管口聲輻射特性在消聲器出口端應(yīng)用的研究

黃加晟,趙曉丹，孫黎明，，王志鵬

（1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

汽車(chē)的普及在給人們帶來(lái)方便的同時(shí)，其噪聲也對(duì)人們的正常生活、工作及身心健康帶來(lái)了煩惱。其中發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車(chē)最主要的噪聲源，排氣噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲有不可忽略的影響作用。隨著汽車(chē)產(chǎn)量的提高，排氣噪聲的控制也是各大廠商越來(lái)越重視的焦點(diǎn)。

使用排氣消聲器是降低排氣噪聲的有效手段，對(duì)消聲器的研究一直受到關(guān)注。左曙光[1]分析了隔板對(duì)微穿孔管聲學(xué)特性的影響，溫逸云[2]研究了部分穿孔消聲器穿孔率、插入長(zhǎng)度、周向和軸向穿孔分布、擴(kuò)張腔直徑等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)消聲器消聲性能的影響。杜江[3]探討了氣流流速大小和消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)插入管消聲器聲學(xué)特性的影響。A．Selamet[4]研究了雙膨脹腔帶內(nèi)插管消聲器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)消聲器性能的影響，包括中間擋板的位置、消聲器的總長(zhǎng)和內(nèi)插管的內(nèi)徑，這些工作是在消聲器的內(nèi)部做研究。消聲器的出口端對(duì)整個(gè)消聲器的性能也是有影響的，本文注意到聲波在管口的輻射具有一定特性，聲能在管道中并不會(huì)完全輻射出管口，會(huì)有部分聲能反射回管道。目前對(duì)此還沒(méi)有得到充分重視，在使用Virtual.Lab Acoustics軟件計(jì)算消聲器傳遞損失時(shí)一般使用空氣特性阻抗ρc作為邊界條件，這樣未考慮到出口的輻射特性，與真實(shí)情況有差異。本文計(jì)算了管口的聲阻抗，將其作為邊界條件，考慮管口聲輻射特性，利用管口直徑小反射更為劇烈的特性，提出消聲器出口端采用多出口管降低噪聲輻射，進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算和試驗(yàn)研究。

1 管口聲輻射特性

聲波在剛性壁管道中傳播時(shí)具有開(kāi)管的特性，理論上開(kāi)管在管道末端具有反射特性[5]。對(duì)于這種反射現(xiàn)象，盛勝我做了深入研究，測(cè)量了管道出口的聲壓反射系數(shù)，結(jié)果表明當(dāng)管口附近沒(méi)有其他反射體時(shí)，管內(nèi)平面波到達(dá)管口，其中一部分將反射回管內(nèi),一部分輻射到管外空間[6]。通常波數(shù)k與管口半徑a的乘積小于3，盛勝我研究得出了在ka小于3的情況下，聲壓反射系數(shù)幅值R的近似表達(dá)式

本文也做了相應(yīng)的試驗(yàn)，使用北京聲望SW002型駐波管測(cè)量了駐波管開(kāi)管的吸聲系數(shù)，駐波管管口外徑為100 mm，觀察它的輻射特性。使用駐波管測(cè)量聲壓級(jí)最大值Lpmax和最小值Lpmin，則可獲得吸聲系數(shù)

式中：ΔL=Lpmax-Lpmin，由吸聲系數(shù)α得到聲能反射系數(shù)γ=1-α，反射系數(shù)曲線見(jiàn)圖1?？梢钥闯雎暡ㄔ陂_(kāi)管中并不是全部輻射出去的，有明顯的反射現(xiàn)象，尤其是在低頻部分非常明顯，與盛勝我研究的特性相符。

消聲器無(wú)論腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有何不同，出口端常采用一段直管，故管口的聲輻射特性也同樣適用于消聲器出口端。在管口的聲輻射特性中，由式（1）看出聲壓反射還和管口半徑a有關(guān)，半徑越小反射系數(shù)越大。

圖1 開(kāi)管反射系數(shù)

2 消聲器管口聲壓反射特性計(jì)算

研究消聲器端口聲能反射情況，出口模型見(jiàn)圖2。考慮到不增加排氣背壓[7]，需要保持出口的截面積不變，分別采用單出口管，雙出口管，三出口管。

圖2中，（a）單圓孔出口直徑為40.0 mm；（b）雙圓孔出口直徑為28.3 mm；（c）3圓孔出口直徑為23.1 mm。（a）（b）（c）3 種出口總面積相等 ，均為400 π mm2，出口管凸臺(tái)長(zhǎng)度均為170 mm，腔體直徑100 mm，腔體長(zhǎng)1000 mm。

使用三維仿真軟件Virtual.Lab Acoustics計(jì)算消聲器傳遞損失，在計(jì)算中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題是出口端邊界條件的設(shè)定。計(jì)算傳遞損失傳統(tǒng)方法是將空氣特性阻抗ρc作為出口邊界條件[8]，來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。由于出口定義為無(wú)反射邊界，所以只有透射聲功率而無(wú)反射聲功率，即聲音在出口處沒(méi)有反射的效果，無(wú)法反映出實(shí)際管口有聲反射的情況。

本文提出計(jì)算出管口的聲阻抗，作為出口邊界條件代入軟件進(jìn)行計(jì)算。聲阻率μ與聲抗率ν采用以下公式計(jì)算[6]

式中：j表示虛數(shù)，r為聲壓反射系數(shù)

