抗性消声器插入损失的有限元法的探讨_位佳

抗性消声器传递损失预测的三维时域计算方法
徐航手;季振林;康钟绪
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2010(029)004
【摘要】将三维时域计算方法应用于计算无流和有流条件下抗性消声器的传递损失,具体过程为:首先在消声器进口施加压力脉冲信号,然后通过三维非定常流体动力学计算获得消声器上游和下游的压力波动,最后由快速傅里叶变换将时间域的入射压力信号和透射压力信号转化到频率域,从而计算得到消声器的传递损失.使用该方法计算了无流和有流条件下抗性消声器和穿孔管消声器的传递损失,数值计算结果与文献中的实验测量结果吻合良好.
【总页数】4页(P107-110)
【作者】徐航手;季振林;康钟绪
【作者单位】哈尔滨工程大学,动力与能源工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,动力与能源工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,动力与能源工程学院,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TB5352
【相关文献】
1.抗性消声器插入损失的四端子网络计算方法 [J], 牛宁;李力;朱从云
2.一种三维时域格林函数计算方法 [J], 詹成胜;邹早建;郑伟涛
3.存在气流时轴对称抗性消声器传递损失的有限元法求解 [J], 蔡超;宫镇
4.消声器传递损失计算方法研究 [J], 白伟;吕大立
5.考虑抗性消声器结构参数的传递损失预估模型 [J], 左曙光;刘敬芳;吴旭东;相龙洋;张珺
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10.16638/ki.1671-7988.2021.02.026一种汽车普适消声器的分析与实验*卢彦群，杨波（河北工程大学，河北邯郸056038）摘要：排气噪声是汽车的主要噪声源之一，往往比内燃机本体噪声高出10～15dB。

使用合适的消声器是控制和降低排气噪声的有效手段，因而对排气消声器的研究越来越成为汽车排气噪声控制的热点。

文章从实用性角度和声学原理出发，分析了一种普适性消声器结构及其降噪机理，并通过实验进行了有效验证。

关键词：汽车噪声；消声机理；实验验证中图分类号：TB535+.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)02-80-04Experiment and Research on a Universal Muffler for Automobile*Lu Yanqun, Yang Bo( Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038 )Abstract:Exhaust noise is one of the main noise sources of automobile, which is 10-15db higher than that of internal combustion engine. Using appropriate exhaust muffler is an effective means to control and reduce exhaust noise, so the research on exhaust muffler is becoming more and more popular. In this paper, the noise reduction mechanism of a universal muffler is analyzed from the perspective of acoustic principle, muffler structure and ergonomics, and is verified by experiments.Keywords: Automobile noise; Muffler mechanism; Experimental verificationCLC NO.: TB535+.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)02-80-041 概述随着汽车拥有量的日渐增多，汽车噪声逐渐引起人们的高度重视，许多国家和地区都对汽车的排放和噪声提出了越来越严格的执行标准。

摘要噪声水平已成为衡量柴油机质量和性能的重要指标之一。

排气噪声在柴油机整机噪声中占重要比例，安装性能良好的排气消声器是控制排气噪声的有效途径，消声器的设计方法主要有声传递矩阵法和有限元法。

目前声传递矩阵法的使用范围仍限于一维平面波传播，无法考虑高次模式波效应。

由于实际的排气消声器一般具有复杂的结构，其内部的声波本质上是三维的，这时应采用精确的二维（或三维）理论来进行分析，本文利用有限元分析软件ANSYS的声学分析模块对扩张式抗性消声器进行声学分析，并且取得了以下研究成果。

本文讨论了运用ANSYS分析软件对抗性消声器性能进行二维有限元计算的方法，建立了消声器内部声学有限元方程的数学模型，推导了消声器插入损失和传递损失的计算公式。

在此基础上使用精度较高的声学单元FLUID29和FLUID129作为建模单元，在静态条件下建立了两种类型消声器的有限元模型，分别为简单消声器和复杂并联内插管双室扩张式消声器，由于简单消声器的有限元分析已比较完善，本文重点研究复杂并联内插管双室扩张式消声器的ANSYS 分析，得出消声器内部声压级分布图，然后利用声传递矩阵的理论对两种类型的消声器进行了直接模拟和间接模拟，计算出了消声器的四端网络参数、插入损失和传递损失。

