簡單抗性消聲器氣流再生噪聲研究

高小新+匡芳+褚志剛

摘 要：以簡單擴張式消聲器為研究對象，基于CFD+Virtual.Lab聯合仿真方法，從聲源類型角度分析了抗性消聲結構中氣流再生噪聲的產生機理和影響因素。結果表明，偶極子和四極子是造成消聲器氣流再生噪聲的主要因素，且擴張消聲器中氣流速度和出口管偏置距離的增加都會導致其氣流再生噪聲值的增大；相較于偶極子聲源，四極子聲源是擴張式消聲結構中氣流再生噪聲的主要來源，且在低頻處聲壓貢獻量尤為明顯。最后通過對比基于兩種不同方法的氣流再生噪聲仿真結果，證明兩種聲源類型對氣流再生噪聲的貢獻量不相關，為氣流再生噪聲計算提供了新思路。

關鍵詞：消聲器；偶極子；四極子；氣流再生噪聲

中圖分類號：U467.4+93 文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.08

Abstract：The regeneration noise mechanism and influence factors of simple reactive muffler were studied from the point of view of sound source type based on CFD and Virtual.Lab. The results show that flow regeneration noise is primarily caused by the dipole and quadrupole source and it becomes larger when the flow velocity and offset distance of outlet pipe are increased. The quadrupole is the main source of flow regeneration noise in the reactive muffler when compared with the dipole， especially in the low frequency region.Finally the conclusion drawn from the comparison of simulation results of the two methods shows that the two source types are irrelevant. The paper provides a new idea to calculate the flow regeneration noise.

Keywords：muffler； dipole source； quadrupole source； regeneration noise

隨著內燃機逐漸向高速化發展，氣流再生噪聲已成為影響消聲器消聲性能的重要因素。關于排氣系統中氣流再生噪聲的問題，國內外學者已進行了相關研究。1981年，NESLON等[1]給出了排氣系統中存在單個擾流板時，擾流板造成的流體再生噪聲聲功率級表達式。MAK等[2-5]在前人基礎上推導出了在低速流體管中存在兩個密集型擾流板時，擾流板產生的再生噪聲聲功率級表達式。LAFON等[6]從二維、三維及試驗的角度研究了蒸汽管道中的流體噪聲現象，并分析了流體-噪聲耦合，流體-結構耦合對流體噪聲的影響。MAK等[7]通過CFD仿真，建立了再生噪聲輻射聲功率與擾流板區域湍流動能的聯系，以此預測存在多個擾流板時通風系統管道中再生噪聲的聲功率。鄧兆祥等[8]對穿空管消聲單元在不同結構尺寸和氣流速度下進行了氣流再生噪聲測量，分析了主要結構參數對氣流再生噪聲的影響，并揭示了穿孔管消聲單元氣流再生噪聲的產生機理。趙海軍等[9]建立了穿孔管消聲器氣流再生噪聲總功率的公式，探討了穿孔率、穿孔直徑、穿孔部分長度及腔體直徑對氣流再生噪聲的影響。吳大轉等[9]通過數值仿真和試驗的方法研究了抗性消聲器再生噪聲特性。

上述文獻對氣流再生噪聲的產生機理、測量方法進行了研究分析，并探討了結構尺寸、流體速度等因素對其的影響規律，為消聲器聲學性能的改進設計提供了有益參考，但鮮有文獻從聲源類型角度對氣流再生噪聲進行分析。

本文基于CFD+Virtual.Lab聯合仿真方法，首先探討了氣流速度、出口管偏置距離對偶極子聲源和四極子聲源的影響規律，進而研究了兩種不同聲源類型對氣流再生噪聲聲壓貢獻量的大小，最后通過對比兩種方法計算出的擴張式消聲結構中氣流再生噪聲曲線，給出了兩種聲源之間的關系。

1 流場控制方程

c0為聲速，m/s；為固體表面；V0為聲源分布體； n為外法線矢量；S（y）為流體中物體表面積，m2；V（y）為流體中物體體積，m3。

2 不同聲源類型對氣流再生噪聲的影響

氣動聲學的基本聲源包括單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。其中，單極子聲源只是存在于低速氣流的不穩定狀態，通常忽略其影響；偶極子聲源則發生于氣流速度較高時氣流遇見異物，由壁面壓力脈動形成，偶極子輻射聲功率與氣流速度成6次方關系；四極子聲源則產生于高速氣流中，流場中無障礙物，四極子輻射聲功率與氣流速度成8次方關系，由湍流速度脈動形成。

