陳　敏，郭　輝，徐　馳，王巖松，劉寧寧

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

復(fù)雜穿孔板結(jié)構(gòu)消聲器傳遞損失研究

陳敏，郭輝，徐馳，王巖松，劉寧寧

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

為分析穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穿孔板消聲器傳遞損失的影響，以某車用消聲器為研究對(duì)象，利用有限元方法建立該復(fù)雜穿孔板消聲器聲學(xué)模型，并基于兩負(fù)載法搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，分析孔隙率、孔徑、板厚等穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響。結(jié)果表明，隨著孔隙率的增大，低頻傳遞損失峰值向高頻方向移動(dòng)，中高頻頻帶變寬；隨著孔徑的增大，傳遞損失變化不大，高頻頻帶變寬；隨著板厚的增加，高頻傳遞損失變大。研究結(jié)果對(duì)復(fù)雜穿孔板結(jié)構(gòu)消聲器設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

聲學(xué)；消聲器；傳遞損失；兩負(fù)載法；穿孔板

微穿孔板消聲結(jié)構(gòu)理論最早由馬大猷［1-3］提出，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好的寬頻消聲特性，被廣泛應(yīng)用于汽車消聲器中。作為一種共振消聲結(jié)構(gòu)，單層穿孔板一般只有一個(gè)共振峰值，且消聲頻帶較窄［4］。為改進(jìn)其消聲特性，Kimihiro等［1，5］通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法分析雙層穿孔板消聲特性，結(jié)果表明雙層結(jié)構(gòu)有利于拓寬其消聲頻帶。左曙光［6］利用數(shù)值方法分析穿孔板數(shù)目對(duì)消聲器消聲性能的影響，結(jié)果顯示，隨著穿孔板數(shù)目增加，傳遞損失相應(yīng)增大，但當(dāng)隔板數(shù)目達(dá)到一定值時(shí)傳遞損失不再增大?？电娋w［7］利用有限元法在有流情況下分析穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穿孔聲阻抗的影響，研究表明，穿孔聲阻抗隨著孔隙率的增加而降低，隨著孔徑的增大而降低。劉玲［8］在穿孔板基礎(chǔ)上研究褶皺復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲特性，研究顯示，褶皺的高度對(duì)吸聲性能影響最大。上述研究對(duì)象皆為典型的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)際使用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型、確定其邊界條件來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)穿孔板對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響，而三維仿真方法卻可以對(duì)消聲器傳遞損失進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，已成為消聲器性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法。

本文以某車實(shí)用消聲器為研究對(duì)象，首先利用有限元方法建立穿孔板消聲器的聲學(xué)模型，然后搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)并運(yùn)用兩負(fù)載法驗(yàn)證模型的正確性；在此基礎(chǔ)上，分析穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穿孔板消聲器傳遞損失的影響。

1　消聲器聲學(xué)理論基礎(chǔ)

1.1傳遞損失計(jì)算方法

消聲器傳遞損失指的是聲音能量的衰減，即消聲器排氣口在全消的情況下，消聲器入射聲功率和透射聲功率的差值［9］，傳遞損失表達(dá)式如下式中LWi為消聲器入射聲功率級(jí)，LWt為透射聲功率級(jí)；Wi為入射聲功率，Wt為透射聲功率；pi為入射聲壓，pt為透射聲壓。消聲器進(jìn)口處聲壓p1是可由Pi和Pr之和表示，即

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度ν1可以表示為

式中ρ0為空氣密度，c0為聲速。

兩式相加得

若消聲器出口處為全消，則出口處聲壓p2=pt。所以傳遞損失又可表示為

1.2穿孔板的等效模擬

由于該消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在穿孔結(jié)構(gòu)，所以利用聲阻抗率邊界條件等效代替穿孔板［10］。穿孔等效阻抗率Zp可以表示為

