汽車消聲器傳遞損失分析

汽車消聲器傳遞損失分析

汽車消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)隨著汽車工業(yè)和城市交通的發(fā)展，汽車產(chǎn)量日益增加，汽車噪聲問題變得越來越突出。據(jù)國外資料統(tǒng)計,汽車所輻射的噪聲占整個環(huán)境噪聲能量的75%。因此,汽車噪聲是目前環(huán)境噪聲中最主要的噪聲源。而排氣噪聲是汽車噪聲中主要的噪聲源之一,安裝消聲器是減小排氣噪聲最簡單最有效的方法。故研制高效實用的消聲器一直是汽車噪聲控制行業(yè)追求的目標(biāo)。消聲器的設(shè)計方法主要包括有限單元法、邊界單元法、聲傳遞矩陣法。有限單元法在消聲器設(shè)計中應(yīng)用較多,尤其是復(fù)雜腔體消聲器。但是,消聲器一旦進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),整個聲場分析都要重新開始。因此,該方法的重復(fù)性工作較多,計算周期較長。邊界單元法還不夠成熟,求解誤差較大,此方法應(yīng)用較少。聲傳遞矩陣法適用于形狀相對簡單、較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)。該方法首先將消聲器分解為若干個消聲單元,然后計算各消聲單元的傳遞矩陣,再根據(jù)各消聲單元的串并聯(lián)關(guān)系,得到的傳遞矩陣即為消聲器的聲傳遞矩陣。在消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)中,采用軟件編程,只需改變某些參數(shù)就能實現(xiàn)消聲器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。所以,該方法的重復(fù)性工作較少,計算周期較短。本文根據(jù)聲傳遞矩陣法,對一種汽車消聲器的傳遞矩陣進(jìn)行分析,根據(jù)得到的聲傳遞矩陣計算消聲器的傳遞損失。并利用MATLAB軟件,分別分析進(jìn)氣管內(nèi)伸長度、排氣管內(nèi)伸長度、支撐板間距、穿孔直徑、穿孔管壁厚、穿孔管直徑對消聲器傳遞損失的影響。1聲音傳輸矩陣法1.1基本假設(shè)聲波在消聲器內(nèi)部傳遞時,涉及較多因素,為分析方便,特引入以下假設(shè)。(1)線性假設(shè)假定伴隨聲波隨時間變化的量都是小量,忽略上述變量的高階小量,故消聲器內(nèi)部的傳播規(guī)律可以用線性化波動方程表示。(2)聲能不透過熱管向外輻射的特性假定聲波在消聲器內(nèi)部傳遞過程中,聲能不會透過管壁向外輻射,也不存在粘滯性和熱傳導(dǎo)等因素引起的聲吸收。即聲波在消聲器內(nèi)部沒有能量的損耗。(3)均勻流動假設(shè)假定氣流沿管道橫截面各處流速相同,即氣流在消聲器內(nèi)部均勻流動;并設(shè)氣流速度與聲速比值M(馬赫數(shù))為小值。(4)均勻參數(shù)假設(shè)假定靜壓、介質(zhì)密度、溫度以及聲速等反映介質(zhì)特性的參數(shù)沿軸向各處相同,故這些參數(shù)按實常數(shù)處理。(5)平面波假設(shè)假定管道內(nèi)沿軸向傳播的聲波近似為平面波,即沿管道橫截面上聲壓和質(zhì)點速度等參數(shù)相同。1.2單元特性確定由平面波假設(shè),沿管道系統(tǒng)截面上的聲學(xué)狀態(tài)可以用聲壓p以及體積速度U兩個狀態(tài)參數(shù)來表示。由線性化假設(shè)可知,消聲單元兩側(cè)界面上的狀態(tài)參數(shù)是線性相關(guān)的。