结构对抗性消声器影响的性能分析

杜美余，周俊杰，苏学冰，耿毫伟，鲁亚龙

(郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

消声器是安装在空气动力设备气流通道上或进、排气系统中，以降低噪声的装置，它既可以使气流通过，又能有效地降低噪声，是控制噪声的有效工具，是噪声控制技术中应用最多最广的降噪设备，消声器的设计和研制已经得到了国内外各专家的悉心研究。

插入损失是装置消声器前后，在固定测点处的声压级或总声压级、频带声压级之差，插入损失只能反映整个系统包括消声器、管道及噪声源在装置消声器前后声学性能的变化，并不能直接反映消声器本身的消声性能[1]。式(1)中， LP1、LP2分别为消声器安装前后某给定点的平均声压级，单位为dB。则分别为安装消声器前后固定测点处的声压，单位为Pa。

(1)

传递损失定义为消声器入口处入射声能与出口处透射声能之比，是入射声功率级与透射声功率级之差，测量上一般是指入口入射声压和出口透射声压之差。

(2)

(2)式中， Lw1与Lw2与分别为消声器入口和出口端的声功率级，单位为dB，分别为消声器入口和出口端的声功率，单位为W， P1为入射声压，P2为透射声压，单位为Pa。

1 建立模型

消声器的内部结构一般较为复杂，并且加上较高的气流速度，使得消声器内部流场的分布情况非常复杂。因此对消声器的流场分布进行仿真研究，首先需要对消声器的工作条件作如下简化：

(1)抗性消声器固体区和流体区的物理性能参数均为常数(2)流体为定常流动中的湍流(3)不考虑重力的影响(4)消声器入口流体流速为匀速，无脉冲影响在COMSOL软件中建立如图所示模型，通过改变扩张室的长度和直径、内插管长度来改变模型。消声单元结构研究的基本尺寸为扩张室长度L=200mm，扩张室直径D=100mm；入口长度L1=60mm，入口直径D1=50mm；出口长度L2=60mm，出口直径D2=50mm；L2、L3分别为入口、出口内插管长度(初始长度为0)。

图1 几何模型图

2 设置边界条件

空气经过入口进入扩张室，采用平面波辐射，压力幅值为1Pa。当气流速度低于10m/s时，气流对消声量的影响很小，当气流速度超过30m/s时，气流对消声量的影响则不容忽视。气流速度越高，消声量下降越大，同时，如果气流速度过高，还将使消声器的阻力损失加大。因此，采用湍流边界条件，入口速度为20m/s。出口压力为0，其他边界为壁。

3 结果分析

3.1 速度场分析

表1 不同入口、出口内插管长度尺寸

图2 单腔扩张式消声器内部流体流速分布图

图2为入口流速为20m/s时，不同内插管结构消声器的内部流场分布示意图，可以发现，消声器流场的共同特点是，大部分气体通过具有相同轴心的输入管、内插管和输出管而直接排出。扩张室内其它大部分区域气体流速均比较小，大都属于消声器内气体流速最小值区域，因此气体对扩张室内壁的冲击比较小。相对前后内插管两类消声器而言，当插入管长度相同时，消声器的出口处气体流速基本相同，只是由于内插管位置的不同导致消声器内部局部各点的流速不同，在消声器出口的截面积突变处，由于存在一定的结构尖角，导致此处流体的湍流强度和气体湍流动能较大，由此可能会产生一定的湍流噪声。随着内插管长度的增大，位于内插管根部位置出现气流“盲区”，在这些位置，气体流速很小，有些位置甚至达到了0m/s。

3.2 压力场分析

图3 不同尺寸的插入管压降关系图

由图3可以看出，入口内插管的压降随插入管长度的增加而增加。只有出口插入管时的压降最大。在入口流速一定的情况下，各消声器入口平均全压值相差不大，基本上保持一致。气体从入口进入消声器后，由于扩张室截面的突然变大导致部分气体在内部径向扩散，内部插入管越短，扩散的气体越多，这部分气体经过两个180度的转折以后才从出口排出，在一定程度上增大了气体的能量损失，压力损失主要以沿程摩擦阻力损失为主。

3.3 声场分析

图4 频率为1000Hz时的总压场分布图(Pa) 图5 频率为1000Hz时压级的声分布图(dB)

由图4、图5可以看出，频率为1000Hz时，内插管影响声压场的分布。入口声压保持基本不变，当出口插入管长度为0，入口插入管长度增加，在出口存在声压较大，甚至会出现"回声"现象，在几何模型的中间位置，声压级存在最小值，且较小区域随入口插入管长度的增加而减小。当入口插入管长度为0时，出口插入管长度增加，入口处的声压保持基本不变，出口声压发生变化，且在入口区域，声压逐渐减小在扩张室入口两侧存在最小值。扩张室内，最大声压级发生在出口位置的两侧，且较小声压级区域随出口插入管长度的增加而减小。

4 结论

(1)当插入管长度相同时，消声器的出口处气体流速基本相同，只是由于内插管位置的不同导致消声器内部局部各点的流速不同，随着内插管长度的增大，位于内插管根部位置出现气流"盲区"，在这些位置，气体流速很小，有些位置甚至达到了0。

(2)入口内插管的压降随插入管长度的增加而增加。只有出口插入管时的压降最大。在入口流速一定的情况下，各消声器入口平均全压值相差不大，基本上保持一致。

(3)频率为1000Hz时，入口声压保持基本不变。当出口插入管长度为0，入口插入管长度增加，在出口存在声压较大，甚至会出现"回声"现象。在几何模型的中间位置，声压级存在最小值，且较小区域随入口插入管长度的增加而减小。当入口插入管长度为0时，出口插入管长度增加，入口处的声压保持基本不变，出口声压发生变化，且在入口区域，声压逐渐减小在扩张室入口两侧存在最小值。扩张室内，最大声压级发生在出口位置的两侧，且较小声压级区域随出口插入管长度的增加而减小。

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