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科学与财富前言：现代社会发展中，汽车排气噪声成为影响人们正常生活的不良因素之一，究其根本，主要是受到汽车排气消声系统的影响，消声器作为汽车不可缺少的一部分，其性能好坏直接决定其噪声高低。
因此，加强对汽车排气消声器性能及声学特性的研究具有重要意义。
一、排气消声器性能评价方法消声器作为一种能够有效阻挡声音传播，且能够确保气流顺利排出的设备，是汽车不可缺少的一部分。
目前，汽车排气消声器主要包括三个类型：阻性、抗性及排空三种消声器，其中抗性消声器应用范围比较广，本文主要结合抗性消声器进行性能预测。
针对消声器性能评价指标主要包括消声、空气动力及机械性能评价。
传统排气消声器性能评价方法主要采取传递矩阵法，并将其作为基础，构建插入损失及压力损失模型，为排气消声器性能评价奠定坚实的基础，通过消声器性能测试，了解和掌握其消声实际情况，能够更好地指导设计人员进行优化设计[1]。
二、排气消声器性能评价模型构建由于传递矩阵法需要大量试验研究给予支持，缺少优化设计，在设计方面存在一定局限性，使得体积偏大，不仅严重浪费物力、人力，而且在很大程度延长了开发周期，且设计效果不尽人意。
基于此，本文主要结合VB 和MATLAB进行软件评价模型设计，并从两个方面入手：（一）插入损失方面针对消声器插入损失计算，要将各个消声元件传递矩阵及总矩阵结合到一起，且为了方便调试程序等工作，将插入损失计算涉及的数据信息，存放至数据库当中。
由此可见，插入计算子模块主要包括总传递矩阵子模块及计算消声器插入子模块两部分。
在具体性能评价过程中，针对特定的频带中心频率，计算各个元件元件传递矩阵流程为选择声学元件类型———选择对应数据库———计算传递矩阵三个环节。
通过这三个环节，能够有效节省人力、物力，以最少投入，最快得出相应结果，进而实现插入损失试验目标。
（二）压力损失方面一般情况下，压力损失主要包括气流与管壁之间的摩擦、消声系统结构发生变化两方面，针对排气消声系统压力损失计算，主要按照以下流程图，如图1。
中文摘要摘要噪声污染已经成为了当今世界非常严重的环境问题之一。
汽车噪声在城市噪声中占有很大比例，在汽车的减振降噪措施中，吸声是一个很重要的途径，而多孔材料是应用得最多的吸声材料。
因此研究多孔吸声材料的吸声特点，吸声性能的影响因素具有重要的意义。
本文以玻璃纤维作为主要研究对象，探讨了多孔吸声材料的理论模型，分析了影响多孔材料吸声性能的因素，研究了多孔材料在穿孔管消声器中的应用并进行了优化设计。
论文主要工作如下：首先，介绍了多孔吸声材料的理论模型、多孔吸声材料的五个声学特征参数的定义以及测试方法。
开发了测量多孔材料流阻率的实验设备，并对几种多孔材料的流阻率进行了测量；选用质量-体积法对多孔材料的孔隙率进行了测量；基于吸声系数测量中的传递函数法对多孔材料的吸声系数进行了测量。
其次，基于Johnson-Champoux-Allard模型以及五个声学特征参数，利用声学有限元方法分析了多孔材料吸声性能的影响因素，重点研究了多孔材料的物理参数（材料厚度、材料背后空腔厚度等）、声学参数（流阻率、孔隙率等）的变化对其吸声性能的影响；基于传递矩阵以及声学有限元法，对多层复合多孔吸声材料的影响因素进行了分析。
最后，将多孔吸声材料应用于穿孔管阻性消声器中，使用声学有限元方法计算消声器的传递损失变化。
以声学特征参数为设计变量，消声器传递损失为目标函数，进行优化设计。
采用最优拉丁超立方实验设计选取样本点，生成设计矩阵；根据设计矩阵中的样本点利用声学有限元法仿真计算消声器传递损失；基于样本点以及响应值，利用Kriging近似模型拟合方法建立消声器传递损失的近似模型；最后用多岛遗传算法对消声器传递损失进行优化。
优化后，消声器传递损失增加了4.32dB，多孔材料的吸声系数在对应频率段也有所增加。
关键词：多孔吸声材料，仿真分析，传递矩阵法，目标优化I英文摘要ABSTRACTNoise pollution has become one of the most serious environmental problems in the world. Automobile noise occupies a large proportion of urban noise.Absorption is a very important method in car vibration and noise reduction measures, and porous materials are the most widely used sound absorption materials. Therefore, it is of great significance to study the sound absorption characteristics of porous sound-absorbing materials and the