柴油机消声器基本消声单元消声特性研究

石静，徐晓美，贾寒，朱云鹏

（南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037）

柴油机消声器基本消声单元消声特性研究

石静，徐晓美，贾寒，朱云鹏

（南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037）

基于GT-Power软件对柴油机排气消声器的扩张腔、穿孔管、穿孔板等基本消声单元的消声特性进行了仿真研究。讨论了扩张腔的进、出口插入管、穿孔管的孔径、穿孔区域在腔体的位置以及穿孔板在消声器腔体中的位置对消声器传递损失的影响。研究结论对柴油机消声器的合理设计具有重要的参考意义。

排气消声器传递损失GT-Power

1 前言

柴油机排气消声器多为抗性消声器。抗性消声器利用各种尺寸形状的管道或共振腔的适当组合，造成声波在系统中传播时阻抗失配，使声波在管道和共振腔内发生反射或干涉，从而降低其输出声能。抗性消声器虽然内部结构形式多样，但组成消声器的基本消声单元不外乎扩张型元件与共振型元件2种形式[1]。由于单孔共振腔只对单一声频噪声有效，因此，在实际消声器中常采用穿孔管或穿孔隔板2种亥姆霍兹共振体，以扩大消声频率范围。

复杂结构消声器的消声特性是各种消声单元消声特性耦合作用的结果。因此掌握各种基本消声单元的消声特性及其受消声单元主要结构尺寸影响的变化规律，对合理设计复杂结构消声器具有重要的参考意义。本文基于美国GTⅠ公司开发的流体模拟计算软件GT-Power，研究抗性消声器扩张腔、穿孔管与穿孔隔板3种基本消声单元的消声特性。

2 消声器传递损失计算

消声器的消声性能通常用传递损失来衡量。传递损失TL定义为消声器入口和出口处的声功率级之差。它反映了消声器入口的入射声能与出口的透射声能之比，即

式中，W1和W2分别为消声器的输入和输出声功率；p1和p2分别为消声器输入和输出的声压；S1和S2分别为消声器进口和出口的截面积。当S1=S2时，传递损失TL即为消声器进、出口声压级之差。

可见，传递损失TL只反映消声器本身的传递特性，而不受声源管道系统和消声器出口端尾管的影响，即与声源、消声器出口端阻抗无关。

在GT-Power软件中消声器传递损失的计算模型[2-3]如图1所示。声源为一随机白噪声，可根据需要设置相应的噪声频率和幅值。

图1 消声器传递损失计算模型

3 基本消声单元消声特性

3.1 扩张腔

利用GT-Power软件建立消声器扩张腔的结构模型。取消声器壳体长为500 mm，圆形断面直径为Φ150 mm，进、出口管直径均为Φ50 mm，管壁和壳体壁厚均为1.5 mm。进、出口管件均与扩张腔同轴对正插入，如图2所示。

图2 消声器扩张腔结构模型

图3 插入管对消声器传递损失的影响

图3是无管件插入的简单扩张腔与有进、出口管插入时4种情况消声器传递损失对比。进、出口管插入消声器壳体中的长度均为壳体总长的1/4。

由图3可见，无插入管的简单扩张腔式消声器消声量不大，并且存在通过频率。当存在插入管时，在某些频段总体消声量明显增大，但通过频率现象依然存在。只有进口管或只有出口管插入腔室时，消声器的消声量及其变化趋势基本相同。当进、出口管都插入扩张腔时，在某些频段上的总体消声量最大。

当扩张腔式消声器的进、出口管轴线偏离扩张腔轴线时，如图4所示。声波在扩张腔内传播后，将在消声器两端的盖板处经过几个180°反射后才能传播出去，这将增加声波的声能损耗，提高消声量。图5是进、出口管无偏置和存在偏置时扩张腔式消声器的传递损失对比。图中进、出口管偏置距离均为0.4d1，d1为进、出口管直径。

图4 进、出口管偏置示意图

图5 插入管偏置对消声器传递损失的影响

图5表明，在中、低频处的某些频段，进、出口管存在偏置时的消声量比无偏置时略有增加；在高频处，进、出口管均偏置时消声器的消声量明显增大。此外，在整个频段范围内，由于进、出口管对称于扩张腔轴线偏置，因此只有进口管偏置或只有出口管偏置时的传递损失曲线几乎重叠。

图6是进、出口管对称于扩张腔轴线偏置时，偏置值大小对消声器消声特性的影响。由图可知，并不是偏置值越大，消声器的消声量增加越多。在中、低频区域，偏置值对各频段的影响不大，但依然存在一个使消声总量最大的最佳偏置值；在高频区域，偏置值对消声量影响较大，在不同频段都存在一个最佳偏置值。因此，在设计消声器时，应根据具体的消声量要求确定进、出口管的偏置值。

