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高温气流对穿孔管消声器声学性能的影响


2008年 ( 第 30卷 )第 4期

汽 车 工 程 A uto otive Eng ineer ing m

2008( V o . 30) N o 4 l .

2008073

高温气流对穿孔管消声器声学性能的影响
刘 晨, 季振林, 胡志龙
150001) ( 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院, 哈尔滨

[ 摘要 ]

使用 GT-POW ER 软件计算了直通穿孔管 消声器 和三通穿 孔管消 声器静 态时的 传递损 失, 并 与实验

测量结果进行了比较以 验证软件的计算精度和适用范围 。计算并 分析了 有高温气 流存在 时上述 2种消声 器的传 递损失。为改善三通穿孔管消声 器的低频消声性能, 还研究了有端部共振器的三通穿 孔管消声器的声学性能。

关键词: 消声器; 穿孔管; 声学性能; 高温气流

The E ffect ofH igh Tem perature G as Flow on the A coustic A ttenuation Perform ance of Perforated Tube M ufflers
Liu Chen, Ji Zhen lin & Hu Zh ilong
C olleg e of P ow er and E nergy E ng ineering, H arbin Eng ineering Un iversity, H arbin 150001

[ Ab stract]

The GT-POW ER softw are is used to ca lculate the transm ission loss o f stra ig ht through perfo rated

tube mu ffler and three -pass perforated tu be mu ff le r w ithout gas flow, w hich are com pared w ith experi enta l m eas m urem en ts to verify the accuracy and app licab ility of the so ftw are T he transm ission lo sses of the above tw o m ufflers . in the presence o f h ig h tem perature gas f low are ca lculated w ith the e ffect of gas flow rate on transm ission loss ana ly zed T he acoust ic characterist ics of three . -pass perforated tube m uffler w ith end resonato r are also in vestig ated for m i prov ing its acoustic attenuat ion perfo r ance at low er frequenc ie s m . K eyw ord s mu ffler perforated tube acou stic p erform ance high te peratu re gas flow : ; ; ; m 气噪声。文献 [ 1]使用基于时域方法的 WAVE 软件

前言
在汽车排气消声器设计中, 基于一维平面波理 论的频域法和时域法被广泛应用。频域方法使用线 性声学假设和传递矩阵法, 其优点是 计算速度快。 时域方法是基于一维非线性流体动力学模型, 使用 扩展的非线性一维有限差分法, 其优点是可考虑发 动机进、 排气系统中的非线性效应, 而且作为一个完 整的进气系统-发动机-排气系统模拟, 对于影响发 动机和消声器性能的诸多因素都可包括在计算中。

和基于频域方法的模拟计算程序, 在无流、 室温情况 下, 计算了同轴穿孔管共振器的传递损失, 在线性声 学范围内, 2 种方法的计算结果和实验结果吻合较 好。文献 [ 2]使用 GT-POW ER软件建立了发动机和 消声器的联合模型, 计算了直管、 同轴穿孔管共振器 和三通管消声器内的瞬时压力。在各曲轴转角下, 计算值和实验测量值基本一致。另外还计算了有无 吸声材料时, 同轴穿孔管共振器内的声压级。在各 转速下, 计算值和实验值基本吻合。文献 [ 3 ] 介绍 了 GT-POW ER软件计算消声器传递损失、 插入损失 和压力损失的方法。使用传递矩阵法形成了复杂消 声器的初步设计方案, 然后借助于 GT-POWER 软件 对消声器进行了性能计算和分析。文献 [ 4] ~ 文献 [ 6]利用 GT-POW ER软件建立了发动机和复杂穿孔 管消声器的耦合仿真模型, 根据发动机工作过程对

1 穿孔管消声器声学性能计算介绍
由于穿孔管消声器具有良好的消声性能和较低 的流动阻力损失, 已被广泛应用于降低发动机的排

原稿收到日期为 2007年 5月 14日, 修改稿收到日期为 2007年 7月 26日。

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消声器进行改进设计, 从而降低汽车加速行驶车外 噪声。 尽管一维频域和时域方法已被用于预测穿孔管 消声器的声学性能和阻力损失, 然而这些工作并没 有详细研究发动机排气系统中的高温气流对消声器 消声性能的影响。作者研究的主要目的是: ( 1) 应 用 GT-POW ER软件计算穿孔管消声器在无气体流 动时的传递损失, 并与实验测量结果进行比较, 以确 定软件预测的精度和有效频率范围; ( 2) 计算有气 体流动时穿孔管消声器的传递损失, 进而分析气流 速度和温度变化对消声器传递损失的影响; ( 3) 探 讨改善穿孔管消声器声学性能的方法。
图 1 消声器传递损失测量模型

