、尾管內(nèi)徑不同，并且圖7(c)和圖7(a)出口管截面積相同；圖7(c)和圖7(d)尾管內(nèi)徑相同、尾管個數(shù)不同。

圖7 單腔膨脹式抗性消聲器不同尾管數(shù)量結(jié)構(gòu)簡圖

數(shù)值模擬仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 雙尾管結(jié)構(gòu)中兩個尾管的消聲量曲線圖

圖9 抗性消聲器不同尾管數(shù)量數(shù)值模擬曲線圖

圖8為圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)中兩個尾管分別相對于進氣口的傳遞損失。由兩條曲線完全吻合可知：對雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性。由圖9可知:圖7(a)單尾管和圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)在低噪聲頻率段傳遞損失曲線基本吻合。這是因為在低噪聲頻率段，由于噪聲波長較長，消聲器內(nèi)部腔室空間有限，波與波之間的聲壓疊加和聲波干涉不明顯；但在高噪聲頻率段，由于噪聲波長較短，波與波之間的聲壓疊加和聲波干涉較為明顯，故而出現(xiàn)了圖7(a)和圖7(b)所示結(jié)構(gòu)在高噪聲頻率段傳遞損失不同的現(xiàn)象。在高噪聲頻率段，圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)在傳遞損失值大于15dB以上，具有更寬的頻率段，說明圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)相較于圖7(a)單尾管結(jié)構(gòu)在高頻率段具有更好的降噪效果。比較圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)和圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線可知：圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線在圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線之上。由此說明圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)的降噪效果明顯優(yōu)于圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)。這是由于在一定范圍內(nèi)，膨脹比越大，消聲量越大[5]；而圖7(c)雙尾管內(nèi)徑小于圖7(b)雙尾管內(nèi)徑，排氣出口處圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)的膨脹比m大于圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)，所以出現(xiàn)了圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線在圖7(b)雙尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線之上的現(xiàn)象。比較圖7(c)雙尾管結(jié)構(gòu)和圖7(d)三尾管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線可知：在低噪聲頻率段兩種尾管類型結(jié)構(gòu)的傳遞損失曲線基本吻合；在高噪聲頻率段，三尾管結(jié)構(gòu)只有一個峰值，且峰值低于雙尾管結(jié)構(gòu)高噪聲頻率段峰值；但三尾管結(jié)構(gòu)在傳遞損失值為20dB以上具有更寬的頻率段，故三尾管結(jié)構(gòu)的選擇需要依據(jù)農(nóng)用柴油機的實際噪聲頻率特性曲線來確定。

2.4 抗性消聲器雙尾管排布對聲學(xué)性能的影響

如圖7(c)所示雙尾管中心距Δ=72.5mm，筆者采用圖7(c)所示雙尾管結(jié)構(gòu)模型，分別分析了雙尾管中心距Δ值為100、80、60、40mm的消聲器聲學(xué)性能情況，模擬結(jié)果如圖10所示。低噪聲頻率段不同中心距雙尾管數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，高噪聲頻率段，隨著中心距Δ值的減小，高頻段峰值逐漸集中且峰值逐漸增大。結(jié)合圖7(a)中的數(shù)值模擬只有一個峰值的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雙尾管中心距Δ逐漸減小時，消聲器高頻消聲量逐漸由兩個峰值轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€峰值。因此，在進行拖拉機的柴油機抗性消聲器設(shè)計時，可結(jié)合柴油機實際噪聲頻率特性曲線，根據(jù)需要消除的實際噪聲頻率來確定雙尾管中心距Δ的值。

圖10 雙尾管中心距對抗性消聲器傳遞損失影響曲線圖

2.5 抗性消聲器內(nèi)插管結(jié)構(gòu)對聲學(xué)性能的影響

為了比較1/4L(L為膨脹腔長度)內(nèi)插管結(jié)構(gòu)與無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)對單腔膨脹式抗性消聲器聲學(xué)性能的影響，設(shè)計了如圖11所示抗性消聲器結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖12所示。由此發(fā)現(xiàn)：1/4L內(nèi)插管結(jié)構(gòu)抗性消聲器高噪聲頻率段峰值向前轉(zhuǎn)移，并且最大傳遞損失值高于無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)單腔膨脹式抗性消聲器。這說明，內(nèi)插管這一單元結(jié)構(gòu)能夠明顯增加抗性消聲器的傳遞損失(消聲量)。因此，在進行拖拉機抗性消聲器設(shè)計時應(yīng)采用內(nèi)插管結(jié)構(gòu)代替無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)。

2.6 消聲器結(jié)構(gòu)單元聲學(xué)性能研究

從上述對比試驗中發(fā)現(xiàn)：抗性消聲器中膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)3個結(jié)構(gòu)單元因素對消聲器傳遞損失產(chǎn)生較大的影響，因而針對膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)3個結(jié)構(gòu)單元因素設(shè)計了一個抗性消聲器三因素三水平正交試驗，因素水平如表1所示。所設(shè)計抗性消聲器主要視圖及參數(shù)如圖13所示。

圖11 單腔膨脹式抗性消聲器內(nèi)插管結(jié)構(gòu)簡圖

圖12 抗性消聲器有無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬曲線圖

水平A膨脹比mB內(nèi)插管長度C尾管個數(shù)19012131/4L23161/2L3

L為膨脹室長度。

圖13 抗性消聲器主要視圖結(jié)構(gòu)簡圖及參數(shù)

選用L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗表進行9組試驗，數(shù)據(jù)記錄見表2，正交試驗數(shù)據(jù)處理記錄見表3。

