内插锥管扩张室消声器消声性能的仿真分析

黄泽好，袁光亮，谭章麒，刘 通

（重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400054）

0 引言

随着汽车品质的提高，对消声器的性能也提出了更高的要求。传统的抗性消声结构往往都不能同时兼顾消声器的声学性能和气流再生噪声。所以，如何兼顾声学性能与气流再生噪声成为消声器设计的重要课题。锥管结构因其具有良好的空气动力性能和声学性能，越来越多的应用到消声器的设计中。然而锥管对消声器性能的影响还缺乏规律性的了解，设计中存在盲目性，降低了消声器的开发效率。为此已有学者开始了这方面的研究，Allam[1]等研究了锥形进出口在柴油机后处理设备中的应用及对气流再生噪声的影响。姜鹏明[2]等研究发现锥管对低频噪声有明显抑制作用，且能有效减小气流再噪声。司斌[3]等研究发现锥管运用于扩张式消声器中对传声损失曲线具有移频、降幅、改善通过频率处消声性能的作用。

本文应用声学有限元法和流体力学方法通过数值计算与联合仿真，对如图1所示内插锥管结构的扩张室消声器，建立声学有限元模型和消声器流场模型，对其进行传声损失与气流再生噪声的仿真分析，归纳出内插锥管结构参数对消声性能的影响关系，为提高内插锥管在消声器中的消声效果提供参考与指导。

1 气流再生噪声的计算方法

一般假设声源区的尺度远小于声波波长，即所谓的紧致声源[4]，这样就可以不考虑各声源的距离不同，只从单个声源考虑其辐射特性。

根据Lighthill声类比方程如式(1)：

等式(2)中：等号右边三项为由低速气流表面加速度引起单极子声源项；由表面脉动压力引起的声源偶极子声源；高速流体紊流所产生的四极子声源。

由于消声器内部的气流流速在一般在30m/s～50m/s[6]，属于低马赫数范围。同时消声器管道与腔室截面的变化，壁面与气流相互作用引起涡流而发声[7]，所以在计算消声器中的气流再生噪声时主要考虑偶极子噪声。

2 仿真模型

如图1所示，本文以内插锥管扩张室消声器模型。在扩张室结构参数保持不变的条件下，内插锥管的主要结构参数为锥度和锥管长度。

图1 内插锥管扩张室消声器三维模型

表1 内插锥管扩展室消声器模型参数

本文应运Virtual.Lab Acoustic建立声学有限元模型（如图2所示），用于研究消声器传声损失与气流再生噪声的传播。声场网格的划分网格大小将直接影响分析结果的误差。对于线性有限元和边界元模型，通常要求最大单元的边长要小于最短波长的1/6。声音在某流体介质中传播速度是c，某个线性单元的长度是L，那么这个单元计算到的最大频率为[5]：

图2 内插锥管扩展室消声器声学有限元模型

本文计算的最高频率为5000Hz，声速为340m/s，则单元长度不应大于0.0113m。而本次计算声学网格的最大边长为6mm，网格量为132895，在满足要求的同时也保证了计算精度。

通过对消声器内部流畅的分析，将得到气流再生噪声的声源。所以建立了如图3所示的流场模型。网格类型为四面体非结构网格，单元大小设为4mm，网格量为289232。在进行气动噪声计算时湍流模型选为大涡模拟，所以通过y+理论，边界层第一层的厚度为0.01mm。

图3 内插锥管扩展室消声器流体模型

3 锥管结构参数对消声器传声损失的影响

计算中流体介质采用空气，声速c取340m/s，空气密度ρ取1.225kg/m3。入口边界条件在入口平面施加单位速度激励，实部为-1m/s，虚部为0；出口边界条件定义为全吸声边界，取声阻抗实部 416.5kg/（m2s），虚部为0。计算步长取20Hz，频率范围为20Hz～5000Hz。

3.1 正反流内插锥管的影响

如图4所示为锥度分别为0、10/14、30/14，锥管长度为14mm的传声损失曲线与进出口互换后的传声损失曲线。由图可见，正反流内插锥管的传声损失基本是一致的，说明在扩张室消声器中内插锥管的方向并不会影响传声损失，与文献[3]的结论相同。由文献[6]扩张室消声器的高频截止频率为：，其中c为声速，S为扩张室横截面面积。本文声速为340m/s，扩张室截面面积为0.02m2，高频截止频率为2933Hz。在高频截止频率以下，传声损失与直内插管（锥度为0）扩张室消声器是一致的。在高频截止频率以上，扩张室消声器的消声效果受到限制。由图可见，因为内插锥管的存在，高频截止频率在小范围内发生变化。随着锥度的增加，高频截止频率处的传声损失减小。