influencing factors of sound absorption performance. This article takes glass fiber as the main research object, discusses the theoretical model of porous sound-absorbing material, analyzes the factors which influence the sound-absorbing performance of porous material, studies the application of porous material in perforated plate muffler and optimizes it. The main work of this article is as follows: First, the theoretical model of the porous sound-absorbing material, the definition of the five acoustic characteristic parameters of the porous sound-absorbing material, and there test method are introduced. The experimental equipment for measuring the flow resistance of porous materials was developed, and the flow resistance of several porous materials was measured; the porosity of porous materials was measured by the mass-volume method; based on the transfer function measurement. The sound absorption coefficient of the porous material was measured.Secondly, based on the Johnson-Champoux-Allard model and five acoustic parameters, the acoustic finite element method was used to analyze the influencing factors of the sound absorption properties of porous materials, and the physical parameters of porous materials (material thickness, cavity thickness behind the material, etc.) were mainly studied. The effects of changes in acoustic parameters (flow resistance, porosity, etc.) on the sound absorption performance were also studied ; the influence factors of multi-layer composite porous sound-absorbing materials were analyzed based on transfer matrix and acoustic finite element method.Finally, the porous sound-absorbing material was applied to a perforated plate muffler, and the transmission loss of the muffler was calculated using the acoustic finite element method. Taking the acoustic characteristic parameters as design variables, the transmission loss of the muffler as objective function, and the optimization design is performed. The optimal Latin hypercube experimental design was used to select sample points and generate a design matrix. The acoustic finiteIII重庆大学硕士学位论文element method was used to simulate