表2 L9(34)正交試驗

表3 L9(34)正交試驗數(shù)據(jù)處理

k1、k2、k3為平均值，R為極差。

由表2可知：試驗8所對應(yīng)的膨脹比為16、內(nèi)插管長度為1/4L、單尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對500Hz噪聲的消聲量(TL)最小，且僅為13.0dB；試驗9所對應(yīng)的膨脹比為16、內(nèi)插管長度為1/2L、雙尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對500Hz噪聲的消聲量(TL)最大，達到25dB。由此可見，抗性消聲器不同的結(jié)構(gòu)單元組合對抗性消聲器的聲學(xué)性能具有很大的影響。

從表3的因素列來看，抗性消聲器消聲量的最優(yōu)組合為A2B3C2，即膨脹比為13、內(nèi)插管長度為1/2L、雙尾管結(jié)構(gòu)抗性消聲器對頻率為500Hz的噪聲的降噪效果最好。通過R值的大小可知：本試驗所選取的3個因素相互間對抗性消聲器的消聲量顯著性不明顯，但內(nèi)插管長度因素相較于膨脹比和尾管個數(shù)影響較大。

3 結(jié)論

1)運用聲學(xué)有限元法對抗性消聲器聲學(xué)性能進行數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式所求結(jié)果吻合，說明運用數(shù)值模擬的方法代替臺架試驗具有可行性。數(shù)值模擬方法可以從多種方案設(shè)計中遴選出最優(yōu)方案，極大地降低了臺架試驗勞動強度，節(jié)約了時間和成本。但數(shù)值模擬多為理想條件下的分析結(jié)果，考慮到實際應(yīng)用工況復(fù)雜，所設(shè)計出的抗性消聲器還需要通過試驗來檢測具體的降噪效果。

2)抗性消聲器尾管長度、尾管偏角結(jié)構(gòu)單元對消聲器聲學(xué)性能幾乎沒有影響，故在進行拖拉機抗性消聲器設(shè)計時，可以主要考慮尾管長度和尾管偏角對拖拉機功率損失的影響和對拖拉機整體布局及駕駛員視線的影響。

3)膨脹比、內(nèi)插管長度、尾管個數(shù)等消聲結(jié)構(gòu)單元對抗性消聲器的傳遞損失產(chǎn)生較大影響。正交試驗設(shè)計結(jié)果表明：1/2L內(nèi)插管長度降噪效果優(yōu)于1/4L內(nèi)插管長度，雙尾管優(yōu)于單尾管和三尾管結(jié)構(gòu)。因此，在拖拉機抗性消聲器設(shè)計時，可用1/2L內(nèi)插管長度結(jié)構(gòu)代替無內(nèi)插管結(jié)構(gòu)和1/4L內(nèi)插管長度結(jié)構(gòu)；可用雙尾管結(jié)構(gòu)代替單尾管結(jié)構(gòu)及三尾管結(jié)構(gòu)，雙尾管結(jié)構(gòu)中心距可根據(jù)農(nóng)用柴油機具體的噪聲頻率特性來合理選取。

[1]P.O.A.L.Davies,M.F.Harrion,H.J.Collins.Acousticmodelingofmultiplepathsilencerswithexperimentalvalidations[J].JournalofSoundandVibration,1997,200(2):195-225.

[2] 鐘紹華,金國棟,張選國,等.消聲器優(yōu)化設(shè)計及其能分析方法的研究[J].內(nèi)燃機工程,2005,26(1):55-59.

[3] 王耀前,陸森林.Ansys在抗性抗性消聲器分析中的應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,24(3):53-56.

[4] 陳慶光,李鳳.基于CFD和聲學(xué)有限元法的抗性消聲器性能研究[J].噪聲與振動控制, 2015,35(5):164-166,216.

[5] 林輝江.柴油機排氣抗性消聲器主要參數(shù)的選擇(二)[J].柴油機，2001(5):3-5.

[6] 李娜.柴油機排氣抗性消聲器的設(shè)計與研究[D].濟南：山東大學(xué),2002.

[7] 杜功煥,朱哲民,龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2001:65-132.

[8] 王佐民.噪聲與振動測量[M].北京:科學(xué)出版社,2009:32-90.

Keywords：tractor;reactivemuffler;structuralunits;numericalsimulation

StudyonDifferentStructuralUnits’AcousticPerformanceinReactiveMufflerforTractor

MeiPan,YuanXuesong,NieGengni,YuHaiye,ZhangQiang

(CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130022,China)

Theexhaustnoiseofadieselgenerallycoversthehigh,mediumandlowfrequencyband.Reactivemufflersmainlybaseonthecharacteristicofinternalstructuralunitstoreducenoise,whiledifferentstructuralunitshavetheselectivepassabilitytothenoisyfrequency.Thearticleusedthenumericalsimulationmethodtosimulatedandanalyzedthetailpipelength,thetailpipeangle,thenumberoftailpipe,insert-pipeandexpansionratioofthereactivemuffler.Thenitbasedontheorthogonalexperimentmethodtocomparetheeffectofthetransmissionlosswhichproducedbythenumberoftailpipe,insert-pipeandexpansionratio.Thestudyshowedthatthetailpipelength,thetailpipeangleaffectedlesstothetransmissionlossoftheReactiveMufflerforAgriculturalDieselEngine.Andthenumberoftailpipe,insert-pipe,andexpansionratioaffectedmore,buttheresultoftheorthogonalexperimentindicatedthatthesignificanceamongthethreeisnotobvious.

2016-05-04

國家自然科學(xué)基金項目(51375206)；吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項(2013C035-2)；吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目(2014A45173)

梅 盼(1992-)，男，湖北蘄春人，本科生，(E-mail)mpanjlu@126.com。

張 強(1968-)，男，長春人，教授,博士,(E-mail)zhangqiang@jlu.edu.cn。

S219.0

A

1003-188X(2017)04-0241-06