一種新型消聲器的設(shè)計和試驗研究

1、一種新型消聲器的設(shè)計和試驗研究張文平 , 柳貢民 , 田華安 , 張新玉 , 季振林(哈爾濱工程大學(xué) 動力與核能工程學(xué)院 , 黑龍江 哈爾濱 150001摘 要 :針對某型柴油機排氣噪聲頻譜特性 , . Fluent 對 消聲器的阻力損失進行了仿真計算 , , 進行了仿真計算 , . 理論與實驗結(jié)果均表明 , 所 , (A . 關(guān)鍵詞 :排氣消聲器 ; ; 中圖分類號 :1006-7043(2004 05-0627-04experimental study of new type of exhaust silencerZHAN G Wen-ping ,L IU G ong-min , TIAN

2、 Hua-an ,ZHAN G Xin-yu ,J I Zhen-lin(School of Power and Nuclear Energy Engineering ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China Abstract :The design process of a new type of exhaust silencer for some diesel engine models was discussed. Pres 2sure loss of the muffler was emulated and calculat

3、ed with FL U EN T software , and the scheme with less pressure loss was brought forward. The silencer s transmission loss was also calculated with acoustical software SYS 2NO ISE which carried on the finite element method. Finally an experiment was done to measure the silencer s inserting loss in co

4、ndition without airflow. The results of emulation and experiment shows that in the whole fre 2quencies considered of the diesel engine , this design can achieve the acoustic reduction of 25dB (A . K ey w ords :exhaust silencer ;insert loss ;transmission loss ;finite element method ;diesel engine收稿日期

5、 :2003-09-15.作者簡介 :張文平 (1956- , 男 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 . 柴油機是工業(yè) 、 農(nóng)業(yè) 、 國防建設(shè)等各行業(yè)中廣泛 使用的動力設(shè)備之一 . 柴油機工作時產(chǎn)生的氣動噪 聲 、 燃燒噪聲和機械噪聲等構(gòu)成柴油機的主要噪聲 源 . 其中以排氣系統(tǒng)的氣動噪聲最為突出 , 成為環(huán)境 噪聲污染的主要因素 . 降低排氣噪聲的最有效的方 法是采用排氣消聲器 . 因此 , 研制高效 、 低阻的排氣 消聲器是降低柴油機噪聲的首要措施 .消聲器是一種能阻礙聲音傳播而容許氣流通過 的裝置 , 有抗式消聲器 、 阻式消聲器和阻抗復(fù)合式消 聲器等結(jié)構(gòu)形式 1. 阻抗復(fù)合式消聲器綜合了抗式

6、和阻式兩種消聲器的特點 , 在一個很寬的頻率范圍 內(nèi)具有良好的消聲性能 . 消聲器設(shè)計應(yīng)該具有較好 的聲學(xué)性能及氣動性能 , 還要求結(jié)構(gòu)簡單 、 制造工藝 性好 、 體積小 、 成本低 、 工作可靠和使用壽命長 . 在實 際設(shè)計中 , 要同時滿足這些要求是困難的 , 必須進行權(quán)衡和折衷 .該工作根據(jù)某型柴油機排氣噪聲的特性 , 在 119m 3的空間尺寸內(nèi) 、 排氣溫度 500 和排氣量 8m 3/s 的條件下 , 設(shè)計了一種新型二腔阻抗復(fù)合式 消聲器 . 經(jīng)現(xiàn)場靜態(tài)聲學(xué)試驗 , 插入損失達 25dB (A 以上 , 阻力損失小于 118kPa.1 某型柴油排氣噪聲頻譜特征柴油機的排氣噪聲頻譜

7、特性較為復(fù)雜 , 它包括 以排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲 、 管道內(nèi)氣柱共振噪 聲 、 排氣岐管處氣流吹氣聲 、 廢氣噴注和沖擊噪聲 、 氣缸亥姆霍茲共振噪聲以及排氣系統(tǒng)管道內(nèi)表面的 紊流噪聲等 2. 利用柴油機排氣噪聲頻譜來確定不 同頻率下所需取得的消聲量是消聲器設(shè)計中很重要 的工作 . 某型柴油機額定功率下排氣噪聲 1/3倍頻 程譜如圖 1所示 .第 25卷第 5期 哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 Vol. 25 . 52004年 10月 Journal of Harbin Engineering University Oct. 2004 圖 1 某型柴油機不帶消聲器排氣噪聲 1/3倍頻程

8、譜 Fig 11 1/3octave band spectrum of exhaust noise of a type of diesel engine without silencer=. (1 式中 :n , r/min ; z 為柴油機氣缸數(shù) ; 為沖程系數(shù) , 四沖程機為 2, 二沖程機為 1.由式 (1 計算得到某型柴油機排氣噪聲基頻為 26617Hz , 分頻為 13314Hz , 倍頻為 53314Hz. 欲獲 得 25dB (A 的消聲量 , 主要取決于 125Hz 1kHz 這 4個倍頻帶消聲量 . 根據(jù)柴油機排氣噪聲譜 , 同時 考慮到 A 計權(quán)修正的影響 , 在這 4個頻

