（机械设计及理论专业论文）汽车排气系统的声学性能及流场特性的数值分析研究.pdf

汽车排气系统的声学性能及流场特性的数值分析研究 摘要 发动机噪声是汽车的主要噪声源，而排气噪声又是发动机的最大噪声源， 目前最丰要的手段是采用消声器来控制排气噪声。但是消声器在降低噪声的同 时，会带来排气阻力增加的副作用，进而导致发动机动力性和经济性的下降。 因此，详细研究消声器的声学特性及空气动力特性就显得非常重要。 早期的消声器研究主要依据平面波理论，并在此基础上发展出四极子声学 传递矩阵法、神经网络法等进行理论分析，但是，对于三维结构复杂消声器， 传统的平面波理论及阻力系数计算方法存在较大的误差。随着数值计算技术的 发展，运用专业软件对消声器进行三维有限元数值计算可以有效地弥补这个缺 点，为消声器的设计提供新的途径。 本文详细研究了基本消声结构的消声规律和空气动力特性，在此基础上， 应用声学分析软件s y s n o i s e 及计算流体力学软件f l u e n t ，以实际s r v 汽车发 动机匹配的排气系统为对象，分别建立了声学和流场有限元计算模型，仿真计 算了传递损失和阻力损失，得到了其消声器内部流速、温度和声压分布情况， 并且根据结果分析评价了排气系统的消声特性和空气动力性能，对其结构设计 不合理处提出切实的改进措施。结果表明，仿真计算的结果真实可靠，对于消 声器的设计具有重要指导意义和实用价值。 关键词：排气系统，声学性能，空气动力特性，数值仿真 n u m e r i c a la n a l y s i sr e s e a r c ho na c o u s t i c p e r f o r m a n c ea n da e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f a u t o m o b i l ee x h a u s ts y s t e m a b s t r a c t t h en o i s eo fe n g i n ep l a y sam a i nr o l ei nn v h p e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e s ， w h i l ee x h a u s t i n gn o is ec o n t r i b u t e st h em o s t i m p o r t a n tp a r t a tp r e s e n t ，i t s c o m m o nt oc o n t r o lt h ee x h a u s t i n gn o i s eb ys e t t i n gu pm u f f l e r sa l o n gt h ee x h a u s t s y s t e m h o w e v e r ，t h em u f f l e r sr e s u l ti np r o d u c i n gb a c k p r e s s u r ew h i c hd e g r a d e st h e p o w e ra n do i l c o n s u m ee f f e c to fe n g i n e s oi t sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea c c o u s t i c p e r f o r m a n c ea n da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm u f f l e r s t h er e s e a r c ho nm u f f l e ri nt h ee a r l yt e r mb a s e dp r i n c i p a l l yo no n e d i m e n t i o n p l a n a rw a v et h e o r y , t h e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y s em u f f l e ra c c o r d i n gt of o u r p o l es o u n d t r a n s m i s s i o nm a t r i xm e t h o da n dn e u r a ln e t w o r km e t h o d b u tc a l c u l a t i o n so f t r a n s m i s s i o nl o s sa n db a c k p r e s s u r ei nt r a d i t i o n a lm e t h o dw i l lr e s u l tt ob i gt o l e r a n c e a n dc a n tm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sa st h