式中ΔP為穿孔板內(nèi)外聲壓差；V為孔內(nèi)粒子平均振速；Rp和Xp分別為Zp的實(shí)部和虛部。

當(dāng)穿孔板厚度l≤4a時(shí)，ZP可根據(jù)Mechel公式計(jì)算

式中ω為角頻率；η為粘滯系數(shù)；ρ0為空氣密度；a為穿孔半徑；l為穿孔板壁厚；ε為穿孔率；Δl為小孔分布校正系數(shù)。ε和Δl的計(jì)算公式如下

式中d為穿孔孔距。其中，穿孔率計(jì)算公式與穿孔結(jié)構(gòu)的布置形式有關(guān)，具體計(jì)算可參考文獻(xiàn)［11］進(jìn)行。如圖1所示，該消聲器中穿孔排列形狀為正六邊形。

圖1　正六邊形排列

該消聲器中a=2.5 mm，d=7.25 mm，a/d=0.34，故取

2　消聲器理論模型及驗(yàn)證

2.1消聲器物理模型

圖2為某車排氣消聲器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該消聲器總共分為兩腔，被隔板C分為腔A和腔B，腔A是帶有內(nèi)插管（即進(jìn)氣管）和穿孔板的單節(jié)赫姆霍茲共振腔，內(nèi)插管存在12個(gè)直徑為3 mm的小孔；穿孔板和隔板厚度均為1.2 mm，穿孔板上存在160個(gè)直徑為5 mm的小孔；腔B內(nèi)裝有一個(gè)內(nèi)排氣管；尾氣排氣管由上，下兩個(gè)排氣管組成，排氣管分成三段，前段位于A腔，中段位于B腔，排氣管的前段和中段的小孔個(gè)數(shù)相同且直徑均為3.5 mm，前段小孔數(shù)為20個(gè)，中段為120個(gè)。

圖2　消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該消聲器降噪原理為：使用穿孔板/管拓寬消聲頻帶，利用共振腔A腔降低低頻噪聲，通過(guò)擴(kuò)張腔B腔消減中低頻噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲從進(jìn)氣管進(jìn)入，氣流一部分通過(guò)內(nèi)插管直接進(jìn)入B，一部分氣流在內(nèi)插板和共振腔的作用下，最后經(jīng)過(guò)內(nèi)排氣管進(jìn)入腔B；另一條線路是氣流從腔A直接進(jìn)入下排氣管，最終達(dá)到降低噪聲的目的。

2.3實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

消聲器傳遞損失測(cè)量的方法一般有四種，分別為傳遞函數(shù)法、聲波分解法、兩聲源法和兩負(fù)載法［12，13］。其中兩負(fù)載法通過(guò)改變消聲器末端聲阻抗條件而得到系統(tǒng)參數(shù)，因?qū)嵤┢饋?lái)比較容易而得到廣泛應(yīng)用，本文利用兩負(fù)載法來(lái)測(cè)量和計(jì)算消聲器的傳遞損失。圖3為消聲器傳遞損失實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖。

圖3消聲器傳遞損失測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖4為消聲器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，利用阻抗管測(cè)試傳遞損失。該系統(tǒng)主要由三部分組成：信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和消聲器。其中，信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)由電腦和揚(yáng)聲器組成，揚(yáng)聲器由阻抗管本身提供；信號(hào)采集系統(tǒng)由兩個(gè)四分之一英寸傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)采集與處理軟件系統(tǒng)構(gòu)成。

圖4　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

根據(jù)兩負(fù)載法的測(cè)試規(guī)定，被測(cè)消聲器應(yīng)為單排氣口，測(cè)試時(shí)將該消聲器其中一個(gè)排氣口用吸聲棉堵住，使聲音傳播到該處被全部吸收。傳聲器被固定在消聲器上端和下端的管道上，不會(huì)破壞管道內(nèi)部聲場(chǎng)。聲源信號(hào)被兩個(gè)傳聲器拾取，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后輸入多通道分析儀進(jìn)行分析運(yùn)算。