the transmission loss of the muffler according to the sample points in the design matrix. Based on the sample points and response values, an approximation model of muffler was built using the Kriging fitting method. An approximate model of the transmission loss; then, a multi-island genetic algorithm is used to optimize the transmission loss of the muffler. After optimization, the transmission loss of the muffler increased by 4.32 dB, and the sound absorption coefficient of the porous material also increased in the corresponding frequency band.Keywords: Porous Sound-absorbing Materials, Simulation Analysis, Transfer Matrix Method; Goal OptimizationIV目录目录中文摘要 (I)英文摘要 (III)1 绪论 (1)1.1论文的研究背景及意义 (1)1.2国内外多孔吸声材料研究现状 (1)1.2.1 多孔材料特征参数的研究 (2)1.2.2 多孔材料吸声理论的研究 (4)1.3论文的主要研究内容 (5)2 多孔吸声材料及其声学模型简介 (7)2.1多孔吸声材料简介 (7)2.1.1 多孔材料基本特征及分类 (7)2.1.2 多孔材料吸声机理与吸声性能评价指标 (8)2.1.3 多孔材料吸声特性 (9)2.2多孔吸声材料声学模型简介 (12)2.2.1 多孔材料声学特征参数定义 (12)2.2.2 多孔材料声学模型 (15)2.3本章小结 (19)3 多孔材料声学参数的表征 (21)3.1多孔材料流阻率的测量 (21)3.1.1 多孔材料流阻率的测量方法 (21)3.1.2 多孔材料流阻率测量设备开发 (22)3.1.3 多孔材料流阻率的测量 (23)3.1.4 多孔材料流阻率测量装置的误差分析 (25)3.2多孔材料孔隙率的测量 (27)3.2.1 多孔材料孔隙率测量方法简介 (27)3.2.2 多孔材料孔隙率的测量 (28)3.3多孔材料吸声系数的测量 (28)3.3.1多孔材料吸声系数测量方法简介 (28)3.3.2 多孔材料吸声系数测量 (31)3.4多孔材料其他声学特征参数的测量 (34)3.4.1 多孔吸声材料曲折因子的测量 (34)V重庆大学硕士学位论文3.4.2 多孔吸声材料粘性特征长度与热效特征长度的测量 (34)3.5本章小结 (35)4 多孔材料吸声性能影响因素分析 (37)4.1阻抗管有限元模型 (37)4.2仿真方法可行性验证 (39)4.3物理参数对多孔材料吸声性能的影响 (40)4.3.1 厚度多孔材料吸声性能的影响 (40)4.3.2 背后空腔厚度对多孔材料吸声性能的影响 (42)4.4声学特征参数对多孔材料吸声性能的影响 (44)4.4.1 流阻率对多孔材料吸声性能的影响 (44)4.4.2 孔隙率对多孔材料吸声性能的影响 (45)4.4.3 曲折因子对多孔材料吸声性能的影响 (46)4.4.4 粘性特征长度对多孔材料吸声性能的影响 (47)4.4.5 热效特征长度对多孔材料吸声性能的影响 (49)4.5多层复合多孔材料吸声系数理论计算 (51)4.5.1 多层复合多孔材料传递矩阵的建立 (51)4.5.2 多层复合多孔材料吸声系数计算 (52)4.5.3 理论仿真验证 (54)4.6声学特征参数对多层复合多孔材料吸声性能的影响 (55)4.6.1 流阻率对多层复合多孔材料吸声性能的影响 (55)4.6.2 孔隙率对多层复合多孔吸声材料吸声性能的影响 (57)4.6.3 曲折因子对多层复合材料吸声性能的影响 (58)4.7本章小结 (59)5 多孔吸声材料的应用与优化 (61)5.1穿孔管消声器有限元模型 (61)5.2传递导纳理论 (62)5.3穿孔管消声器仿真分析 (63)5.3.1 消声器有限元模型验证 (63)5.3.2 消声器有限元仿真分析 (64)5.3.3 考虑吸声材料的消声器声学有限元仿真分析 (65)5.4考虑吸声材料的消声器性能优化 (66)5.4.1 试验设计 (66)5.4.2 建立近似模型 (68)5.4.3 目标优化 (70)VI目录5.5本章小结 (73)6 总结与展望 (75)6.1全文总结 (75)6.2工作展望 (76)致谢 (77)参考文献 (79)VII1 绪论1 绪论1.1 论文的研究背景及意义随着现代化工业、交通运输和城市建设的快速发展，特别是城市人口的急剧增长，噪声污染已经变得日益严重。