em u f f l e ri st h r e e d i m e n t i o n a la n d q u i t ec o m p l e xi ns t r u c t u r e a st h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , i tw i l lb ee f f e c t i v et oc o n d u c tf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o fm u f n e rb yu s i n g p r o f e s s i o n a ls o f t w a r e t h i sn e wm e t h o dp r o v i d e san e ww a yt og u i d ed e s i g n i n g m u f f l e r i n t h i s p a p e r , w es t u d yf i r s t l y a c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n d a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h eb a s i cu n i to fm u f f l e r s t h e nt h es o f t w a r e ，s y s n o i s ea n d f l u e n t , i sa p p l i e dt ob u i l daf e mm o d e lo ft h ep r a c t i c a le x h a u s ts y s t e mo fs r v e n g i n ea n dt os i m u l a t et h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n da e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，t h eb a c k p r e s s u r ea n dt r a n s m i s s i o nl o s sa r ec a l c u l a t e d t h a ts h o wt h ev a l i d i t yo ft h en u m e r i c a la n a l y s i si nc o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t r e s u l t s a l s ow ee v a l u a t et h ed i s t r i b u t i o no ff l u i dv e l o c i t y , t e m p r e t u r e ，a n ds o u n d p r e s s u r et op u tf o r w a r di m p r o v e m e n tm e a s u r e s t h em e t h o di sag o o dg u i d ea n d f o u n d a t i o nt ol e a dt oo p t i m i z a t i o nd e s i g no fm u f f l e r k e y w o r d s ：e x h a u s ts y s t e m ，a c o u s t i cp e r f o r m a n c e ，a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 插图清单 图2 - 1 声学有限元1 1 图3 1 阻性消声器算例几何尺寸1 7 图3 - 2 阻性消声器算例有限元模型17 图3 - 3 吸声材料属性设置1 7 图3 4 流阻变化对传递损失的影响1 8 图3 5 空隙率对传递损失的影响1 8 图3 - 6 结构因子对传递损失的影响1 9 图3 7 典型抗性消声器几何尺寸2 1 图3 8 抗性消声器有限元模型2 1 图3 - 9 扩张腔消声器的传递损失仿真结果2 2 图3 1 02 3 0 0 h z 声压云图2 2 图3 1 13 8 0 0 h z 声压云图2 2 图3 一1 2 压力损失仿真结果与理论计算值2 4 图3 1 32 0 m s 压力云图2 4 图3 1 46 0 m s 压力云图2 4 图3 1 52 0 m s 湍动能云图2 5 图3 1 66 0 m s 湍动能云图2 5 图3 1 7 扩张比对传递损失的影响2 6 图3 1 8 扩张比对压力损失的影响2 6 图3 1 92 0 m s 时中心平面速度矢量图2 7 图3 - 2 0 扩张腔长度对传递损失的影响2 7 图3 - 2 1 扩张腔长度对阻力损失的影响2 8 图3 2 25 0 m m 内插管网格模型2 8 图3 - 2 31 0 0 m m 内插管网格模型2 