图4 不同锥度内插及锥管方向对传声损失的影响

3.2 反流内插锥管长度的影响

由上节结论可知锥管具有双向传声特性，而消声器中锥管的使用主要为反流插入，所以下面主要分析反流锥管插入。如图所示，锥度保持不变，椎管长度为24mm的传声损失。由图5可见，锥管长度的增加，在通过频率800Hz与1800Hz处的传声损失增加，与直内插管改善扩张室消声器部分通过频率的理论分析是一致的，而锥度为20/28的内插管扩张室消声与直内插管消声器的传声损失基本相同。但从图可知大锥度管口60/24使内插管扩张室消声器在通过频率1800Hz处的消声效果变差。

图5 内插锥管长度增加后对传声损失的影响

小锥度内插管与直内插管相比并没有对扩张室消声器的传声损失有很大改变，而大锥度内插管还会使内插管消除部分通过频率的效果变差。鉴于锥形管的对扩展室消声器传声损失影响有限，所以下面将对锥管在再生气流噪声中的影响进行分析。

4 锥度对消声器气流再生噪声的影响

排气噪声主要产生于发动机排气门产生的周期性压力波。但是消声器进出口连接处截面的突然扩大或缩小，引起空气涡流会产生的气流再生噪声。随着发动机转速的提高，气流再生噪声的影响也会凸显[8]。而扩张室消声器中，锥管的应用必将改变扩张室消声器的内部流场进而影响气流再生噪声。

4.1 不同锥度内插管扩张室消声器的气流再生噪声

如图6所示为锥度0、10/14、20/14、30/14反流内插锥管扩张室消声器在入口流速为50m/s时的气流再生噪声。从图中可以看出，锥管的存在大大降低了扩张室消声器在中高频的宽频气流噪声，但锥度为10/14与30/14的锥管在1900Hz左右气流再生噪声出现一个小的峰值，说明锥度过大或过小都会不利于中高频的消声效果。

图6 不同锥度内插锥管扩展消声器气流再生噪声

4.2 不同气流速度对气流再生噪声的影响

图7分别为锥度0、10/14、20/14、30/14反流锥管插入扩张室消声器在不同进口流速v（40m/s、50m/s和60m/s）情况下的气流再生噪声。

图7 不同流速对内插锥管扩展室消声器气流再生噪声的影响

从图7(a)中可以看出，直内插扩张室在入口为40m/s与50m/s气流速度下，气流再生噪声在800Hz以上几乎一样，而60m/s的流速的气流再生噪声则比50m/s的气流再生噪声大8dB左右。说明直管扩张室消声器对低流速的气流再生噪声影响较小，而对高流速的气流再生噪声较敏感。

从图7(b)中可以看出，锥度为10/14的锥管口扩张室在入口为50m/s与60m/s气流速度下，气流再生噪声在几乎一样，而40m/s的流速的气流再生噪声则比50m/s的气流再生噪声小8dB左右。说明小锥度的锥管口扩张室对高流速的气流再生噪声影响较小，而对低流速的气流再生噪声较敏感。

图7(c)为锥度20/14的内插锥管扩展室消声器的气流再生噪声，从图中可以看出，气流的变化对气流再生噪声影响较小。说明该锥度的锥管口对气流敏感度较低。

图7(d)为锥度30/14的锥管口消声器的气流再生噪声，从图中可以看出，气流的变化对气流再生噪声影响较大。说明该锥度的锥管口对气流敏感度较高。

5 结论

1）内插锥管的方向并不会影响声学传声损失，锥管具有双向传声特性。

2）锥管长度不变，随着锥度的增大，扩张室消声器截止频率处的传声损失减小。

3）锥度不变，锥管长度增大，大锥度锥管长度将影响内插管对扩张室消声器消除部分通过频率的效果。

4）反流内插锥管有利于降低扩张室消声器的气流再生噪声，内插锥管比直内插管扩张室的气流再生噪声平均小10dB左右。

5）大锥度锥管气流再生噪声对气流速度比较敏感，小锥度锥管气流再生噪声对低速气流较敏感。

[1] Allam,Sabry.Abom,Mats. Acoustic modelling of an aftertreatment device (ATD)[J].ActaAcustica (Stuttgart),2003,85.

[2] 姜鹏明.一种低阻损的低频锥管消声结构[A].第十届全国噪声与振动控制工程学术会议论文集[C],2005.

[3] 司斌,陈剑,李家柱.锥管结构消声性能的有限元分析[J].噪声与振动控制,2014,34(5)：214-218.

[4] Modellingflow-inducednoise[R].LMSInternational,2006.

[5] Ffowcs Williams J E,Hawkings D L.Sound generation byturbulence and surfaces in arbitrary motion[J].Proc. Roy.Soc. Lond. A,1969,264( 1151)：321-342.

[6] 盛美萍,王敏庆,孙进财.噪声与振动控制技术基础[M].北京：科学出版社,2007：132-153.

[7] 马大猷.现代声学理论[M].北京：科学出版社,2004：296-297.

[8] Desantes, J.M.；Torregrosa, A.J..Broatch, A. Experiments on Flow Noise Generation in Simple Exhaust Geometries[J].ActaAcustica united with Acustica,2001,85(1)：45-55.