9、帶上應(yīng)有 25 dB 以上的消聲量 , 才能取得比較理想的消聲效果 .2 消聲器的設(shè)計柴油機排氣消聲器采用擴張室式的較多 , 但單 級擴張室式消聲器難以滿足消聲量要求 , 因此多數(shù) 采用多級擴張串接形式 , 但級數(shù)不宜過多 , 以 24級為宜 3,4. 當級數(shù)超過 4時 , 消聲量增加很少 , 而 功率損失卻相對增加較多 , 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 . 由于結(jié)構(gòu)尺 寸和重量的限制 , 本文設(shè)計的柴油機排氣消聲器采 用 2級阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu) , 如圖 2所示 . 其中敷設(shè)在內(nèi) 接插管及消聲器筒體內(nèi)表面的吸聲材料既改善了消 聲器的高頻消聲性能 , 又可起到隔熱作用 . 腔室之間 的隔板和插管對進口氣流造成了阻擋

10、 , 但可避免高 頻聲直通透射 .這里應(yīng)用流體軟件 Fluent 對如圖 2所示結(jié)構(gòu) 的阻力損失進行了仿真計算 . 結(jié)果顯示當流速為 60m/s 時 , 消聲器的阻力損失為 21 68kPa , 超過消聲 器的阻力損失應(yīng)不大于 118kPa 的設(shè)計要求 . 為了 改善該消聲器的流體動力性能 , 作了如圖 3所示的 改進 . 仿真計算表明該方案的阻力損失只有 1134 kPa , 阻力損失較好地滿足了設(shè)計要求 . 圖 4給出了 兩種不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場分布情況 . The sketch map of the exhaust silencer圖 3 改進后的消聲器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 13 The st

11、ructure of exhaust silencer after mend圖 4 改進前后兩種消聲器內(nèi)部的流場分布Fig. 4 The path lines in two differentstructure of exhaust silencer3 用有限元法計算消聲器傳遞損失 消聲器的聲學(xué)性能分析常用的數(shù)值方法有矩陣 法 、 有限元法 、 有限元 +邊界元法等 . 目前已出現(xiàn)了 較成 熟 的 有 限 元 軟 件 和 邊 界 元 軟 件 如 ANSYS , SYSNO ISE 等 5. 其中 , SYSNO ISE 軟件既可選用 有限元技術(shù) , 又可選用邊界元技術(shù) . 該軟件的優(yōu)點是 對聲

12、場的后置處理功能很強 , 可計算結(jié)構(gòu)的輻射聲 功率 、 激勵力的輻射聲功率效率 、 矢量聲強 、 聲場的 質(zhì)點振速分布 、 遠場指向性等 . 這里把這兩套軟件聯(lián) 合起來使用計算消聲器的聲學(xué)性能 (傳遞損失 , 即 先用 ANSYS 軟件建立消聲器的結(jié)構(gòu)模型 , 進行網(wǎng) 格劃分 , 然后利用 ANSYS 2SYSNO ISE 接口將模型826 哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 第 25卷導(dǎo)入到 SYSNO ISE , 用 SYSNO ISE 軟件計算消聲器 的傳遞損失 .采用流固耦合作用模型 , 整個流體城內(nèi) , 描述完 全耦合的結(jié)構(gòu)流體運動方程 , 分別對結(jié)構(gòu)和流體的 單元進行離散 , 用統(tǒng)

13、一的矩陣形式表示流體壓力和 結(jié)構(gòu)位移分量的依賴關(guān)系 6:M Se 0R fe M f e u ¨e p ¨e + C Se 00C fe u e p e +K S e R fe 0K feu e p e =F Se 0. (2式中 :為介質(zhì)密度 , R fe 用 , M 為質(zhì)量矩陣 陣 . 上標 s 和 , p e 、 u e 分別為 . (2 可以同時獲得結(jié)構(gòu)表面 S 上的位移和聲壓 .利用上述有限元法得出消聲器試驗件在靜態(tài)條 件下的傳遞損失 . 圖 5給出了計算結(jié)果的線譜 .圖 5 有限元法計算的消聲器傳遞損失線性譜Fig 15 The linear spectrum

14、of silencer s transmissionloss calculated by finite element method4 消聲器的消聲性能 (插入損失 IL 試驗 該試驗是將試驗臺系統(tǒng)放在空曠的場地 , 進行 靜態(tài)白噪聲消聲試驗 . 試驗臺架如圖 6所示 . 試驗所 選用的儀器為 :帶通濾波器 、 白噪聲信號發(fā)生器 、 多 面體聲源和功率放大器 . 帶通濾波器的濾波帶寬定 為 2010000Hz.插入損失是裝置消聲器前后所測得的排氣管外 某定點處的聲功率級之差 . 若聲場分布情況保持不變 , 那么插入損失是在給定測點處 , 裝置消聲器前后聲壓級之差 ,IL =L p 1-L p