9 图3 2 4 不同插入管长度的传递损失2 9 图3 - 2 5 不同插入管长度下压力损失图3 0 图3 - 2 6 不同插入管长度的消声器中心平面压力云图3 0 图3 - 2 7 不同插入管长度的消声器中心平面湍动能云图3 l 图3 2 8 典型亥姆霍兹共振腔算例的几何尺寸及有限元模型3 2 图3 - 2 9 亥姆霍兹共振器算例传递损失3 3 图3 - 3 0 等效阻抗边界条件设置3 4 图3 3 l 穿孔管消声器几何示意图及有限元模型3 5 图3 3 2 穿孔管消声器传递损失3 6 图3 - 3 3 穿孔管消声器2 5 0 0 h z 声压云图3 6 图3 3 4 典型三腔消声器模型3 7 图3 - 3 5 流速对消声器传递损失的影响3 7 图3 3 6 温度对消声器传递损失的影响3 8 图4 1 排气系统几何模型4 0 图4 2 前消声器示意图4 1 图4 3 前消声器实物图4 1 图4 4 后消声器示意图4 2 图4 - 5 排气系统c f d 网格模型4 3 图4 - 6 排气系统声学计算网格模型4 4 图4 7 前消声器吸声材料布置4 5 图4 8 前消声器压力损失图4 6 图4 9 前消声器速度云图4 7 图4 1 0 前消声器速度矢量图4 7 图4 1 1 前消声器速度矢量细节图4 8 图4 12 前消声器湍动能云图4 8 图4 13 前消声器湍流强度云图4 9 图4 一1 4 前消声器湍流粘性云图4 9 图4 15 前消声器压力云图4 9 图4 1 6 后消声器压力损失图5 0 图4 17 后消声器速度云图5 1 图4 1 8 后消声器速度矢量图5 2 图4 1 9 后消声器湍动能云图5 2 图4 - 2 0 后消声器湍流强度云图5 3 图4 - 2 1 后消声器压力云图5 3 图4 - 2 2 排气系统压力云图5 4 图4 - 2 3 排气系统背压贡献比例5 4 图4 - 2 4 背压细节图5 5 图4 - 2 5 排气系统速度云图5 5 图4 - 2 6 速度等值线5 5 图4 - 2 7 排气系统温度云图5 6 图4 - 2 8 前消声器截面温度云图5 6 图4 - 2 9 后消声器截面温度云图5 7 图4 - 3 0 排气系统消声特性5 7 图4 - 3 14 5 0 h z 时排气系统声压云图5 8 表2 1 表3 一i 表3 - 2 表4 1 表4 - 2 表4 - 3 表格清单 k e 两方程模型中的常数值1 4 吸声材料属性1 6 阻力损失理论值与仿真值2 3 网格质量标准4 2 前消声器压力损失4 5 后消声器压力损失5 0 主要符号表 声压 声压级 声强 密度 声速 声阻抗 哈密顿算子 角频率 传递损失 末端降噪量 插入损失 声衰减量 粘滞系数 摩擦阻力系数 局部阻力系数 压力损失 单元刚度矩阵 比热容 温度 流体传热系数 粘性耗散项 湍动能 湍流耗散率 吸声系数 流阻 空隙率 扩张比 p o。 p c 乙v k k k业。丫b号凹时t k 品k e a 髟f m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金日巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作耆签名：赳鸭b 签字隗1 年钠牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目巴 工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名司隔弘 签字日期：叼年中月f 中日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新繇罗之哆殇 替醐：冲p ? 垆 电话： 邮编： 致谢 在此硕士论文完成之际，我谨向所有指导和帮助我完成学业的师长、同窗、 朋友们致以诚挚的谢意。 感谢我的指导老师毕传兴教授。很荣幸地成为毕老师的开门弟子，也因此 受益良多，在研究生学习阶段，毕老师总是不厌其烦地为我答疑解惑，帮助我 解决各种问题。从课程的学习、开展项目、发表小论文到毕业论文，毕老师对 我学业的关怀、过问实让我倍感温暖。 硕士学业的完成，离不开陈剑所长的支持和帮助，感谢噪声振动工程研究 所给了我平台和机会，让我能够参与各种实际项目。陈剑教授认真负责的态度 让我深受感动，陈剑老师身兼数职，虽事务繁忙，总能安排指导我们开展工作、 参加学术交流活动等等，为我们创造各种机会学习、锻炼自己。尤其要感谢的 是陈剑老师的平易、大度，工作上对我的支持才让我有了一次宝贵的福特实习 之旅，组织同学们春游、元旦晚会更是难能可贵，让我们度过了两年愉快的生 活，在此向陈老师表达我深深的谢意。 同时也要感谢我的学长饶建渊、张寰、韩晓峰等，正是他们的帮助、协作 以及诸位对本研究提出的宝贵建议才让我的论文得以顺利完成。 经历就是财富，生活在于体验，感谢留住了我人生中一段美好时光的合肥 工业大学。 