机白噪声的扬声 器作为声源。 GT-POW ER 软 件中 的 EndF low Speaker 模块就是这 样一个声源, 为了 模拟发动机的工况, 可改变模块中声源的激发频率。 图 1中 4个传感器用于测量消声器上、 下游的压力 信号, 通过对 4个信号进行自谱和互谱运算, 得到入 射声级和透射声级之 差, 进而 就得到了传递损 失。 最后进行循环计算, 在 GT-POST 程序中打开计算结 果, 就可得到消声器的传递损失计算结果和频谱曲 线。

2 消声器的建模过程
GT-POWER 软件 是基于一 维非线性 流体动力 学模型, 以时域方法为理论基础, 采用有限体积法计 算系统内气体的动力学问题。求解时, GT-POW ER 软件将整个系统离散为许多体积元, 然后对这些基 本单元进行网管化处理, 用户通过编辑一些测量模 块来建立消声器的仿真环境, 这样既提高了计算精 度, 又缩短了计算时间。 在 GT-POW ER软件中, 有一个图形化前处理程 序 GT-M uffler专门用于建立消声器模型。这个程序 包括一个二维绘图区, 用户可以在正视图和左视图 两种视角下, 编辑壳体和两端面的形状。同时在程 序的模版库中, 存储了 大量的消声器 零部件模块, 如: 直管、 弯管、 同轴管、 重叠管、 三通管、 隔板、 穿孔 部分和吸声材料等, 用户可在绘图区中方便地填充 消声器的组件, 完成模型的创建。此外, 还可将其它 的 CAD文件进行格 式转换直接 生成二维 模型图。 在该程序中, 可将二维模型图直接转化为三维模型 图, 通过方向键调整模型的视角, 检查其内部结构和 相对位置是否正确。最后生成一个 链接数据文件 * . dat 将生成的数据文 件* . dat 导入 GT- ISE 程 。 序中, 程序会自动完成模型的离散化处理。然后在 该程序中定义一些关于测量传递损失的模块, 并将 这些模块按气体流动的方向依次连接形成一个有机 的整体, 就完成了仿真环境的创建, 如图 1所示。

4 计算结果及分析
4 1 无流时消声器的传递损失 为了验证 GT-POWER 软件预 测消声器声学性 能的准确性和适用范围, 首先计算无流、 室温情况下 直通穿孔管消声器和三通 穿孔管消声器的 传递损 失, 并与实验测量结果进行比较。 图 2为直通穿孔管消声器的结构图, 其具体尺 寸为: 膨胀腔内径 D = 164 4mm, 长度 l = 257 2mm, 穿孔管内径 d = 49mm, 穿孔管壁厚 t = 0 9mm, 穿孔 直径 d h = 2 49mm, 穿孔率为 8 。 %

图 2 直通穿孔管消声器

图 3为直通穿孔管消声器传递损失的计算结果 [ 8] 和实验测量结果对比图 。从图 3可看出, 传递损 失的计算结果和实验测量结果在 1 500H z以下的范 围内吻合很好, 表明了 GT-POWER 软件在平面波范 围内预测消声 器声学性 能的有效 性和精 度。在 1 500H z以上, GT-POW ER 软件计算结果和实验测量 结果间的偏差较大, 从而限制了该软件在非平面波

3 消声器传递损失的计算方法
采用文献 [ 7] 提出的双话筒随机噪声法计算消 声器的传递损失, 不需要发动机模型, 以 1个产生随

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范围内的应用。

POW ER 软件 的计 算结果 与实验 测量结 果吻合 良 好; 随着频率的增加, 计算结果与实验测量结果间的 偏差开始增大, 非平面波效应增强, 从而限制了 GTPOW ER软件的使用频率范围。 对于上述 2种结构的穿孔管消声器在非平面波 范围内, GT-POW ER软件的计算结果与实验测量结 果间存在较大偏差的原因可归纳为: ( 1) 消声器内 部截面 突变处 和穿 孔附 近存 在非 平面 波, 而 GTPOW ER 软件 采用 的是一 维非线 性流体 动力学 模 型, 模拟计算是在一维轴向平面波传播的假设下进