式中：R為聲壓反射系數(shù)幅值，其計(jì)算見(jiàn)式(1)，l為末端修正值，修正公式為

圖2 3種出口端網(wǎng)格模型

由式（1）、式（3）、式(4)、式（5）計(jì)算得到的管口聲阻抗作為邊界條件代入軟件，計(jì)算圖2中（a）單出口管模型的消聲性能，為了對(duì)比，同時(shí)使用空氣特性阻抗ρc作為出口邊界計(jì)算進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同出口邊界條件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

觀察曲線可知，直接將空氣特性阻抗作為出口邊界條件時(shí)，計(jì)算結(jié)果隨頻率的變化基本為一條平直的直線，因?yàn)榭諝馓匦宰杩篂槎ㄖ担?jì)算結(jié)果無(wú)法反映出隨頻率變化出口端的聲反射情況，考慮了管口處的聲反射特性后，計(jì)算得到的結(jié)果隨頻率有明顯的高低起伏變化，兩者有顯著的區(qū)別。將圖23種出口端模型的管口聲阻抗分別代入軟件計(jì)算各自管口的聲輻射情況，得到入射聲能與輻射聲能比值的曲線如圖4。

圖4 3種出口端消聲性能軟件計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，端口的輻射特性隨頻率高低起伏變化，在低頻處的反射更為強(qiáng)烈，與開(kāi)管的反射特性相符，說(shuō)明計(jì)算有一定合理性。在900 Hz左右出現(xiàn)低谷，這與出口端的管長(zhǎng)有關(guān)，然后又有所上升。對(duì)比計(jì)算結(jié)果顯示，雙出口管向外輻射的總聲能小于單出口管輻射的聲能，3出口管向外輻射的總聲能又小于雙出口管輻射的總聲能，說(shuō)明在出口端使用小管徑的多管向外輻射的總聲能比大管徑的出口管更少。

3 試驗(yàn)

對(duì)計(jì)算結(jié)果開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)使用駐波管測(cè)量吸聲系數(shù)，來(lái)反映出口端聲能的反射與輻射。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 駐波管試驗(yàn)裝置示意圖

利用駐波管安裝套筒的卡槽將消聲器單出口管模型安裝到駐波管末端，電腦發(fā)出信號(hào)推動(dòng)聲源箱逐頻產(chǎn)生聲波，每隔50 Hz測(cè)量吸聲系數(shù)。更換雙出口管和3出口管進(jìn)行相同的測(cè)量，得到相應(yīng)的吸聲系數(shù)，3種出口端吸聲系數(shù)測(cè)量曲線如圖6。

圖6 3種出口端吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)中吸收的聲能量即是通過(guò)管口輻射出去的聲能量，由吸聲系數(shù)曲線可以獲得入射聲能與輻射聲能比值的曲線，單位用分貝表示，獲得消聲性能曲線如圖7。

圖7 3種出口端消聲性能測(cè)量結(jié)果

由圖7可知，消聲器單管出口端消聲性能測(cè)量結(jié)果并不是一條隨頻率無(wú)變化的直線，而是一條隨頻率有明顯高低起伏變化的曲線，與圖3中使用管口聲阻抗作為出口邊界計(jì)算所得的曲線趨勢(shì)相符。說(shuō)明使用管口聲阻抗代入軟件計(jì)算比使用空氣特性阻抗計(jì)算所得的結(jié)果更合理，能夠反映出實(shí)際管口聲輻射的特征。

對(duì)比圖4的計(jì)算結(jié)果與圖7的測(cè)量結(jié)果，均在800 Hz及1800 Hz左右出現(xiàn)消聲低谷，在1300 Hz左右均出現(xiàn)消聲高峰，在250 Hz到600 Hz左右的低頻范圍的數(shù)值均高于1300 Hz左右的波峰。分析圖7，試驗(yàn)結(jié)果在800 Hz到1900 Hz時(shí)，保持相同的截面面積，采用管徑28.3 mm的雙出口管比管徑40 mm的單出口管反射回管內(nèi)的總聲能多，向外輻射的總聲能少；采用管徑23.1 mm的三出口管比管徑28.3 mm的雙出口管反射回管內(nèi)的總聲能也多，向外輻射的總聲能進(jìn)一步減少；采用管徑23.1 mm的三出口管比管徑40 mm的單出口管向外輻射的總聲能減少得更明顯。測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果都反映出減小出口管直徑對(duì)減少噪聲輻射有利，研究表明利用管口反射聲能的特性后，消聲器采用多管出口能夠起到一定的提高消聲作用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）管口存在一定的聲輻射特性，本文計(jì)算出管口的聲阻抗結(jié)合Virtual.Lab Acoustics作為邊界條件代入計(jì)算，能夠反映出管口具有的反射特性，比直接使用空氣特性阻抗作邊界條件更能反映出消聲器實(shí)際輻射聲能的情況，計(jì)算結(jié)果更合理。

（2）研究管口的聲輻射特性，合理的設(shè)計(jì)和利用消聲器出口端對(duì)提高消聲性能有一定的作用。受到計(jì)算的啟發(fā)，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在保持相同的流通面積下，采用多根小管時(shí)管口反射特性更加強(qiáng)烈，能夠起到更好的消聲效果。

[1]左曙光，龍國(guó)，吳旭東，等.隔板對(duì)汽車(chē)微穿孔管消聲器聲學(xué)特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014(11)：53-60.

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