作者：刘鹏飞 2 0 0 9 年0 4 月1 2 日 第一章绪论 1 1 概述 汽车工业的快速发展和交通的日益发达带来的交通噪声污染问题也日益 严重，机动车辆噪声对人们的生活、工作及身心健康产生了日益严重的影响， 噪声污染已经和水污染、大气污染、固体废弃物污染并称为当今社会的四大公 害。 为了限制交通噪声污染，各国大都制定了严格的汽车噪声允许法规。如联 合国欧洲经济委员会( e c e ) 、欧盟( e u ) 、日本、美国等主要国家和地区，从7 0 年代起每3 5 年就修订一次相关的法规或标准来控制车辆噪声，各种车辆噪声 的限值有了大幅度的降低。我国于19 7 9 年第一次颁布了国家标准 ( g b 1 4 9 5 7 9 ) ，制订了机动车辆、内燃机、消声器等噪声测试标准与规范。加 入w t o 以后，为了适应国内外更加激烈的竞争，我国于2 0 0 2 年1 0 月1 日提 出了更严格的汽车加速行驶车外噪声限值g b l4 9 5 2 0 0 2 ，以满足人们对环境要 求的提高。 并且随着汽车市场竞争越来越激烈以及汽车技术的不断推陈出新，各级供 应商和整车厂的日益紧密的合作，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的 差别日益缩小。相比之下，汽车的n v h ( 噪声、振动和舒适性) 性能就常常成 为区分汽车品牌好坏的重要因素之一。噪声问题已经成为影响消费者最主要的 因素之一，低噪声与动力性、经济性等一起成为了评价汽车品质的重要指标。 为了适应日益严格的法规要求，为了在市场中占领一席之地，各汽车生产企业 必须要不断提高整车的降噪水平。 1 2 汽车噪声控制 汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源，大致可以分为：发动机 噪声，路面噪声，风激励噪声，动力传动系统噪声，车身与整车噪声等。 发动机噪声是汽车的主要噪声源，内燃机具有周期循环的工作特点，其零 部件承受着周期性的变动力作用，同时周期性地更换气缸中气体的过程使得内 燃机的进排气气流具有很大的波动性，致使在内燃机的运转过程中激励起振动 与噪声。按产生噪音的性质可分为空气动力噪声，燃烧噪声和机械噪声三大类。 空气动力噪声是气体流动或物体在空气中运动、空气与物体撞击，引起气 体产生涡流或者由于空气发生压力突变形成空气扰动与膨胀等而产生的噪声， 一般说来，空气动力噪声是直接向大气辐射的。机械噪声是指在气体压力和惯 性力的作用下，使运动部件产生冲击和振动而激发的噪声，如活塞敲击噪声、 齿轮啮合噪声、供油系统噪声、配气机构噪声、正时系统噪声、辅机系统噪声 等。燃烧噪声是气缸内部结构及零部件因内燃机燃烧激励，产生振动而发出的 噪声。 噪声是由声源发出，经过中间介质传播，而后到达接收者。降低噪声丰要 从两个方面采取措施，一方面是对噪声源本身采取措施，从噪声源机理分析入 手，研究噪声产生的原因，辨识出影响声级的主要因素，有针对性地采取相应 的对策，这也是最有效的降噪方法。但这些措施往往涉及到凸轮轴、气门机构 以及气缸盖等的设计，影响到内燃机其他方面的性能，因此需要综合考虑并进 行大量的实验研究。另一方面，控制声源发出的声功率有时是团难或难以做到 的，此时可采取控制噪声传播路径来降低噪声。在没有采取降噪措施前，内燃 机排气噪声在整机噪声中占重要比例，是最大噪声源。最有效、最简单、也是 目前国内外采用最多的方法就是采用排气消声器，这是降低内燃机排气噪声的 主要措施。消声器的使用一方面降低了进排气噪声，但另一方面增加了汽车的 进排气阻力，从而影响了发动机的经济性和动力性，严重时可能会影响发动机 的正常工作。因此研究高消声、低阻力的消声器己成为控制进排气噪声的一个 首要任务。 1 3 消声器的国内外研究现状 消声器能够阻挡声波的传播，允许气流通过，是控制噪声的有效工具。经 过理论工作者及工程师的不断完善，消声器的结构形式和计算方法都得到了很 大的发展。 消声器的理论研究具有很长的历史，2 0 世纪2 0 年代，美国学者s t e w a r t 率先用声滤波器理论指导抗性消声器设计，利用集中参数近似算法分析消声器 元件。该方法仅适用于波长远大于消声器几何尺寸的情况，用于低频近似计算。 19 5 4 年d a v i s 发表了平面波理论的经典论文，运用平面波理论，分析了无气流 情况下的消声器的声学特性。诸多工程师在工程实践中推导出了一维波动方 程，利用在截面突变处声压和体积速度的连续性条件，计算了单级和多级膨胀 腔和旁支共振腔的声学性能。19 7 0 年f u k u d a e 发表了用等效电路得到的传递矩 阵法计算消声器的传声特性的文章，根据电路中的四端网络原理，每个消声器 单元的声传递特性用四极参数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单 元的四级参数矩阵的乘积来确定。这种消声器声学性能的分析方法简便、实用， 在无紊流、无温度梯度的情况下，在平面波范围内能给出较为满意的结果。在 同一时期，s u l l i v a n 对存在湍流气流时的声传递矩阵进行了研究。七十年代， c r o c k e r 和t h a w a n i 提出了存在气流影响时的声波传播理论，但仍然没有考虑 温度梯度的影响。