對于一個消聲單元,由一側(cè)的狀態(tài)參數(shù)可以確定另一側(cè)的狀態(tài)參數(shù),故任意給定單元的特性相當(dāng)于一個四端網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)的計算原理,可得入口聲壓p1、體積速度U1與出口聲壓p2、體積速度U2的關(guān)系如下式所示{p1=Ap2+BU2U1=Cp2+DU2(1){p1=Ap2+BU2U1=Cp2+DU2(1)若用矩陣表示,如下式所示[p1U1]=[ABCD][p2U2]=Τ[p2U2](2)[p1U1]=[ACBD][p2U2]=T[p2U2](2)式中T為消聲結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣;A,B,C,D為四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù),僅與消聲結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中,A為斷開傳遞系數(shù),B為短路傳遞阻抗,C為斷開傳遞導(dǎo)納,D為短路傳遞系數(shù)。1.3聲傳遞損失評價評價消聲器的性能,主要考慮消聲器的聲學(xué)性能。消聲器聲學(xué)性能常用傳遞損失和插入損失來評價,現(xiàn)采用傳遞損失評價。根據(jù)聲傳遞矩陣的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算傳遞損失,如下式所示ΤL=20lg(12|A+BΖr+CΖr+D|)(3)TL=20lg(12∣∣A+BZr+CZr+D∣∣)(3)式中TL為傳遞損失(dB);Zr為尾管聲輻射阻抗[kg/(m4·s)]。2消聲單元的聲傳輸矩陣2.1介質(zhì)密度對于等截面直管,其傳遞矩陣如下式所示Τ1=[cos(kl1-Μ2)jρcSsin(kl1-Μ2)jSρcsin(kl1-Μ2)cos(kl1-Μ2)](4)T1=???cos(kl1?M2)jSρcsin(kl1?M2)jρcSsin(kl1?M2)cos(kl1?M2)???(4)式中ρ為介質(zhì)密度(kg/m3);c為聲速(m/s);S為直管的橫截面積(m2);k為波數(shù),且k=2πf/c,其中,f為頻率(Hz);l為直管長度(m);M為直管內(nèi)氣流的馬赫數(shù);j為虛數(shù)單位。2.2保持管道擴張式突變截面的區(qū)塊對于直管收縮式突變截面,其傳遞矩陣如下式所示Τ21=[1(1-σ2)ΜaSaρc01](5)T21=[10(1?σ2)MaSaρc1](5)對于直管擴張式突變截面,其傳遞矩陣如下式所示Τ22=[1-2ΜaSaσρc(1-1σ)01](6)T22=[10?2MaSaσρc(1?1σ)1](6)式中σ為突變后與突變前的面積比;Sa為較細(xì)管的橫截面積(m2);Ma為較細(xì)管內(nèi)氣流的馬赫數(shù)。2.3bandra型對于插管收縮式突變截面,其傳遞矩陣如下式所示Τ31=[A31B31C31D31](7)T31=[A31C31B31D31](7)其中,A31=1-SeSbσ2Μbtan(kla)A31=1?SeSbσ2Mbtan(kla);B31=(1-σ2)ΜbρcSbB31=(1?σ2)MbρcSb;C31=jSbρctan(kla)C31=jSbρctan(kla);D31=1+jSeSbΜbtan(kla)。對于插管擴張式突變截面,其傳遞矩陣如下式所示Τ32=[A32B32C32D32](8)式中Se為突變截面面積之差(m2);Sb為較細(xì)管的橫截面積(m2);Mb為較細(xì)管內(nèi)氣流的馬赫數(shù);la為出口內(nèi)伸長度(m);lb進(jìn)口內(nèi)伸長度(m)。2.4孔隙率p根據(jù)文獻(xiàn),穿孔管的傳遞矩陣如下式所示Τ4=[cos(klc1-Μ2)jρcSsin(klc1-Μ2)jSρcsin(klc1-Μ2)cos(klc1-Μ2)]?