图6 插入管偏置值对消声器传递损失的影响

3.2 穿孔管

在消声器的扩张腔内沿轴线插入一直通穿孔管，原扩张腔将变成亥姆霍兹共振腔，如图7所示。

图7 消声器扩张腔结构模型

图8是在穿孔率不变的情况下，直通管上的穿孔孔径对传递损失的影响。由图可见，在中、低频区域，穿孔孔径对消声器的消声量几乎没有影响；在高频区域的某些频段，孔径对消声量具有明显的影响，孔径越小，消声量越大。

图9是穿孔孔径不变（此处均为Φ6 mm），穿孔率改变对消声器传递损失的影响。随着穿孔率的增大，消声器的消声量在某些频段上增加，但穿孔率过大，相应频段上的消声量反而有所下降。

图8 穿孔孔径对消声器传递损失的影响

图9 穿孔率对消声器传递损失的影响

3.3 穿孔隔板

穿孔隔板用以实现消声器多个腔体的连通，如图10所示。用多孔连通的优点是结构简单，只需在隔板上冲出几个小孔即可，但空腔不能被充分地隔开，不能充分发挥多腔的作用，还残留着单个空腔的性能。图11是隔板在空腔中的位置对消声器传递损失的影响。a为第一腔长度占腔体总长的比例。

图10 穿孔隔板在消声器腔体中的位置示意图

由图11可见，当穿孔隔板居于消声器腔体中央，即a=0.5时，消声器通过频率出现的次数为原单腔消声器的一半。

图11 隔板位置对消声器传递损失的影响

图12是隔板上的孔分布对消声器传递损失的影响。孔均匀分布1（图13（a））是指四孔均距离隔板中心40 mm，孔均匀分布2（图13（b））是指四孔均距离隔板中心55 mm，孔密集分布（图13（c））是指四孔集中分布在隔板某一方位，其间无任何对称关系。

图12 隔板上的孔分布对消声器传递损失的影响

由图12可见，在低频段，3种孔分布的消声器的消声量和变化趋势基本相同。在中、高频段的某些频段，孔密布的消声器消声量略有增加，前2种孔均布形式对消声器传递损失影响的趋势相同。

图13 消声器隔板上孔分布示意图

4 结论

由GT-Power软件对柴油机排气消声器各消声单元对传递损失的影响分析可见：

（1）在某些噪声频段，消声器有插入管比无插入管的总体消声量大，且在该频段无通过频率，进、出口管都插入的消声器比单端插入的总体消声量大。

（2）对于高频噪声，进、出口管均偏置时消声器的消声量明显增大，其他频段仅有微小增加量。偏置值在高频段对消声量影响较明显，且在每个频段均存在最佳偏置值。

（3）穿孔管在高频区域的某些频段，孔径对消声量具有明显影响，二者之间呈现负相关关系。穿孔率在某些频段上与消声量呈正相关关系，但不宜过大。

（4）隔板位置对消声器消声性能影响较大。总体来看，小的分隔比有利于提高高频的传递损失。隔板上孔的分布方式对消声性能的影响在低、中频段不明显，在高频段孔密布方式的消声效果优于孔均布的方式。

1黎志勤，黎苏．汽车排气系统噪声与消声器设计[M]．北京：中国环境科学出版社，1991．

2谢田峰，金国栋，钟绍华．GT-power在内燃机排气消声器设计中的应用[J]．内燃机，2003（1）：12-14．

3 Siano D．Three-dimensional/one-dimensional Numerical Correlation Study of a Three-pass Perforated Tube[J]．Simulation Modelling Practice and Theory,2011,19(4):1143-1153．

Researches on Noise Attenuation Characteristics of Basic Elements of Diesel Engine Muffler

Shi Jing,Xu Xiaomei,Jia Han,Zhu Yunpeng
（College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

Based on one-dimensional fluid dynamics software-GT-Power,the basic structures of diesel exhaust muffler were numerically simulated and analyzed.The effects of muffler units on muffler anechoic performance were discussed,such as resistive muffler unit,inserted tube,tube bias,straight-through perforated pipe and so on.The research results can provide references and a new method for diesel exhaust muffler design.

exhaust muffler,transmission loss,GT-Power

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.009

来稿日期：2014-01-18基金项目：进2013年国家级大学生实践创新训练项目（201310298060Z）

石静（1991-），女，在读本科生。