水管路消声器声学性能的时域计算及分析水管路消声器是一种能够有效减少管道内压力脉动和噪声的装置。
如何准确地计算和分析水管路消声器的声学性能是该领域的研究重点之一。
本文将介绍水管路消声器的时域计算及分析方法。
在水管路中，噪声主要来源于流体的脉动和涡旋流的冲击引起的压力波。
水管路消声器的基本原理是利用不同的结构和材料来改变声波的传播路径和反射特性，从而减少噪声的传播和反射。
因此，对水管路消声器的声学性能进行分析需要考虑各种声波的传播、干涉和反射等复杂的物理过程。
在时域计算中，可以采用传统的数值方法，如有限差分法或有限元法，来分析水管路消声器的声学特性。
其中，有限差分法是一种基于差分方程方法的数值计算方法，可以准确计算声波在水管路中的传播路径和干涉效应。
有限元法则是一种计算机模拟方法，它将复杂的声学问题分解成小的离散单元，通过组合这些离散单元来模拟整个系统。
通过这些数值方法，可以计算出水管路消声器的传递函数、声龄、反射系数等关键参数。
另一方面，在分析水管路消声器的声学性能时，也需要考虑结构和材料等因素的影响。
例如，在设计水管路消声器时，可以采用多级设计方案，以使声波的传播路径更加复杂，从而达到更好的消声效果。
在材料方面，可以选择具有特定声学性能的材料，如聚酰亚胺、聚苯乙烯、橡胶等，以提高消声器的效能。
总之，水管路消声器是减少水管路内噪声的重要装置，需要进行准确的声学性能分析和设计。
通过应用数值方法和考虑材料和结构等因素，可以有效地改善水管路消声器的消声效果，提高水管路的使用效率。
相关数据是指在特定领域或问题上收集的有关信息和数字。
对于不同领域的数据，分析方法和识别的趋势也会不同。
下面将以商业领域为例，列举一些相关数据并进行分析，帮助企业更好地了解市场和战略。
1. 销售和收益数据销售和收益数据是企业了解市场行情的重要指标，可以帮助企业识别市场趋势和业务表现。
例如，比较去年同期和今年同期的销售和收益数据，可以确定企业正在扩大业务，推动市场份额。
收稿日期：2018-01-12作者简介：周毅（1963 -），男，上海人，教授，博士，主要从事车辆与发动机的NVH 特性、可靠性和耐久性试验研究。
多腔穿孔消声器传递损失理论计算与结构优化Analytical calculation and structural optimization of transmission loss for multi-chamber perforated muffler周 毅1,2，罗汉明1,2，范昊天1,2ZHOU Yi 1,2, LUO Han-ming 1,2, FAN Hao-tian 1,2（1.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804；2.同济大学 汽车学院，上海 201804）摘 要：多腔穿孔消声器能够有效抑制涡轮增压发动机的中高频率宽频噪声。
结合传递矩阵法和无流状态下的穿孔声阻抗模型，在线性假设的条件下，提出了多腔穿孔消声器的声学计算方法，并对某消声器进行了传递损失的预测，利用声学有限元法计算传递损失并与理论分析进行对比。
运用双声源法测量消声器的传递损失，验证了解析算法的可靠性。
在此基础上，提出了一种新型的多腔穿孔消声器结构，研究了穿孔腔间隔距离对性能的影响，并采用遗传算法对消声器进行声学优化。
结果表明，优化后的传递损失曲线与目标曲线吻合良好，能满足消声要求。
关键词：多腔穿孔消声器；传递损失；结构优化；遗传算法中图分类号：TK402 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2018)09-0102-050 引言发动机引入涡轮增压器可以增强动力性同时改善排放及消耗，但涡轮增压器本身也是一个重要的噪声源，会产生中高频率的宽带噪声。
传统的共振性消声器只能衰减窄频带的噪声，无法抑制中高频率的宽频噪声[1]。
单纯的阻性消声器由于其消声的幅值在整个频率范围内有限，因此也无法完全消除增压器的宽频噪声。
而目前的主动噪声控制技术尚不成熟、装置复杂、技术难度大。
多腔共振式消声器的声学特性分析作者：毕嵘， 刘正士， 王慧， 吴昊， 刘焕进， Bi Rong， Liu Zhengshi， Wang Hui， Wu Hao， Liu Huanjin作者单位：合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009刊名：农业机械学报英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY年，卷(期)：2008，39(10)被引用次数：1次1.阮登芳.邓兆祥.