15、2. (3 式中 :L p 1未接消聲器時某點測得聲壓級 , L p 2接入消聲器后某點測得聲壓級 .圖 6 排氣消聲器模擬試驗臺示意圖 Fig 16 Sketch of simuleted test rig of exhanst silencer圖 7給出了加裝替換管和加裝消聲器兩種狀態(tài)下試驗結(jié)果的倍頻程譜 .圖 7 靜態(tài)白噪聲放聲試驗得到的試驗結(jié)果 Fig 17 The experimental data achieved by staticwhite noise experiment926 第 5期 張文平 , 等 :一種新型消聲器的設(shè)計和試驗研究5 結(jié)束語針對某型柴油機排氣噪聲頻譜特性

16、 , 設(shè)計了一 種阻抗復(fù)合式排氣消聲器 ; 通過在該消聲器筒體內(nèi) 表面敷設(shè)吸聲棉氈 , 不僅解決了中 、 高頻段內(nèi)的排氣 噪聲 , 同時隔離排氣高溫向外的輻射 ; 消聲器腔室之 間的隔板和插管雖對進口氣流造成了阻擋 , 但可避 免高頻聲直通透射 , 而在進 、 出口管及中間內(nèi)插管采 取的導(dǎo)流措施則有效地降低了阻力損失 ; 理論與實 驗結(jié)果均表明所設(shè)計的排氣消聲器在柴油機排氣分 頻 、 主頻處都有較寬的消聲帶 , 中 、谷由多孔材料的吸聲效果予以補充 .噪聲 需 考 慮 的 頻 帶 內(nèi) , 該 消25dB (A .參考文獻 :1趙松嶺 . 噪聲的降低和隔離 (下 M .上海 :同濟大學(xué)出 版社

17、,1983.ZHAO S ong-ling. Noise reduction and insulation (Second part M .Shanghai :The Publishing Company of Tongji U 2 niversity , 1983.2劉麗萍 . 存在氣流時消聲器消聲性能的實驗研究 J.內(nèi)燃機工程 ,2001, 22(1 :54-57.L IU Li-ping. The experimental study on the sound elimina 2 tion performance of mufflers with air-flow J .Chinese

18、Internal Combustion Engine Engineering , 2001, 22(1 :54 -57,61.3王言寧 . 6310發(fā)動機排氣消聲器的設(shè)計 J.黃河汽車 , 1995(2 :12-16.WAN G Y an-ning. The design of muffler for engine 6130J.Automobile of (2 :12-16.4. -1J. ( -45.on the design of model S195-1 of low back-pressure J.Journal of Hunan University , 1990,13(7 :41-

19、45.5藍 軍 , 史紹熙 , 郝志勇 . 發(fā)動機排氣消聲器傳聲特性的 計算研究 J.內(nèi)燃機學(xué)報 ,2001,19(3 :275-278.LAN J un ,SHI Shao-xi , HAO Zhi-yong. Study on the calcu 2 lation of the acoustical transfer property of exhaust muffler J.Transaction of CSICE ,2001,19(3 :275-278.6CHENG C Y R ,SEY BERT A F. A multi 2domain boundary element soluti

20、on for silencer and muffler performance predic 2 tionJ.Journal of S ound and Vibration ,1991,151:119-129.責(zé)任編輯 :李玲珠 (上接 613頁 經(jīng)波浪模擬測試 , 該造波機的造波周期為 0. 4 4s. 在船舶的泊穩(wěn)試驗中 , 研究船舶的斷纜情況需 要產(chǎn)生較長周期的波浪 , 這一點是很重要的 , 本設(shè)備 具有這種能力 , 可滿足要求 .本造波系統(tǒng)經(jīng)過技術(shù)改進 , 在二維非規(guī)則波模 擬方面 , 不僅可模擬國際水池會議規(guī)定的標準波譜 , 而且還能夠模擬任意海域的實測譜 , 因此可用于開 發(fā)適應(yīng)于

21、特定海域的新船型 .參考文獻 :1文圣常 , 余宙文 . 海浪理論與計算原理 M .北京 :科學(xué)出 版社 ,1984年 .WEN Sheng-chang , YU Zhou-wen. The wave theory and calculation principleM .Beijing :SciencePress , 1984. 2SAND E. Design and construction of the DHI 3-D wave basin R .Lyngby :Technical University of Denmark , 1984.3ANDERSON C H ,JOHNSON B. A com puter controlled wave generation system for the US naval academy A . Proc 18th American Towing Tank Conf C .Michigan ,1977.4HE Wu-zhou , DUAN Wen-yang. Fully nonlinear calcula 2 tion of 2-D water wave generated by rocker flap wave maker J.Journal of