计算结果和试验结果进行比较，取得比较一致的良好结果。

从而表明ANSYS有限元分析软件计算消声器声学性能方便可行。

本文的研究内容，总结了消声器理论、有限元理论与计算、ANSYS软件应用等。

并且对许多关键性问题，如有限元单元网格的划分、有限元模型的建立、软件后处理的数据分析技巧与注意事项等进行了探讨。

因此本文为以后消声器的性能预测、计算提供了重要的理论参考和工程实例。

关键词：消声器，排气噪声，ANSYS有限元，四端网络Simulation and Analysis of Reactive Muffler Based onANSYS SoftwareSpeciality: Mechanical Manufacture and AutomationName: Yang JiangkunSupervisor: Associate Prof. Zhu CongyunAbstractThe noise level of diesel engine has become one of the important indicators on evaluation of its quality and performances. Exhaust noise is a large proportion in the overall noise of diesel engine, and the effective method of its control is the application of muffler with good performances. The important method in the design of mufflers is Four-pole network and FEM. Now the transfer matrix method is still limited in the one-dimensional plane wave, and can not consider high-wave effect. Owing to the actual muffler with complex structure, its internal sound waves are three-dimensional, now accurate two-dimensional (or three) should be used to analysis. In this paper, using ANSYS analysis software module, expansion-resistant muffler is analysis and gets the following results.In this paper, the performance of reactive muffler is calculated by the 2D FEM (Finite Element method) with the ANSYS. The mathematical model of inner acoustic equation is established and the calculation formulas of TL (transmission loss) and IL (insertion loss) of muffler are deduced. On this basis, the FE model of two kinds of mufflers are built under static condition, with highly-precise acoustic element FLUID29 and FLUID129.I design two mufflers, respectively simple and matrix. Owing to the simple muffler’s analysis has been fairly completed, I analysis especially the complex muffler and get the internal level figure. Using acoustic transmission matrix, the muffler is simulated directly and indirectly and the parameter of four-terminal network, TL and IL are calculated. In the end, comparing simulation results with experiment results, it shows that calculated values coincide measured values. The simulation method is proved to be correct. The analysis software of ANSYS is expedient.In the paper, muffler theory, FEM theory, ANSYS application are included. Some important factors such as FE mesh demarcation, establishment of FEM model and so on are discussed. So theory and project example of the performance prediction of muffler are provided.Key Word: Muffler, Exhaust noise, ANSYS FE, Four-pole network目录1. 绪论 (4)1.1引言 (4)1.1.1噪声的危害 (4)1.1.2对噪声的控制 (5)1.2 课题研究国内外现状 (6)1.3 课题的工作和目标 (9)2．排气消声器有限元法的数学模型 (10)2.1 抗性消声器的四端参数及消声器的性能评价 (10)2.1.1 消声器的四端参数 (10)2.1.2 消声器的评价指标 (12)2.2 有限元法数学模型的建立 (15)2.2.1 数学模型的建立 (16)2.2.2 消声器变分问题的推导 (17)2.3 本章小结 (19)3. 消声器的ANSYS有限元计算结果及分析 (21)3.1 有限元计算模型的建立 (21)3.1.1 单元和插值函数的选取 (21)3.1.2 有限元模型的建立 (22)3.2 简单扩张式消声器的计算 (25)3.2.1 简单扩张式消声器消声量的计算与分析 (25)3.2.2 简单扩张式消声器插入损失的直接模拟 (29)3.2.3 简单扩张式消声器内部声场分析 (30)3.3 复杂结构消声器的分析 (31)3.4 本章小结 (33)4. 消声器的设计 (34)5. 总结和展望 (36)5.1 课题研究结论 (36)5.2 课题展望 (36)参考文献 (37)致谢 (39)1．绪论1.1引言噪声是工业社会带来的副产品，它是一种物理污染，具有即时性，生源发声就形成污染，生源停止发声，污染随之消失，噪声能量在空中消散，因此，噪声没有污染物，不会积累，也无法再利用。