2.1 偶極子聲源對擴張消聲器氣流再生噪聲的影響

擴張式消聲結構進、出口管布置在腔室不同側的端板上，幾何結構如圖1所示。本文結構尺寸取為：

d1d236 mm，l1l2100 mm，l200 mm，D200 mm。

圖2分別給出了擴張式消聲器中偶極子聲源在不同氣流速度和出口管偏置距離時的氣流再生結果。圖2a是進口管與腔體同軸，出口管偏置0.63倍腔體半徑[12-13]的擴張式消聲器在不同氣流速度下的再生噪聲比較。由圖可知，再生噪聲值隨著氣流速度增加而明顯增大，說明汽車排氣速度越大，氣流再生噪聲也越大。此外，氣流再生噪聲值隨著頻率的增加先增大后減小，頻譜呈現出寬頻特性。圖2b和圖2c是進口管與腔體同軸，出口管分別偏置0、20 mm、36 mm、63 mm和80 mm時擴張式消聲器氣流再生噪聲的比較。綜合比較兩圖可知，出口管偏置后擴張式消聲器氣流再生噪聲在整個分析頻率范圍內有所提高，但是出口管偏置距離達到臨界值（進出口管管徑）后，繼續增大偏置距離對消聲器的氣流再生噪聲不再有明顯影響。這是因為出口管偏置后，從進口管流入的高速氣流未能全部直接從出口管出去，而是部分撞擊到對面腔體壁上，產生較大壓力脈動，所以出口管偏置后氣流再生噪聲值會明顯增大。但當偏置距離達到一定值后，從進口流入的氣流束全部撞擊到對面腔體壁面上，偏置距離繼續增大已經對撞擊到對面腔體壁面的氣流束沒有影響，所以氣流再生噪聲值基本保持穩定。對于本文研究的消聲器結構，偏置距離的臨界值為36 mm，即進出口管的管徑。

2.2 四極子聲源對擴張消聲器氣流再生噪聲的影響

圖3a給出了擴張消聲器結構中偶極子和四極子聲源分別在45 m/s及90 m/s時氣流再生噪聲的對比結果，圖例中第一組（黑線和紅線）代表偶極子，第二組（紫線和藍線）代表四極子。由圖可知，相同氣流速度下，二者的聲壓級曲線在低頻處差異明顯，四極子再生噪聲值明顯大于偶極子，而在中高頻差異很小。圖3b給出了偶極子和四極子聲源引起的噪聲值隨出口管偏置距離的變化。由圖可知，相同偏置距離時，四極子引起的氣流再生噪聲值亦大于偶極子。綜合兩圖可知，氣流速度和偏置距離對四極子聲源的影響規律和偶極子一樣，都隨其值增加而增大。

3 典型擴張式消聲器氣流再生噪聲仿真

氣動噪聲的數值仿真方法有：直接數值模擬法（CAA），CFD氣動聲學法和CFD+Virtual.Lab混合方法，表1給出了各種方法的應用范圍。由表1可知，CFD+Virtual.Lab混合方法是目前應用比較廣泛，也比較理想的一種方法，所以本文采用這一方法來計算消聲器氣流再生噪聲。

仿真流程如圖4所示。

3.1 擴張式消聲器氣流再生噪聲

由于消聲結構中氣流再生噪聲主要是偶極子和四極子聲源共同作用的結果。因此，本節以典型擴張消聲器為研究對象，進一步探討了偶極子和四極子共同作用引起的氣流再生噪聲，分析了兩種聲源類型對氣流再生噪聲聲壓貢獻量的大小。

圖5中藍線代表進口管與腔體同軸，出口管偏置0.63倍腔體半徑的擴張消聲器的氣流再生噪聲值隨頻率的變化曲線。相較于只考慮偶極子聲源，其氣流再生噪聲在0～1 000 Hz的頻率范圍內明顯增大；而相較于只考慮四極子聲源，其氣流再生噪聲無明顯變化，兩條曲線幾乎完全重合。由此說明對于擴張式消聲器的氣流再生噪聲而言，四極子聲源的聲壓貢獻量在低頻處起主要作用。

3.2 偶極子和四極子聲源相關性分析

圖6是用兩種方法計算出的偶極子和四極子聲源共同作用引起的氣流再生噪聲。一種是同時考慮兩種聲源時計算出的結果，另一種則是將兩種聲源單獨的氣流再生噪聲聲壓級值相加得到的結果。由圖可知，說明兩種聲源對氣流再生噪聲的貢獻量是不相關的，二者聲功率的和就等于氣流再生噪聲的總聲功率。

4 結論

（1）消聲器氣流再生噪聲的頻譜呈現寬頻特征，氣流速度越大再生噪聲越大。出口管偏置后擴張式消聲器的氣流再生噪聲在整個分析頻率范圍內顯著增大，但是，當出口管偏置距離達到臨界值（進口管管徑）后，繼續增大偏置距離對消聲器的氣流再生噪聲不再有明顯影響。

（2）對于擴張式消聲結構，一般情況下四極子是氣流再生噪聲的主要聲源，其在低頻處的聲壓貢獻量尤為明顯。

（3）偶極子和四極子聲源對氣流再生噪聲的貢獻量不相關，將二者單獨計算得到的結果相加可得到消聲器總氣流再生噪聲值。

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