图 3 静态时直通穿孔管消声器传递损 失结果比较 (声速 c= 344m /s)

行的, 没有考虑非平面波效应; ( 2) GT-POWER 软件 中使用的穿孔声阻抗计算公式存在局限性; ( 3) GTPOW ER软件在模拟计算过程中, 忽略了流体黏性、 热传导效应、 壳体内摩擦等的影响, 这些因素可能在 实验中存在; ( 4) 实验中也不可避免地存在一些结 构与尺寸误差等。 4 2 高温气流对消声器声学性能的影响 排气系统的主要作用是输送并排放发动机产生 的高温废气, 而高温气流的存在对消声器的声学性 能产生直接影响, 因此研究高温气流对消声器声学 性能的影响极为必要。在排气系统内, 废气的温度 和流速都很高。例如对于 4缸 4行程 1 4L 的汽油 发动机, 当其转速为 1 600 2 600和 3 600 r/m in时, 、 消声 器 入口 处 的气 流速 度 大致 分 别为 20 、40 和 60m / s 针对以上工况, 使用 GT-POW ER 软件计算 。 存在高温气流时穿孔管消声器的传递损失, 进而分 析气流流速和温度的变化对穿孔管消声器声学性能 的影响。 图 6为不同气流速度时直通穿孔管消声器的传 递损失对比图。从图 6可看出, 与静态时相比, 有气 流存在时直通穿孔管消声器的通过频率稍微向低频 方向移动, 多数频率处的传递损失有所增加, 但幅度 不大。这是因为当流体在穿孔管内流动时, 改变了

图 4 为三通穿孔管消声器的结构图, 其具体尺 寸为: 消声器内径为 D = 165 1mm, 穿孔管内径为 d1 = d 2 = d3 = 48 9mm, 管道相对于轴线的偏移距离为 s1 = s2 = s3 = 39 7mm, 管壁厚度 t= 0 8mm, 穿孔直径 d k = 2 34mm, 隔板厚度 ta = tb = 12 7mm, 穿孔段长 度 lp = 274mm, 中 间 膨胀 腔管 内 插长 度 la = lb = 27 9mm, 左端空腔长度 ld = 102mm, 右端空腔长度 lc = 150mm, 穿孔率为 4 5 。 %

图 4 三通穿孔管消声器

图 5为三通穿孔管消声器传递损失的计算结果 和实验测量结果对比图
[ 9]



图 5 静态时三通穿孔管消声器传递损 失 结果比较 ( 声速为 c= 343 7m / s) 图 6 气流速度对直通穿孔管消声器传递

从图 5可看出, 在 1 000H z以下的范围内, GT-

损失的影响 (气体温度为 400

)

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穿孔的声阻抗。通过 频率向低频方 向移动的原因 是: 当有气流存在时, 大部分气流直接通过中心穿孔 管流出了消声器, 使得穿孔管内流速较高, 进而改变 了消声器内的声传播规律, 运流效应使得消声器的 频率特性与静态时有所不同。 比较图 3和图 6可看出, 当温度升高时, 直通穿 孔管消声器的通过频率向高频方向移动。这是因为 温度升高时, 声波的传播速度变大, 波长一定时对应 的声波频率变高, 从而使得直通穿孔管消声器的传 递损失曲线整体向高频方向移动。 图 7为不同气流速度时三通穿孔管消声器的传 递损失对比图。

lf = 20mm, lg = 100mm, 连接管 4与 2号管同轴, 隔板 厚度 tc = 10mm, 端部共振器腔长 le = 200mm, 其余尺 寸与图 4所示的三通穿孔管消声器相同。

图 8 有端部共振器的三通穿孔管消声器

图 9为不同流速下有端部共振器的三通穿孔管 消声器传递损失的计算结果。

图 7 气流速度对三通穿孔管消声器传 递 损失的影响 ( 气体温度为 400 )