八十年代后，随着对气流和温度的研究进一步深入，对利用 该方法计算设计消声器有较全面的论述。 以上是基于平面波理论的一维近似分析方法，当频率较低时，对于管道或 截面较小而长度较大的膨胀腔消声器，其内部近似为一维平面波传播，这时， 2 一维理论的分析方法是合适的。但当频率较高时，消声器内部出现高次模式波， 尤其是对大型消声器，其截止频率低，在较低的频率下就出现高次模式波，这 时一维理论不再适用。 各种数值方法的发展及计算机技术的应用和普及，为合理的预测复杂消声 器声学性能并从理论上指导消声器设计提供了可能。最早用的是有限差分法， 可对管道内的声传播进行计算，但由于该方法难于实施于任意形状的系统，所 以其应用受到了限制。有限元法是消声器声学性能分析中最常用的数值方法。 它可以应用于任意形状的消声器，并且可以考虑壁面振动、流动、温度梯度对 消声器性能的影响。19 7 5 年，y o u n g 和c r o c k e r 最先使用有限元法预测了膨胀 腔消声器的传递损失，他们采用二维矩形单元与拉格朗日函数法对二维简单膨 胀腔进行了分析，由有限元法计算四极参数，从而预测传递损失。1 9 7 6 年a c r a g g s 进一步发展了有限元的方法，利用有限元法研究了消声器的消声特性。 直到1 9 7 8 年以前，所有的有限元法推导公式都是仪限于稳定介质状态的。1 9 7 9 年，r j a s t l e y 利用加权余量法和有限元法研究了具有流动介质的管道中声传 播的特征值问题。19 8 2 年k s p e a t 利用四端子参数有限元法评价了具有流动介 质的管道中的声传播，在他的研究中是以能量函数作为研究对象的。s f l i n g 提出了用伽辽金有限元法研究具有气流的管道声学问题的理论。19 8 7 年， m u n j a l 在其著作中详细介绍了有限元法用于计算消声器声学性能的理论和实 施过程。 2 0 世纪7 0 年代末发展起来的边界元法与有限元法相比具有许多优点。边 界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简写b e m ) 只在研究区域的边界进行单元划 分，将边界离散化，并通过联立方程式求解。而在研究区域的均匀介质内，则 用连续的数学物理方程求解。它只需在边界上进行离散并求解未知量，使问题 的维数降低一维，因而大大简化了数据准备工作，也减少了方程组的个数。 在消声器的声学数值计算方法发展的同时，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 也越来越多的应用在消声器的流场分析中，它可以 比较准确的分析消声器内的流速、压力和温度的分布情况，确定消声器内的紊 流区，预测消声器的阻力损失，定性研究阻力损失产生的原因等。同时考虑消 声器的声学特性和空气动力特性，将两种方法互补，有利于更加真实地模拟消 声器的实际工况。在这方面，有多位学者及公司进行了前瞻性的研究和实际的 应用。 与此同时，在数值分析理论逐渐发展完善的基础上，国外的一些公司开发 出了多种成熟的商业软件。声学领域比较著名的软件如l m s 公司的s y s n o i s e ， 计算流体力学领域比较有代表性的软件如f l u e n t 。这些软件的应用为消声器的 设计提供了一种有效的方法。 我国在这方面起步晚、经验少，基本是模仿国外的技术，进行了一些基础 性的研究，消声器设计水平与国外有较大的差距，我们的理论水平和实践经验 都有待提高。 1 4 本文研究的目的及内容 江淮汽车某型s u v 整车噪声过大，发动机排气系统噪声是其中的一个重要 因素，通过对其完整排气系统的声学性能和流场性能进行模拟仿真，找出其结 构不合理处，为排气系统的优化设计提供参考和依据。 本文主要任务是通过对江淮汽车公司某型s u v 排气系统的空气动力特性和 声学特性进行研究，建立排气系统的声学分析模型和流场分析模型，并进行相 应的分析工作，预测其消声性能和气体流动性能。基于分析结果，对排气系统 性能进行评价，考察是否满足消声量要求、排气背压是否符合要求等，并对不 合理的结构提出相应的改进措施建议，优化其消声和排气性能。最终达到消声 量大、消声频带宽，排气背压小、气流均匀的排气系统设计目标，为实际工程 应用提供参考和依据。丰要内容如下： ( 1 )研究排气噪声的产生机理和控制方法，详细了解消声器的消声原理以及 设计的目标和手段，掌握应用于消声器分析的基本声学理论和有限元、计 算流体动力学理论以及常用的分析方法，为下一步进行消声器的数值仿真 分析准备理论基础。 ( 2 )对基本消声元件进行理论计算和数值仿真，一方面通过将理论值与仿真 值的对比来验证数值方法的有效性和建模的准确性；另一方面，复杂消声 器都是由基本消声结构组合而成，而且消声频谱还具有叠加性，通过研究 消声元件的参数对声学性能和流场性能的影响，可以帮助我们进一步了解 复杂消声器的消声机理，为优化设计提供指导。 ( 3 ) 利用大型有限元前处理软件h y p e r m e s h 和声学软件s y s n o i s e 建立排 气系统的有限元模型，进行其声学性能的数值模拟，考察评价排气系统的 消声性能，得到系统内声场分布特性，同时研究温度、流速对消声性能的 影响。 ( 4 )应用前处理软件g a m b i t 和计算流体动力学软件f l u e n t 对排气系统 的空气动力性能进行数值仿真分析，得到系统内流速、压力和温度的分布 情况，预测排气系统的压力损失，确定气流分布情况，考察紊流区形成的 原因。研究影响阻力损失大小的因素。 ( 5 )根据流场和声场分析结果，对原排气系统的消声性能和空气动力性能进 行评价，对结构不足之处进行改进设计，提出切实可行的改进建议，从而 优化排气系统的消声性能和空气动力性能。 4 第二章消声器基础理论和数值分析方法 2 1 声学基础 我们的周围充满了声音，声音是由物体的振动引起的，物体的振动带动毗 邻的空气周期性地膨胀或收缩，产生压力，以波的形式经过媒介传播到人的耳 朵中，就感觉到了声音。噪声本质上也是一种声音，完全具有声音的属性，只 不过它是一种频率不规则的、人在主观上不喜欢的声音。声音的辐射、传播和 接收等要遵循一系列的物理规律。 2 1 1 声学基本概念 2 1 1 1 声压和声压级 当弹性介质受到声振动的扰动，介质各部分产生周期性的变化，膨胀时压 强增大，压缩时压强减小，由此产牛的相对于静止时的压强的改变量称为声压。 设介质静止时的压强为只，受扰动后介质压强由p o 变为丘，则声压为： p = p o e ( 2 1 ) 声波在传播过程中，同一时刻，不同的空间处的压强p 都不同，所以声压p 一般是时间和空间的函数。 因为声压的变化范围很大，从2 x1 0 - 5p a 到2x1 0 3p a ，如果直接用声压的绝 对值来度量声音的强弱很不方便。而且人耳对声音强弱的主观感受也并不是与 声压的绝对值成正比，而是接近于对数关系。因此声学中常用对数标度来衡量 声音的强弱。 声压级的符号用三p 表示，定义为声压有效值与基准声压的比值取常 用对数，再乘以2 0 ： p l p = 2 0 1 9 手( d b ) ( 2 - 2 ) i r 对 在空气中基准声压取为2 1 0 一p a 。 2 1 1 2 声强和声功率 通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能称为声强。在自由平面声 波或球面波的情况，声波在传播方向上的声强为： ，：竺( 2 3 ) p o c 式中：p 为有效声压，风为介质密度，c 为声速。 声强的大小与离开声源的距离有关，单位时间内声源辐射的声能是一定的， 离声源越远，声波辐射声能的面积越大，通过单位面积的能量越小，声强就越 小。 声功率反映的是声源辐射声能的能力，等于单位时间通过垂直于声传播方 向的面积s 的平均声能量。 2 1 1 3 声阻抗 类比电学中的阻抗概念，将介质表面的声阻抗定义为表面上的平均有效声 压p 对通过该表面上的有效体积速度u ( 质点振速v 和截面面积s 的乘积) 的比值： z ，= 旦 ( 2 4 ) ” 声阻抗的实数部分为声阻，虚数部分为声抗，声阻抗的倒数为声导纳。对 于全反射的刚性壁面，阻抗无穷大，导纳为零；对于吸声系数很高的材料，阻 抗很低，导纳很高。 声阻抗率是媒质中某一点的有效声压p 对该点的有效质点速度v 的比值： z 。= 旦 ( 2 5 ) 1 ， 在一自由平面声波中，某点的有效声压p 对该点的有效质点速度v 的比值， 称为特性阻抗。它等于媒质密度和声速c 的乘积，特性阻抗反映了介质的声学特 性。 2 1 2 声波方程 声音在介质中传播，作为流体介质，必须满足三个基本物理定律，即牛顿 第二定律，它描述了压力变化p 与质点速度v 的关系；质量守恒定律，它描述 了可压缩介质的密度变化p 与质点速度v 的关系；以及物态方程，它描述了密 度变化p7 与压力变化p 的关系。通过这些定律，可以导出声波方程。 声传播介质以及声传播过程基于以下假设： a 介质为理想流体，即无粘滞性，声波在传播过程中无能量损失，且介 质是均匀的，各向同性： b 声传播过程是绝热过程，与外界不存在热交换； c 声压p 远小于介质静压强只，质点速度v 远小于声速c ，质点位移远小于 声波波长，介质密度增量p 远小于静态密度风。 ( 1 ) 动力学方程 根据牛顿第二定律，作用在流体微团上的外力等于流体微团动量的变化 率，即可得出如下方程： 卯 - - p o 象 ( 2 6 ) 式中，v = j a i + 晏+ 兰七称为哈密顿算子，i , - - - v ，i + v y j + v ：后为速度矢量， o xa vo z p 为声压，p 。为流体密度。 ( 2 ) 连续性方程 根据物质不生不灭的质量守恒定律，单位时间内流体微团内质量的增量， 6 等于同一时l 日- j 间隔内流入该流体微团的净质量。表达成数学方程即为： 嗍v 一等 7 ， ( 3 ) 物态方程 由于声波的传播速度比热传播速度快的多，因此可以认为声波的传播过程 是绝热的过程，一定质量气体的绝热物态方程为： 每= 时= 时 ( 2 8 ) 式中，y 为气体定压比热容与定容比热容之比。 将只= r + 尸和p 。