杨诚共振式消声器的声学性能分析[期刊论文]-内燃机工程 2006(01)2.Selamet A.Dickey N S Theoretical,computational and experimental investigation of Helmholtz resonators with fixed volume:lumped versus distributed analysis 1995(02)3.Chen K T.Chen Y H.Lin K Y The improvement on the transmission loss of a duct by adding Helmholtz resonators 1998(01)4.Griffin ne S A.Huybreehts S Coupled Helmholtz resonators for acoustic attenuation 2001(01)5.Bedout J M.Franchek M A.Bernhard R J Adaptive-passive noise control with self-tuning Helmholtz resonators 1997(01)6.杨诚.邓兆祥.阮登芳进气噪声产生机理及其降噪[期刊论文]-汽车工程 2005(01)1.倪学锋.林浩.严飞.姜胜宝特高压直流换流站滤波电容器噪声特性试验研究[期刊论文]-高电压技术 2010(1)本文链接：/Periodical_nyjxxb200810011.aspx授权使用：重庆大学(cqdx)，授权号：ec23d248-937e-4e46-8a02-9dc300a9cdcf下载时间：2010年7月30日。
消声器设计与声学分析消声器是一种用来减少噪音的装置，通常被应用于机械设备、汽车、船舶等噪音源的降噪处理中。
消声器的设计和声学分析是为了降低噪音水平，提高声音质量，保护人员健康和环境安全。
消声器的设计通常包括结构设计、材料选择和内部构造三个方面。
结构设计包括外形结构和内部流动结构。
外形结构的设计通常采用其中一种特定形状，如膨胀腔、缩小管道等，以便达到声波的反射、散射和吸收。
内部流动结构主要是考虑流体的流动状态，使得噪音能够尽量被流体吸收或湍流衰减。
材料的选择对消声器的性能具有重要影响。
常用的消声材料包括吸声材料和隔声材料。
吸声材料一般具有多孔结构和表面复杂性，能够将声波能量转化为热能。
隔声材料主要是通过反射和散射声波来减少噪音的传播。
消声材料的选择通常需要考虑频率范围、材料成本、耐用性等因素。
消声器的内部构造是保证其有效工作的关键。
常见的内部构造包括腔体、吸声体、隔声板等。
腔体的设计通常是为了实现声波的反射和散射，而且要避免声波的共振现象。
吸声体的设计要考虑材料的吸声特性和吸声体的形状。
隔声板一般用于隔声材料的支撑和隔离。
声学分析是消声器设计的重要一环。
通过声学分析可以确定消声器的工作原理和性能参数。
常用的声学分析方法包括声学模型、数值模拟和实验测试。
声学模型通常通过理论计算和数学模型来预测消声器的声学效果。
数值模拟则利用计算机模拟技术，对消声器内部的声场进行数值模拟分析。
实验测试则利用实验室设备，对消声器的声波特性进行实验测试和测量。
总之，消声器设计与声学分析是实现噪音控制的重要步骤。
通过合理的设计和科学的分析，能够实现噪音的降低，提高声音质量，保护人员健康和环境安全。
随着科学技术的发展，消声器的设计和声学分析将会得到进一步的优化和改进，以满足不同环境和应用领域的需求。
第34卷第4期燕山大学学报V ol.34No.42010年7月Journal of Yanshan University July 20100引言汽车排气系统中，声波和气流在消声器内是同时向外传播的，因此声学性能和空气动力性能成为汽车排气消声器最重要的两项性能指标。
声学性能是指在给定的频率范围内对排气噪声的衰减程度，通常要求在较宽的频率内具有足够高的消声量[1]。
空气动力性能反映的是消声器对气体流动的阻力状况，阻力过大会造成排气背压升高，从而降低了内燃机的输出功率，增大耗油量，甚至使内燃机不能正常工作[2]。
优良的消声器应具有足够高的消声量和尽量低的流动阻力损失。
横流穿孔管消声器因具有较宽的消声频带和良好的消声性能,被广泛应用于内燃机排气噪声控制。
在横流穿孔管消声器（如图1所示）中，气流和声波必须穿过进口管壁面上的小孔，进入膨胀腔，然后再穿过出口管壁面上的小孔，才能排出（如图2所示）,这样气流和声波的传播阻力要远大于一般抗性消声结构，在获得良好消声性能的同时，也带来了较高的阻力损失。
目前，关于横流穿孔管消声器的研究较少，仅发现文献[3]对其声学性能进行了研究，并提出一种仿真方法，文献[4]讨论了部分结构参数对阻力损失的影响。
为深入了解横流穿孔消声结构的声学和阻力特性，本文选取图1所示的典型横流穿孔管消声器，应用有限元和有限体积数值分析方法研究了结构参数对声学和阻力特性的影响。
图1横流穿孔管消声器立体结构图Fig.1Three-dimensional structure figure of cross-flowperforated tube silencer图2内部气流流动状态Fig.2Stateof internalair flow1声学性能的数值分析消声器的声学性能一般用指定频带内的消声量来表征。