2.4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖5為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可以看出，消聲器仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體趨勢(shì)一致且吻合較好。但大多情況下，仿真值低于實(shí)驗(yàn)值，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是：

（1）仿真計(jì)算是在近乎理想的邊界條件下進(jìn)行的，默認(rèn)噪聲到尾端被全部吸收，實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)尾端存在反射聲壓；

（2）建立三維模型時(shí)，因?yàn)閰?shù)不全，仿真過(guò)程中孔的排布和實(shí)體模型并不完全一致。雖然仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值稍有出入，但是總體吻合良好，驗(yàn)證了有限元仿真計(jì)算的有效性，可用于消聲器聲學(xué)研究。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為30 Hz時(shí)，存在一個(gè)共振峰值，其傳遞損失值為13 dB。這是由于該消聲器存在一個(gè)帶有穿孔板的單節(jié)赫姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)（如圖2所示），利用下式可計(jì)算其固有頻率。式中ε為穿孔板孔隙率，n為穿孔數(shù)，d為板厚，r為孔徑，L為板后空氣域的徑向距離。

根據(jù)該式計(jì)算得到該消聲器的共振頻率為29.48 Hz，與圖5相吻合。從圖5還可以看出，1 Hz～900 Hz的通過(guò)頻帶較寬，這是因?yàn)榇┛装搴蛿U(kuò)張腔起到了擴(kuò)寬頻帶的作用，但是1 Hz～400 Hz的傳遞損失最高只達(dá)到23 dB，消聲器低頻降噪能力較弱；1 100 HZ～1 900 HZ頻帶較窄，是因?yàn)樵诟哳l階段，出現(xiàn)了高次波，擴(kuò)張腔的作用降低。因此，需進(jìn)一步計(jì)算分析該消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其消聲性能的影響規(guī)律。

圖5　仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3　穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響

在影響消聲器消聲性能的參數(shù)中，穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。根據(jù)季振林等［14，15］的研究，穿孔板的小孔可以看作小的共振室，在共振頻率處有消聲作用，由此達(dá)到消聲的目的；同時(shí)穿孔板有利于擴(kuò)寬消聲器頻帶和提高低頻降噪的能力。重點(diǎn)分析穿孔板穿孔率、孔徑和板厚等參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響。由于仿真中利用穿孔聲阻抗率邊界條件等效代替穿孔板，因此可以通過(guò)改變穿孔管聲阻抗率相關(guān)系數(shù)，來(lái)達(dá)到模擬改變穿孔管結(jié)構(gòu)參數(shù)的目的。

3.1孔隙率對(duì)傳遞損失的影響

分析穿孔率不同的3個(gè)穿孔板消聲器對(duì)傳遞損失的影響。穿孔板穿孔率依次為2%、3%、4%，其它參數(shù)取值如下：孔徑為9 mm，板厚為1.2 mm。計(jì)算得到的傳遞損失如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著穿孔率的增大，1 Hz～400 Hz傳遞損失逐漸增大，低頻傳遞損失峰值向高頻方向移動(dòng)，但是移動(dòng)幅度不大；中高頻傳遞損失變化不大，但頻帶變寬。這表明增大穿孔板孔隙率有利于提高消聲器低頻降噪能力。由以上可知，要想提高消聲器低頻降噪能力，在設(shè)計(jì)消聲器的時(shí)候，可以適當(dāng)增大穿孔管的穿孔率。

3.2孔徑對(duì)傳遞損失的影響

分析孔徑不同的3個(gè)穿孔板消聲器對(duì)傳遞損失的影響。穿孔板孔徑依次為5 mm、7 mm、9 mm，其它參數(shù)取值如下：孔隙率為3%、板厚為1.2 mm。計(jì)算得到的傳遞損失如圖7所示。

