摩托车消声器传递损失的仿真模拟计算.doc

摩托车消声器传递损失的仿真模拟计算发表时间：2009-4-25 赵晶 牛文博 刘玉超 王韬 来源：LMS关键字：CAE LMS 消声器 传递损失 有限元 信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本使用声学软件的有限元方法计算摩托车消声器的传递损失，根据传递损失曲线可以得知消声器消声效果较差的频率范围，有针对性地进行结构改进。对改进以后的消声器重新进行传递损失的计算，可以避免试制消声器的麻烦而通过模拟分析来查看改进效果，节省开发时间和成本。 燃油摩托车的排气废气与噪声是摩托车给环境带来威胁的两个根源，本文通过模拟仿真从噪声的角度来研究摩托车消声器，计算消声器的传递损失，寻找消声效果差的频率范围作为消声器优化改进的重点，也可以为新设计的消声器的消声性能进行预测。 1 有限元方法 有限元法适合封闭区域，求解区域内部的噪声，可以预测其共振频率和声-振模态，能够计算特定时域或频域已知激励产生的声-振响应，还可以考虑流体流动作用对模型计算结果的响应。本文选择有限元方法计算消声器的传递损失。 同时还可以使用边界元方法计算消声器的传递损失。边界元建模主要是模拟仿真消声器内部介质的边界，然后根据计算所得的边界结果得到内部关注位置的结果，计算过程要求单元法向指向有流体侧，需要再次计算；有限元建模主要是模拟仿真消声器内部介质的实体，直接计算各个单元和节点的结果，计算过程要求单元法向相同，无需再次计算。边界元与有限元相比，计算时间短，但后处理复杂。 有限元模型基本假设： (1)消声器中的媒质为理想流体； (2)媒质中传播的是小振幅声波，符合线性传递关系； (3)声传播是绝热过程； (4)媒质的静态压强和静态密度都是常数； (5)消声器为刚性管壁组成，声波不会透过管壁向外辐射。 2 传递损失 对于进出口不等截面积的传递损失公式为 这里Pi为入口处声压；Po为出口处声压；Si为入口截面积；So为出口截面积；为介质密度；c为声波在介质里面的传播速度；vi为入口处粒子振动速度。3. 建立模型、计算、查看结果 3.1 建立模型 只需要建立消声器内部介质的仿真模拟，对于因为消声器的内部结构造成的介质不连通可以使用两边介质网格不共节点的方法，为保证计算精度，对于线性模型划分的最大单元的边长应小于计算频率最短波长的1/6。 3.2 计算 由于传递损失是消声器的固有属性所以可以通过在消声器入口添加单位振动速度来计算出口处的响应从而得到传递损失。整个消声器为刚性壁管组成所以声波不会由管壁透出，只会在管壁位置发生完全反射，只有出口位置会使声波透出，为代表出口与外界大气相通可以将出口位置的阻抗设为与大气阻抗相同。某消声器由三个扩张腔组成，总长度为520mm，整体半径为45mm，入口截面半径为16mm，出口截面半径为10mm。具体结构如图:图1 原消声器结构 3.3 查看结果 使用Virtual Lab软件计算进出口声压，然后利用传递损失的计算公式，可以得到传递损失曲线。此消声器的计算结果为：图2 消声器整体的传递损失曲线 这个消声器的低频和高频部分消声效果较差，对每个消声扩张腔单独分析得到。图3 第一腔消声传递损失曲线 图4 第二腔消声传递损失曲线 图5 第三腔消声传递损失曲线 4 消声器的改进 根据各腔的传递损失曲线可以看出，第一腔具有消声效果较差的频率范围，第二腔的消声量相对较小，所以改进重点主要为这两个腔的结构和尺寸。对于由入口管、腔体、出口管组成的简单扩张腔，影响扩张腔消声量的结构尺寸主要为尾端管的截面半径、扩张腔长度、尾端管的长度（伸入扩张腔部分与伸出扩张腔部分长度之和），首端管的截面半径、首端管的长度（伸入扩张腔部分与伸出扩张腔部分长度之和）、首端管的深入腔体长度、尾端管的伸入腔体长度对消声量的影响较小。 根据各腔的传递损失曲线寻找结构尺寸的改变方法，渐变的微量缩小每个扩张腔尾端管的半径尺寸，适当增大第二腔的腔体长度，各腔的首端管和尾端管的长度不变，首端管与尾端管插入和伸出腔体的长度不变。改变后的消声器与改变前的消声器相比不会对发动机的功率、转矩、油耗造成影响。改变前后消声器的传递损失变化如图所示 图6 改变前后的消声器传递损失变化量 改变以后比改变以前的传递损失平均增大2.9分贝，结构尺寸的改变主要改善低频部分的消声性能（本消声器低频部分传递损失平均增加5.9分贝），而对高频部分的消声效果改善不明显（本消声器高频部分传递损失平均增加1.1分贝），对于高频消声效果的改进还需添加吸声材料、穿孔管等建立更加复杂的消声器结构。 因为仿真模拟为降低计算的复杂程度没有考虑消声器内部气流的流速作用，但是考察的结果是改进前后消声器传递损失的变化，是消声器本身结构的特性，所以忽略