第四章 抗性消声器的理论分析 4.1 扩张室消声器 4.2 共振腔消声器 第四章 抗性消声器的理论分析 4.1 扩张室消声器扩张室消声器也称为膨胀室消声器，它是由管和腔室组成的。

它是利用管道截面的突然扩张 ( 或收缩 ) 造成通道内声阻抗突变，使沿管道传播的某些频率的声波通不过消声器而反射回声源去。

由于声波通不过消声器，也就传不出来，从而达到消声的目的。

声波在两根不同截面的管道中传播，如图 8.15 所示，从截面积为 S 1的管中传入截面积为S 2的管中，S 2管对 S 1管相当一个声负载，会引起部分声波的反射和透射。

设在管道中满足平面波的条件下，在 S 1管道中有一入射波 p i 和一反射波 p r ，而 S 2管无限延伸；仅有透射波 p t 。

假定坐标原点取在 S 1管与 S 2管的接口处，现分别写出上述三种波的声压表示式，(8.3.1) 它们各自对应的质点振速分别为，(8.3.2)上式中ρ0c 为空气的特性阻抗； 为波数。

上述入射波、反射波和透射波不是各自独立的，而是互有联系。

这种联系的关键在两根管子的接口处 ( 即交界面处 ) ，在此界面上存在如下两种声学边界条件，⎪⎩⎪⎨⎧===-+-)()()(kx t j tA tkx t j rA r kx t j iA i e p p ep p e p p ωωωλπω2==c k ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===-+-)(0)(0)(0kx t j tA t kx t j rA rkx t j iA iec p v e c p v e c p v ωωωρρρ声压连续，即 (8.3.3)体积速度连续，即 S 1(v i +v r )=S 2v t (8.3.4)图 8.15 突变截面管为便于计算，取边界处 x=0，得到反射声压与入射声压的幅度之比为；(8.3.5) 式中面积比 m=S 2/S 1，也称为扩张比。

上式表明：声波的反射与两根管子的截面积比值有关。

第8章 消声器消声器是一种既能允许气流顺利通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播的装置。

一个合适的消声器，可以使气流声降低20~40dB ，相应响度降低75%~93%，因此在噪声控制工程中得到了广泛的应用。

值得指出的是，消声器只能用来降低空气动力性设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声，而不能降低空气动力设备的机壳、管壁、电机等辐射的噪声。

一、 阻性消声器 （一） 阻性消声器原理阻性消声器是一种吸收型消声器，利用声波在多孔性吸声材料中传播时，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，从而达到消声的目的。

材料的消声性能类似于电路中的电阻耗损电功率，从而得名。

一般说来，阻性消声器具有良好的中高频消声性能，对低频消声性能较差。

1.声波在阻性管道中的衰减消声器的传声损失与吸声材料的声学性能、气流通道周长、断面面积以及管道长度等因素有关。

对同样大小截面的管道，L/S 比值以长方形为最大，方形次之，圆形最小。

A ·N ·别洛夫由一维理论推导出长度为l 的消声器的声衰减量LA 为：l SLL A ⋅=)(0αϕ9-1式中)(0αϕ函数与材料的吸声系数0α的换算关系。

(2)高频失效频率阻性消声器实际消声量的大小与噪声的频率有关。

声波的频率越高，传播的方向性越强。

对于一定截面积的气流通道，当入射声波的频率高到一定程度时，由于方向性很强而形成“声束”状传播，很少接触贴附在管壁的吸声材料，消声量明显下降。

产生这一现象对应声波频率称为上限失效频率f n ，f n 可用下列经验公式计算：Dcf n 85.19-2式中 c 为声速，m/s ；D 为消声器通道的当量直径，m 。

其中圆形管道取直径，矩形管道取边长平均值，其它可取面积的开方值。

（二）阻性消声器的种类阻性消声器按气流通道几何形状不同，除直管式消声器外，还有片式、蜂窝式、折板式、迷宫式、声流式、室式、盘式、弯头式消声器等，结构示意如图1所示。