圖7　不同穿孔板孔徑的傳遞損失曲線

從圖7可以看出，穿孔板孔徑的變化對(duì)消聲器低頻消噪能力影響不大，高頻通過(guò)頻率變寬，但是隨著穿孔孔徑的變化，消聲效果整體趨勢(shì)沒(méi)有多大變化。由以上可知，要想提高消聲器高頻通過(guò)頻帶，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以相對(duì)增大穿孔板孔徑，但穿孔孔徑不能無(wú)限增加，因?yàn)榭讖竭^(guò)大會(huì)導(dǎo)致壓力損失減小，不利于提高消聲器消聲性能。

3.3板厚對(duì)傳遞損失的影響

分析板厚不同的3個(gè)穿孔板消聲器對(duì)傳遞損失的影響。穿孔板板厚依次為1.0 mm、1.2 mm、2.2 mm，其它參數(shù)取值如下：孔隙率為3%、孔徑為5 mm。計(jì)算得到的傳遞損失如圖8所示。

圖8　不同厚度傳遞損失曲線

從圖8可以看出，穿孔板厚度對(duì)消聲器低頻消聲效果影響不大，隨著板的厚度增加，中高頻段傳遞損失變化明顯，高頻消聲效果變好，并且頻帶變寬。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，消聲器共振頻率極為接近且傳遞損失相差很小，共振頻率隨著板厚的增大有向低頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)，壓降和傳遞損失變化一致。考慮到工業(yè)效益，板不宜過(guò)厚，但在高速、高溫氣流下，穿孔板過(guò)薄容易損壞。

4　結(jié)語(yǔ)

建立穿孔板消聲器聲學(xué)模型，并基于兩負(fù)載法搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證了穿孔板消聲器模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分析穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該消聲器傳遞損失的影響。研究表明：

（1）消聲器低頻傳遞損失隨著穿孔板孔隙率的增加而增大，中高頻傳遞損失變化不大，但頻帶變寬；

（2）穿孔板孔徑變化對(duì)消聲器低頻消噪能力影響不大，但隨著孔徑增大，高頻通過(guò)頻帶變寬；

（3）穿孔板厚度對(duì)消聲器低頻消聲效果影響不大，但若板厚增加，則高頻傳遞損失明顯增大，且頻帶變寬。

當(dāng)然，在消聲器工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化及制造使用實(shí)踐中，需要綜合分析各類參數(shù)對(duì)消聲性能的影響，以獲得更為優(yōu)越的消聲性能。

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Study on Transmission Loss of Complex Mufflers with Perforated Baffles

CHENMin，GUOHui，XUChi，WANG Yan-song，LIU Ning-ning
（College ofAutomotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

The acoustic model of a baffle muffler was established by means of finite element method，and the transmission loss of the muffler was analyzed.To measure the transmission loss，a test bench was built with the double-load method adopted.The results of experiments coincided well with the simulation results.On this basis，considering the baffle as a perforated baffle，the influence of some structure parameters，such as the porosity，the pore diameter and the thickness of the baffle，on the transmission loss of the muffler was calculated.The computation results reveal that when the porosity of the perforated baffle increases，the peak of the low-frequency transmission loss will shift toward the high-frequency direction and the high-medium frequency band is broadened；with the pore diameter increasing，the transmission loss has little change and the high-frequency band is broadened；with the thickness of the baffle increasing，the high-frequency transmission loss is enlarged.The results of this work can be used as a reference for the design and optimization of the complex mufflers with perforated baffles.

acoustics；muffler；transmission loss；two load method；perforated baffler

TU112.59+7

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.039

1006-1355（2015）05-0185-04+207

2015－03－28

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（14ZR1418600）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175320）；上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（13YZ110）

陳敏（1990－），女，江蘇南通人，碩士研究生。研究方向：車輛消聲器技術(shù)。

E-mail:726439677@qq.com。

郭輝（1981－）男，副教授，碩士生導(dǎo)師。