从图 7可看出, 当存在气流时, 三通穿孔管消声 器传递损失曲线向低频方向移动, 通过频率有所降 低, 低频共振峰值比静态时低, 但通过频率处和中高 频的传递损失增大。通过频率向低频方向移动的原 因可归纳为气体的运流效应。引起中高频传递损失 增大的原因是由于气流的存在改变了穿孔管的声阻 抗, 因而改变了消声器的消声特性。 比较图 5和图 7可看到: 当温度升高时, 三通穿 孔管消声器的传递损失曲线向高频方向移动。这是 因为温度升高后, 声波的传播速度变大, 使得三通穿 孔管消声器的传递损失曲线整体向高频方向移动。 4 3 三通穿孔管消声器的改进及其消声特性 在发动机 的排气噪声频谱中基频噪声相当突 出, 其对应的频率很低。从图 7可看出, 在 100H z以 下三通穿孔管消声器的传递损失比较低, 为改善消 声器的低频消声性能, 进而有效地降低发动机的排 气噪声, 在三通穿孔管消声器的右端增加一个端部 共振器, 其结构如图 8所示。具体尺寸为: 连接管 4 的内径 d 4 = 48 9mm, 管壁厚度 t= 0 8mm, 插入长度 ( 1) 在平面波范围内, GT-POWER 软件的预测
图 9 气流速度对有端部共振器的三 通穿孔管消 声器传递损失的影响 (气体温度为 400 )

比较图 7和图 9可看出, 由于增加了端部共振 器使得三通穿孔管消 声器在 100H z的低频 域内产 生了共振峰; 在其它频率处, 两者的消声特性基本相 同。高温气流对有端部共振器的三通穿孔管消声器 声学性能的影响类似于三通穿孔管消声器。温度升 高, 其共振频率向高频方向移动。当消声器内部存 在气流时, 由端部共振器产生的共振峰值与静态时 相比变小且共振频率稍微向低频方向移动。随着气 流速度的增加, 传递损失曲线中峰值和谷值均有所 增加。其原因是高速气流的存在改变了穿孔管的声 阻抗, 因而改变了消声器的传递损失。

5 结论

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eling of Con centric -tube R esonators / S ilen cers [ C ]. 910072, M ich igan, U SA, 1991 . SA E Paper

结果与实验测量结果吻合良好, 并可快速地预测消 声器的声学性能, 进而用于指导消声器的初步设计。 随着频率的升高, GT-POWER软件的预测结果偏离 实验测量结果, 表明该软件不适合在非平面波范围 内预测消声器的声学性能。 ( 2) 气流速度和温度对消声器的声学性能有很 大的影响。随着气流速度的增加, 消声器的传递损 失曲线向低频方向移动。随着介质温度的升高, 消 声器的传递损失曲线向高频方向移动。静态时消声 性能良好的频段, 当有高温气流存在时, 由于消声器 的频谱特性发生变化, 其总体消声性能有可能变差, 所以在消声器设计中, 有必要考虑高温气流对消声 性能的影响。 ( 3) 在三通穿孔 管消声器一侧 增加端部共振 器, 可获得良好的低频消声效果, 进而降低发动机的 低频噪声。 参考文献
[ 1] M orel T, M orel J B laserD A. F lu id Dynam ic and A cou sticM od , [ 8] [ 9] [ 7] [ 4] [ 5] [ 2]

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[ 3]

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[ 6]

( 上接第 325页 ) 分析, 排气系统振动特性在低频区域对吊挂刚度的 变化具有很高的敏感度, 相对于低频和高频段, 中频 段的敏感度较低, 波动小于 1H z 。 排气系统组件质量分布是排气系统设计的一部 分, 合理分配质量或者当组件结构、 位置变化后, 合 理地调节其他组件参数是设计的重要部分。质量敏 感度分析包括三 效催化转化器、 副消声器、 主消声 器。三效催化转化器的质量波动对排气系统有很小 的影响, 一般小于 0 5 z 主消声器质量的波动不 H。 大时, 如小于 10 , 影响 可以忽略不计。副消声器 % 的质量变动对中频有一定影响, 一般在 10 z以下, H 需要引起设计者的关注。
[ 3] [ 1] [ 2]

和不包含动力总成最大的差值为 26 9 z H。 通过对关键排气组件敏感度分析发现, 改变波 纹管的长度和刚度对调节系统固有频率最有效, 而 相对于改变刚度和长度, 系统频率对位置改变不敏 感; 吊挂位置的改变对低频调节有一定效果, 但对大 部分频率分布无效。 参考文献
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4 结论
除低频外, 动力总成对排气系统固有频率有不 同程度影响, 在排气系统设计关注频率范围内, 包含


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