图1 阻性消声器结构示意图1.片式消声器对于流量较大需要足够大通风面积的通道时，为使消声器周长与截面比增加，可在直管内插入板状吸声片，将大通道分隔成几个小通道。

基于Virtual Lab的汽车消声器声学性能优化摘要：探讨采用声学有限元软件virtual lab分析消声器声学性能的方法，对市面上的一款内部结构复杂的汽车消声器的插入损失和传递损失进行分析，采用对消声器隔板增加穿孔板结构的方法对原消声器进行了改进，尝试对其声学性能进行优化，优化结果表明了改进措施的有效性。

abstract: in this paper, the method is presented to analyzethe acoustical performance of a muffler with complicatedchambers on the market by using the acoustic fem softwarevirtual lab. insert loss and transmission loss of the mufflerare calculated, and the original acoustical performance isimproved through adding additional perforated structure. the comparison of the insert loss and transmission loss of themodified and original mufflers demonstrates theeffectiveness of the optimization scheme.关键词：有限元；声学分析；消声器；传递损失key words: fem；acoustics analysis；muffler；transmissionloss中图分类号：u46 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）11-0045-020 引言消声器的声波符合平面波的规律，早从1950年代开始其相关的理论研究。

车用内插管式消声器声学性能的研究黄继刚;李琳;袁磊;贾克斌【摘要】Considering the discomfort caused by noises of internal combustion engine exhaust system,characteristics of sound source in the upstream of exhaust is studied by an experiment,according to the characteristics of order in low frequency range,Transfer Matrix Method and Finite Volume Method are chosen to predict transmission loss of muffler,experimental results show that the two methods are effective for the study of exhaust pressure pulsation noise.With further research of intubation acoustical performance,it was found that specific spectrum can be eliminated and specific spectrum silencing effect can be improved by changing the length of the intubation appropriately.%针对内燃机排气系统噪声给人耳带来的不舒适问题,通过实验测试研究了排气系统上游端的声源特性,根据其低频阶次的特征选择了传递矩阵法和有限体积法预测消声器的传递损失,实验验证这两种方法对研究消除排气压力脉动噪声有效.通过进一步研究内插管式消声器的消声性能,发现适当地改变内插管的长度能够有效地消除通过频率和改善特定频段消声效果.【期刊名称】《淮阴工学院学报》【年(卷),期】2017(026)001【总页数】5页(P1-4,9)【关键词】声源特性;内插管式消声器;传递矩阵法;有限体积法【作者】黄继刚;李琳;袁磊;贾克斌【作者单位】南京航空航天大学金城学院车辆工程系,南京 211156;南京航空航天大学金城学院车辆工程系,南京 211156;博世汽车柴油系统有限公司技术中心,江苏无锡 214028;博世汽车柴油系统有限公司技术中心,江苏无锡 214028【正文语种】中文【中图分类】U467.4+93扩张式消声器是内燃机排气系统广泛采用的消声装置，这种消声器主要借助气流通路截面的突变，使声波产生干涉、共振或反射现象而达到消除或阻碍声能传播的效果[1]。

抗性消声器插入损失的有限元法的探讨位佳;陆森林;王彬;沈钰贵【摘要】As a main evaluation indicators of muffler,the advantage of insertion loss is intuit and utility.However, the insertion loss often depends on not only the performance of muffler itself, but also is related to the performance of the whole system device.Insertion loss is more closer to the actual in muffler performance prediction than transmissionloss.Insertion loss of the reactive muffler with connection pipe is computed by applying four-parameter method and finite element method,which indicates that there are defects for one- dimensional wave theory in terms of muffler performance. The re fore an experimental model for simple muffler insertion loss measuring is established, and then the insertion loss of muffler is obtained through applying direct simulation method.The results show that insertion loss of muffler with connection pipe obtained by calculation of four-parameter method is coincidence with that by direct simulation.%插入损失作为消声器的主要评价指标,优点是比较直观、实用.不过插入损失往往不仅决定于消声器本身的性能,而且与系统总体装置的情况密切相关.插入损失对消声器性能的预测比传递损失更接近实际情况.应用四端子网络法与有限元相结合法对有连接管的抗性消声器的插入损失进行计算,说明了一维波动理论在消声器性能方面的缺陷.建立了简单抗性消声器的插入损失测量的试验模型,用直接模拟试验的方法,获得消声器的插入损失.结果表明,四端子法计算得到的加连接管的消声器插入损失与直接模拟试验方法所得的结果吻合良好.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)009【总页数】3页(P35-37)【关键词】四端子网络;有限元法;抗性消声器;插入损失【作者】位佳;陆森林;王彬;沈钰贵【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013;江苏大学先进成型技术研究所,镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK402;TK413.4+71 引言评价消声器声学性能常用的指标有插入损失和传递损失。