= p 。+ p 代入，然后对右端进行泰勒级数展开并忽略高阶 微量，得到物态方程： = c ：p ( 2 9 ) 兵中c ：2 线伽o 。 ( 4 ) 声波方程 由前述三式，经过简单数学处理，即可得出声波传播时应遵循的规律，即 声波方程： 俨肚专窘 式中，v 2 为拉普拉斯算子，在直角坐标系下v 2 = 等+ 矿0 2 + 导。 当消声元件的轴向尺寸远大于径l a j 尺寸时，可近似简化为平面波，即声压 只与一个轴向位置有关，则波动方程简化为一维波动方程： 磐：与窑(2=i i ) 舐2 c ：0 t 2 7 对于角频率为的简谐波，其通解为： p = 彳s ；n 文r 考) + 伊 c 2 - 2 ， 式中a 为声乐幅信击为初相付角 2 2 消声器结构及分类 消声器的种类很多，按照消声机理，可以分为五种主要的类型，即阻性消 声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器和有源消声器。 7 阻性消声器丰要是利用多孔吸声材料来降低噪声。把吸声材料固定在气流 通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。当声波进 入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉， 使通过消声器的声波减弱。阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果 较差。 抗性消声器是由截面突变的管和室组合而成的，在声传播过程中引起阻抗 的改变，产生声能的反射、干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能，达到消 声的目的。选取适当的管和室进行组合，就可以滤掉某些频率成分的噪声，从 而达到消声的目的。抗性消声器适用于消除中、低频噪声。常用的抗性消声器 有扩张室式、共振腔式、干涉式、穿孔板式等。 在实际的汽车发动机噪声中，噪声以宽频带居多。把阻性结构和抗性结构 按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器，以便在较宽的频率范 围内获得良好的消声效果。 微穿孔板消声器是在薄金属板上钻一些孔径较小的微孔，形成高声阻、低 声质量的吸声元件。选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消声器 的频谱性能，使其在需要的频率范围内获得良好的消声效果。 近年来，随着消声器结构形式的发展，出现了主动进行消声的有源消声器。 有源消声器的基本原理是在原来的声场中，利用电子设备产生一个与原来的声 压大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消。由于 主动消声器的成本较高，所以还未进入工程实践应用，仅限于理论研究方面。 2 3 消声器性能评价 一个性能良好的消声器应该符合在较宽的频率范围内具有足够的消声量。 消声器对气流的阻力损失或动能损耗要小，即有合理的空气动力性能。能耐高 温、耐腐蚀，机械性能好，工作可靠，使用寿命长。此外消声器壳体及内部隔 板刚度要好，以防激发强烈振动，辐射出噪声。消声器的外形尺寸应与整车协 调。形状结构简单，工艺性好，成本低等。 消声器的性能评价主要采用三项指标，即：声学性能、空气动力性能、机 械性能。 2 3 1 声学性能 消声器的声学性能包括消声量的大小、消声频带范围的宽窄两个方面。设 计消声器的目的就是要根据噪声源的特点和频率范围，使消声器的消声频率范 围满足需要，并尽可能地在要求的频带范围内获得较大的消声量。 消声器的声学性能可以用各频带内的消声量来表征。通常有四种度量方法： 传递损失亿、末端降噪量脚、插入损失l 儿、和声衰减量缸一。 传递损失盯定义为消声器进口声功率级与消声器出口声功率级的差值， 传递损失的数学表达式为： 轩1 0 l g 景嘞一l ( 2 - 1 3 ) 式中，三亿为消声器的传递损失，形为消声器进口的声功率，为消声器 出1 ：3 的声功率，啊为消声器进口的声功率级，为消声器出口的声功率级。 消声器的传递损失三n 是消声器本身所具有的特性，它受声源与环境的影 响较小。 末端减噪量l 胍也称末端声压级差，它是指消声器输入端与输出端的声压 级之差。计算公式如下： l n r = l 只一l b ( 2 - 1 4 ) 插入损失，定义为装消声器前与装消声器后在某给定点的平均声压级之 差： l 【l = l r l 巴 ( 2 1 5 ) 对于阻性消声器插入损失与传递损失相近，而对于抗性消声器来说，插入 损失一般要比传递损失稍低。采用插入损失评价消声器效果，对现场环境要求 低，适应各种现场测量，如高温、高流速或有浸蚀作用的环境中。但是插入损 失值并不单纯反映消声器本身的效果，而是声源、消声器及消声器末端三者的 声学特性的综合效果。 声衰减址。也是比较常用的一种评价参数，它是声学系统中任意两点间声 功率级之差，反映了声音沿消声器通道内的衰减特性，以每米衰减的分贝数 ( d b ) 表示。