[101Ζp1][cos(kld1-Μ2)jρcSsin(kld1-Μ2)jSρcsin(kld1-Μ2)cos(kld1-Μ2)](9)其中,Ζp=j(ωmp-1ωCp)=j(ωρtpSp-ρc2ωVr)。式中,Zp為共振腔阻抗[kg/(m4·s)];mp為共振腔聲質(zhì)量(kg/m4);Cp為共振腔聲容[(m4·s2)/kg];t為穿孔管的實際厚度(m);dk為穿孔管的小孔直徑(m);tp為穿孔管的等效厚度且tp=t+0.8dk(m);Sp為孔的總面積(m2);Vr為共振腔容積(m3);ω為角頻率(s-1);lc為穿孔管的穿孔中央與進(jìn)氣側(cè)隔板的長度(m);ld為穿孔管的穿孔中央與排氣側(cè)隔板的長度(m)。3消聲單元的起始邊界條件現(xiàn)分析一種汽車消聲器,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。消聲器內(nèi)部有兩隔板,隔板支撐兩個相同穿孔管。尾氣從進(jìn)氣管側(cè)進(jìn)入,經(jīng)穿孔管進(jìn)入排氣管側(cè),然后排入大氣。進(jìn)氣管內(nèi)伸長度50mm,排氣管內(nèi)伸長度50mm。兩隔板間距140mm,支撐兩個穿孔管。穿孔管直徑80mm,壁厚1.5mm,均布60個直徑為4mm小孔。對于多個消聲單元組成的消聲系統(tǒng),利用各單元分割截面處聲壓相等和體積連續(xù)性的邊界條件,可以得到前一個消聲單元的終止邊界條件即為后一個消聲單元的起始邊界條件。根據(jù)圖2所示消聲器的結(jié)構(gòu),從左到右將消聲器拆分為11個消聲單元,并根據(jù)消聲單元之間并聯(lián)和串聯(lián)計算方法,將各消聲單元的傳遞矩陣相乘,即可得到此消聲器的傳遞矩陣,如下式所示Τ=[ABCD]=[Τ]1[Τ]5[Τ]1[Τ]4[Τ]1[Τ]6[Τ]1[Τ]5[Τ]1[Τ]4[Τ]1(10)式中下標(biāo)1為等截面直管;2為直管收縮式突變截面;3為直管擴張式突變截面;4為插管收縮式突變截面;5為插管擴張式突變截面;6為穿孔管。4計算與結(jié)果分析利用MATLAB軟件,分別分析進(jìn)氣管內(nèi)伸長度、排氣管內(nèi)伸長度、支撐板間距、穿孔直徑、穿孔管壁厚、穿孔管直徑對消聲器傳遞損失的影響。4.1消聲器的平均傳遞損失分別計算進(jìn)氣管內(nèi)伸長度為0,10,30,50和70mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖3所示。由圖3,進(jìn)氣管內(nèi)伸長度對消聲器傳遞損失影響較大的頻率集中在1100～1400Hz,2700～3300Hz以及3500～4000Hz。在0～4000Hz頻段,不同進(jìn)氣管內(nèi)伸長度下的平均傳遞損失如表1所示。由表1,從總體趨勢上看,進(jìn)氣管內(nèi)伸長度越大,消聲器的平均傳遞損失越大。但是,當(dāng)進(jìn)氣管內(nèi)伸長度為30mm時,出現(xiàn)了最大值。這說明,進(jìn)氣管內(nèi)伸長度并非越大越好,其存在較優(yōu)值。若提高消聲器的消聲效果,可將進(jìn)氣管內(nèi)伸長度調(diào)整為30mm。4.2遞損失影響較大頻率分別計算排氣管內(nèi)伸長度為0,10,30,50和70mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖4所示。由圖4,排氣管內(nèi)伸長度對消聲器傳遞損失影響較大的頻率集中在1100～1400Hz,2700～3300Hz以及3500～4000Hz。在0～4000Hz頻段,不同排氣管內(nèi)伸長度下的平均傳遞損失如表2所示。由表2,排氣管內(nèi)伸長度對消聲器傳遞損失的影響與進(jìn)氣管內(nèi)伸長度相似。從總體趨勢上看,排氣管內(nèi)伸長度越大,消聲器的平均傳遞損失越大。