某消声器插入损失有限元计算及优化尹潞刚;陆森林【摘要】以插入损失为评价指标,基于ANSYS和Matlab软件,采用根据插入损失定义模拟安装消声器前后排气系统出口声压得到插入损失的方法（直接模拟法）,以及采用求解消声器传递矩阵四端子参数得到插入损失的方法（间接模拟法）,对某型号消声器A的插入损失进行有限元计算,并对结构进行改进。

通过实验验证计算结果的可靠性。

结果表明：直接模拟和间接模拟两种有限元分析方法均可有效预测插入损失,改进后的消声器B的插入损失有一定的提高,证明了插入损失的有限元分析在消声器设计制造过程中的可行性。

【期刊名称】《重庆理工大学学报》【年(卷),期】2016(030)004【总页数】5页(P6-10)【关键词】插入损失;消声器;有限元分析;结构优化【作者】尹潞刚;陆森林【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】U463以往消声器的理论研究往往以计算传递损失为主。

传递损失反映了消声器本身的消声性能，不受系统的影响，比较容易计算，但不容易测量。

而插入损失反映了消声器在系统中的实际降噪性能，测量相对比较方便，但具体计算比较困难。

利用有限元软件ANSYS对消声器插入损失进行有限元数值求解可以减少消声器设计和改进过程中的人力、物力投入[1-5]。

针对某4FD2-13型柴油机用消声器，采用直接模拟法和间接模拟法计算其插入损失,针对计算结果提出改进方案，并验证其可靠性。

消声器的进出口两端的参量可以看成类似于电学系统的四端子网络结构，如图1所示。

由四端子网络理论，P1，V1与P2，V2有如式(1)所示的矩阵关系。

短路传递阻抗开路传递导纳短路传递系数式(1)～(5)中：P1，P2分别为入口声压和出口声压；V1，V2分别为入口体积速度和出口体积速度； A,B,C,D为四端子网络参数，它们组成了仅与消声器结构有关的传递矩阵。

传递矩阵法(又称为四端子法)简便实用，对在气流平均、无温度梯度情况下的平面波能得到较为满意的结果[6-7]。

技术•创新/Technology and Innovation空调串联消音器的优化设计选型Optimal Design and Selection of Air Condition Series Muffler高智强夏增强吴俊鸿（珠海格力电器股份有限公司珠海519070）摘要：针对现有空调管路消音器设计指导多为单级结构，而串联扩张室消音器具有计算公式复杂，工程选型不方便的特点，首先对比了单级与串联扩张室消音器的传递损失特性，结果表明：相比单级结构，釆用串联结构，会显著增加消音器的传递损失，拓展消音器消声带宽。

基于上述规律，对原有设计方案的抗性消音器进行优化设计，优化后的消音器方案，在满足目标频率段传递损失不降低的前提下，实现消音器方案的小型化，材料成本可降低约30%。

关键词：消音器；串联结构；传递损失；优化设计Abstract:The calculation model for the existing tandem expansion chamber muffler is more simplified and the alculation formula is complex.Firstly,through the acoustic simulation analysis method,the transmission loss rule of the series expansion chamber is obtained,and the results are compared with the theoretical calculation.The results show that the simulation analysis results have a high degree of coincidence with the theoretical calculation results, and a new design method of the series expansion chamber muffler is established.Based on the above method,the expansion chamber muffler of the original series structure is optimized.The optimized silencer scheme realizes the miniaturization of the silencer scheme without reducing the transmission loss of the target frequency segment,and the material cost can be reduced by about30%.Key words:muffler;series structure;transmission loss;optimal deign引言扩张室消音器是一种利用管道中的界面积突变，改变结构声阻抗，从而产生声波的反射、干涉，达到消声的目的叫由于其结构简单、加工方便，而且可以在高温、潮湿等环境中工作，因此在空调、汽车等行业广泛应用。