声衰减量能够反映出消声器内的消声特性及衰减过程。 2 3 2 空气动力性能 消声器的空气动力性能是评价消声性能好坏的另一项重要指标，它反映了 消声器对气流阻力的大小，消声器的空气动力性能用阻力系数或阻力损失来表 示。 阻力损失是指气流通过消声器时，消声器出口端的全压比进口端全压的差 值。消声器的阻力损失大小是与使用条件下的气流速度大小有密切关系的。阻 力损失分两大类，一类是摩擦阻力损失，另一类是局部阻力损失。 摩擦阻力损失必是气流与消声器各壁面之间的摩擦而产生的阻力损失， 可用下式计算： 嵋= 万l 百p v 2 9 ( 2 1 6 ) 式中，为摩擦阻力系数，l 为消声器的长度，d 。为消声器的通道截面等效 直径，p 表示管道内气体密度，v 为管道内气流速度，g 为重力加速度。 局部阻力损失表示气流在消声器的截面突变处( 如扩张或收缩) 所产 生的阻力损失，局部阻损可用下式估算： 叱= 善譬( 2 - 1 7 ) 式中，毛为局部阻力系数，与结构形式有关。 消声器总的阻力损失，等于摩擦阻力损失与局部阻力损失之和，即： 华= 蟛+ 哩 ( 2 - 1 8 ) 一般而言，在阻性消声器中以摩擦阻损叱为主；在抗性消声器中以局部 阻损起为主。气流的阻力损失( 无论是摩擦阻力损失还是局部阻力损失) 都与气 流速度的平方成正比。当气流速度增高时，阻力损失的增加要比气流速度的增 加快得多。因此，如果采用较高的气流速度，会使阻力损失增大，使消声器的 空气动力性能变坏。在设计消声器时，从消声器的声学性能和空气动力性能两 方面来考虑，都以采用较低的流速为利。 2 3 3 机械性能 消声器机械性能是指它的外形尺寸、坚固程度、维护要求、使用寿命等， 它也是评价消声器性能的一项指标。 好的消声器除应有好的声学性能和空气动力性能之外，还应该具有体积 小、重量轻、结构简单、造型美观、加工方便、同时要坚固耐用、使用寿命长、 维护简单和造价便宜等特点。 评价消声器的上述三个方面的性能，既互相联系又互相制约。从消声器的 消声性能考虑，当然在所需频率范围内的消声量越大越好，但是同时必须考虑 空气动力性能的要求。例如，汽车上的排气消声器如果阻损过大，会使功率损 失增加，甚至影响车辆行驶。在兼顾消声器声学性能和空气动力性能的同时， 还必须考虑结构性能的要求，不但要耐用，还应避免体积过大、安装困难等情 况。在实际消声器的设计中，应综合考虑这三个方面的要求，力求达到一种均 衡状态。 2 4 数值分析方法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是力学、数学、计算方法、 计算机技术等多种学科综合发展和结合的产物。科学技术领域的许多工程分析 问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、传热学中温度场分析、流体力学 中的流体分析、振动特性分析以及电磁学中的场分析等，都可归结为在给定边 界条件下求解控制方程的问题。但是，这些问题中，能用解析方法求出精确解 1 0 的只是少数方程性质比较简单，而且几何形状相当规则的问题。对于大多数工 程技术问题，由于求解对象的几何形状比较复杂，或者是问题的非线性性质， 无法得到问题的解析解。因此，数值法求解便成为了一种不可替代的广泛应用 的方法。在工程技术领域，常用的数值分析方法有：有限元法、边界元法、有 限差分法和有限体积法等，其中有限元法数学逻辑严谨、物理概念清晰、能灵 活处理和求解各种复杂的问题，成为当今工程问题中应用最广泛的数值计算方 法。 2 4 1 有限元的基本思想 有限元法的实质是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，化无限 自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的微分方程的求解问题转化成有 限个参数的代数方程组的求解问题。其基本思想是先化整为零、再积零为整， 也就是把一个连续体人为分割成有限个单元，将结构看成由若干通过结点相连 的单元组成的整体。 首先，将表示结构的连续体离散为若干个子域，单元之间通过其边界上的 结点相连接成组合体。 其次，用每个单元内所假设的近似函数分片地表示全求解域内待求的未知 场变量。每个单元内的近似函数用未知场变量函数在单元各个结点上的数值和 与其对应的插值函数表示。由于在连接相邻单元的结点上，场变量函数应具有 相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量，将求解原函数的无穷多 自由度问题转换为求解场变量函数结点值的有限自由度问题。 最后，通过和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解基 本未知量的代数方程组或常微分方程，应用数值方法求解，从而得到问题的近 似解。 2 4 2 声学有限元模型【3 6 】 有限元法是求解声波偏微分方程的重要方法，也是消声器仿真设计的一个 主要方法。如图2 1 所示，v 是整个求解域，s 1 、s 2 、s 3 是v 的边界，p