但是,當(dāng)排氣管內(nèi)伸長度為30mm時,出現(xiàn)了最大值。若提高消聲器的消聲效果,可將排氣管內(nèi)伸長度調(diào)整為30mm。4.3支撐板間距對消聲器傳遞損失的影響分別計算支撐板間距為100,120,140,160和180mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖5所示。由圖5,當(dāng)穿孔管的穿孔部分不變時,若支撐板間距變大,消聲器在共振峰附近的傳遞損失曲線左移且變窄。在0～4000Hz頻段,不同支撐板間距下的平均傳遞損失如表3所示。由表3,支撐板間距由100mm變化到180mm,消聲器的傳遞損失改變了0.8dB,消聲器的傳遞損失變化較小,且原始消聲器的支撐板間距為140mm時,消聲器的平均傳遞損失最大。故對消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)時,不需再改變支撐板間距。4.4孔徑大小對消聲器平均傳遞損失的影響分別計算穿孔直徑為1,2,3,4和5mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖6所示。由圖6,穿孔直徑對消聲器傳遞損失的影響主要集中在250～1200Hz,1900～2300Hz,3500～3900Hz等頻率段。在0～4000Hz頻段,不同穿孔直徑下的平均傳遞損失如表4所示。由表4,穿孔直徑越大,消聲器的平均傳遞損失越大。因此,提高消聲器的消聲效果,可適當(dāng)增大穿孔直徑。但是,穿孔直徑不宜過大或過小。如果穿孔直徑過大,穿孔率過大,穿孔消聲失去作用,將起擴張消聲器的作用;如果穿孔直徑過小,尾氣中的顆粒可能阻塞小孔,降低穿孔管的消聲效果。4.5壁厚對消聲器平均傳遞損失的影響分別計算穿孔管壁厚為0.5,1.0,1.5,2.0和2.5mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖7所示。由圖7,穿孔管壁厚對傳遞損失的影響主要集中在400,1000,2300和3700Hz等頻率附近。在0～4000Hz頻段,不同穿孔管壁厚下的平均傳遞損失如表5所示。由表5,穿孔管壁厚越大,消聲器的平均傳遞損失越小。這主要是因為穿孔板壁厚的減小,聲波更容易通過小孔,通過小孔的聲波將在擴張腔內(nèi)損失較多的能量。因此,提高消聲器的消聲效果,可適當(dāng)減小穿孔管的壁厚。但是,為了保證消聲器的強度,穿孔管壁厚不宜太小。4.6孔徑對消聲器傳遞損失的影響分別計算穿孔管直徑為40,60,80,100和120mm時消聲器的傳遞損失,得到消聲器的傳遞損失曲線如圖8所示。由圖8,隨著穿孔管直徑的減小,消聲器的傳遞損失在整個頻段都有所提高。在0～4000Hz頻段,不同穿孔管直徑下的平均傳遞損失如表6所示。由表6也可以看出,穿孔管直徑越大,消聲器的平均傳遞損失越小。因此,提高消聲器的消聲效果,可適當(dāng)減小穿孔管直徑。同時,也應(yīng)注意,穿孔管的直徑不宜過小。否則,會造成氣流通過消聲器較為困難,從而帶來較大的發(fā)動機功率損失。5調(diào)整排氣內(nèi)伸長度和支撐板間距本文根據(jù)聲傳遞矩陣法,分析了一種汽車消聲器的傳遞矩陣,計算了該消聲器的傳遞損失。并利用MATLAB軟件,分別分析了進(jìn)氣管內(nèi)伸長度、排氣管內(nèi)伸長度、支撐板間距、穿孔直徑、穿孔管壁厚、穿孔管直徑對消聲器傳遞損失的影響,得到如下結(jié)論:(1)從總體趨勢上看,進(jìn)氣管內(nèi)伸長度越大,消聲器的平均傳遞損失越大;但內(nèi)伸長度為30mm時消聲器的平均傳遞損失最大。若提高消聲器的消聲效果,可將進(jìn)氣管內(nèi)伸長度調(diào)整為30mm。(2)從總體趨勢上看,排氣管內(nèi)伸長度越大,消聲器的平均傳遞損失越大;但內(nèi)伸長度為30mm時消聲