基于Virtual Lab的汽车消声器声学性能优化

1、基于Virtual Lab的汽车消声器声学性能优化基于VirtualLab的汽车消声器声学性能优化论文联盟.Ll.引言消声器的声波符合平面波的规律，早从1950年代开场其相关的理论研究。1960年日本IgarashiJ和Arai提出四端网络理论1，即每个消声但与采用四极参数矩阵来表示，但该方法仅限于构造简单的低频分析。1973年unjal利用传递矩阵计算预测管道系统的声学性能2，随后又推导了无流和有流情况下的几种消声器构造的传递矩阵3。1987年美国肯塔基大学Seybert采用边界元法研究消声器声场4，该方法精度高、数据量少，但是局限于对具有对称构造的消声器在低频段的分析。2022年季振林使用

2、一维解析法和三维子构造边界元法预测直通穿孔管消声器的消声性能，指出一维理论的有效频率范围5。1976年加拿大raggsA最早采用有限元方法研究复杂构造的消声器6，并证明有限元法在中低频有非常好的精度，随着计算机的开展，该方法在消声器的研究领域里有了长足的开展。尽管有限元方法存在原始数据量大、离散误差等问题，但目前而言它仍不失为分析复杂声场的非常有效的方法。有限元与边界元相比，最大的优势在于可对内部具有复杂穿孔构造的消声器通过阻抗公式进展简化分析，大大减少计算量。关于穿孔构造阻抗公式的研究，康钟绪提出了新的修正参数7。本例基于最新版本的VirtualLab，建立六面体单元对当前一款量产轿车的消声

3、器的声学性能进展分析。1三维声学有限元理论假设不考虑空气的粘性、热传导性等因素，由有限元声学理论可知，声场的三维波动方程：p-=01应用变分原理得到的亥姆霍兹方程为：p+kp=02式中为拉普拉斯算子，k0为波数。先对空气建立离散化模型，再由伽辽金法建立离散化方程NN+NkNdV=03式中为所有节点的速度势矩阵。代入边界条件v=-|由v=-、p=解算出各节点的速度和压力。2建立声学有限元模型本文对整套消声器的第3号消声器进展分析。消声器的原始几何模型非常复杂，需要对结果影响不大的几何特征作简化。例如倒圆角特征，还有把入口管道和出口管道化曲为直，便于后期的建立网格。消声器内部空气的网格模型采用Hy

4、peresh建立。该消声器为双插入管双腔型，入口管带有2处穿孔面，出口管带有1处穿孔面。对大量穿孔建立三维网格单元的模型比拟困难，所以本例采用传递导纳的方法，即建立穿孔面板的外外表单元与内外表建立传递导纳关系，相当于使得它们之间处于部分连通。出口管的穿孔面由于一小部分与I腔连通，另一部分与出口管的套筒内部空气连通，故在建立网格单元时要分开处理。Hyperesh无法通过自动生成的方式建立六面体单元，因此必须先建立二维面网格，再通过拉伸、旋转等方法建立三维网格。对于内部构造复杂的消声器采用分块建立三维网格，再把应该完全连接的单元节点等效equivalene起来，使之全连通。建立网格时还必须注意块与

5、块之间的有机联络，否那么到了建模后期部分的网格有可能无法等效。通常需要反复调整分块的方法才能使整体等效。最后还要检验并优化三维网格单元的质量，使质量不良的单元控制在一定的比例之内。3确定传递阻抗和边界条件原方案的消声器三处穿孔面的穿孔率分别为23.42%、21.98%、44.82%，板厚为1.2。再根据ehel经历公式计算，得到各个穿孔面的阻抗Zpi，从而得到四端网络矩阵的各个参数，即可导入VirtualLab建立起传递导纳关系89。改良方案在原来的根底上，在腔与腔之间的隔板增加穿孔构造10。图3入口处外表节点的边界速度设置为-1/s，出口处的外表设置吸收材料，其阻抗特性0=416.5kg/2

6、s。壁面设置为刚性壁面，吸声系数为0。4计算结果4.1声衰减量在入口管道和出口管道的中央节点上分别设置入口点，出口点。声衰减量为入口的声压级减去出口的声压级，即：NR=L-L=20lg4为进步插入损失，文中采取的主要改良措施是对两腔之间的隔板增加穿孔构造。图4给出了优化前后在02200Hz频率范围内的插入损失比照曲线，可以看出，140260Hz低频范围获得明显的改善，而310710中频范围内略有下降，中高频段可认为变化不大。4.2传递损失传递损失为入口出入射声压级减去出口处透射声压级。这里的出口处由于设置了阻抗特性为=416.5kg/2s，没有反射声压，故出口处的声压即为透射声压。而入口出声压

7、由于存在反射声压，因论文联盟.Ll.此入口节点测得的声压包含了入射声压和反射声压11。根据公式：p=p+p5u=p-p6消去p得到公式：p=p+u/2其中u为质点的振动速度，由于消声器声波传递符合平面波的规律，所以其方向平行于管道的中轴线。以上公式的声压均为复数形式。把入口节点的速度矢量V=V，V，V提取出来，与管道中轴线的单位向量点乘，获得的V在上的速度投影，即为所求的质点振动速度u，该值也是复数形式，代入下式：TL=20lg=20lg7即可得到各个频率的传递损失。结果如图5。原模型在低频段的消声效果比拟弱，在60Hz处的共振峰获得19.4dB的消声量，而在130Hz处共振谷的消声效果最差，

8、获得37.4dB的增益。改良方案在190Hz获得40.3dB的消声量，它是由原方案在60Hz的共振峰经过共振加强、频率迁移过来的，在190Hz频率附近获得比原来高20dB。而在270Hz获得43.8dB的增益，虽然增益较原来较强了一点，但带宽较原来变狭窄。改良方案在320-710Hz比原方案的消声量降低410dB，但是可通过吸声材料来消减中频。高于710Hz的变化不大，消声效果的提升非常有限。因此建议尝试对隔板加工出一定穿孔率的穿孔构造，再进展台架声学实验来验证改良方案的实际效果。5总结三维声学有限元方法是为预测消声器传递损失提供了一个快速而有效的方法，对设计、分析和改良消声器的声学性能提供一定的根据。六面体网格模型与四面体模型相比，不但精度更高，而且还可以根据四端网络的方法建立传递导纳关系，从而简化了穿孔构造带来的复杂的网格和庞大的计算量。插入损失总体上小于传递损失，但在某些频率上插入损失有可能