因传递损失是消声器本身所具有的特文章编号：文献标识码：收稿日期：2009-11-16基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2006AA110101）；安徽省研究专项基金资助项目（2006KJ010TD ）作者简介：徐磊（1984-），男，辽宁建平人，硕士，主要研究方向为汽车NVH ；*通信作者：刘正士（1947-），男，安徽合肥人，教授，博士生导师，主要研究方向为噪声与振动控制、CAD 、机器人动态性能、测试系统动力学等，Email ：zhlhut@ 。
消声器设计与声学分析消声器是一种用来减少噪声和改善声学环境的装置。
它通过吸音、隔声和散射等方法来减少声波的能量传播和反射，从而达到降低噪声的目的。
本文将对消声器的设计和声学分析进行详细介绍。
一、消声器的设计消声器的设计是基于声学原理和工程实践的结合。
在设计消声器时，需要考虑以下几个方面：1.噪声源的频谱特性：不同噪声源的频谱特性不同，需要根据具体的噪声源设计消声器。
例如，高频噪声需要使用高吸音系数的材料来吸收，低频噪声则需要使用大孔径或多层吸音材料来实现。
2.噪声源的功率谱密度：噪声的功率谱密度决定了需要吸收的能量大小。
根据噪声源的功率谱密度，可以选择合适的消声器材料和结构来实现消声效果。
3.消声器的尺寸和形状：消声器的尺寸和形状也对消声效果有很大的影响。
一般情况下，消声器的长度以波长的1/4为宜，这样可以实现最佳的吸音效果。
同时，消声器的形状也需要满足声学的要求，如避免尖角、平滑面等。
4.吸音材料的选择：消声器的吸音材料是实现消声效果的关键。
常用的吸音材料有吸声泡沫、玻璃纤维、聚酯纤维等。
根据不同的频率要求，可以选择不同吸音材料实现最佳的吸音效果。
5.散射元件的设计：在一些情况下，需要使用散射元件来扩散声波，实现声场均匀化。
散射元件可以采用不同形状的表面结构，如波纹板、棱镜板等，来实现声波的散射。
二、声学分析声学分析是对消声器性能进行评估和优化的过程。
通过声学分析，可以定量评估消声器的吸音效果和隔声效果，并对其进行优化。
声学分析的方法主要包括数值模拟和实验测量。
数值模拟是通过建立声场模型，应用声学原理进行计算，预测消声器的声学性能。
常用的数值模拟方法包括边界元法、有限元法和声线法等。
实验测量则是利用声学测量仪器对消声器进行实际测量，评估其吸音和隔声效果。
声学分析的指标主要包括声透射系数和声反射系数。
声透射系数是指声波通过消声器的能量传递的比例，反映了消声器的隔声效果。
声反射系数是指声波被消声器反射的比例，反映了消声器的吸音效果。
多腔室穿孔管消声器声学特性分析郑晗;周其斗;毛艳蕾【摘要】采用一维解析法和三维有限元法分别预测了穿孔管消声器的声学性能，并与实验值对比，结果表明，三维有限元法能在全频段很好地预报消声器的传递损失。
采用有限元法研究了多腔室穿孔管消声器的腔室顺序、腔室数目、腔室划分和腔室间距等因素对其声学性能的影响，结果表明：多腔室穿孔管消声器的传递损失值是组成它的多个单腔室穿孔管消声器传递损失的线性叠加，腔室顺序对传递损失结果没有影响；采用插入障板的方式将单腔室穿孔管消声器划分为多腔室穿孔管消声器，可以有效改善消声器的低中频消声性能；插入障板的位置对阻性和抗性消声器的影响规律不同，障板均等划分对阻性消声器的传递损失增大有利，对抗性消声器则并不一定；腔室间距对传递损失的影响主要体现在峰值数目上，峰值大小基本不变，总体而言，腔室间距为0时，消声器在全频段具有最好的消声性能。
%One‐dimensional analytical method and three‐dimensional finite element method were adopted to predict the acoustic attenuation performance of perforated mufflers .Comparisons with experimental results demonstrated that three‐dimensional finite element method can predict the transmission loss accurately in the whole frequency band .The finite element method was then used to investigate the effects of chamber sequence ,chamber number ,chamber division and chamber distance on the acoustic performance of multi‐chamber perforated mufflers .The results show that the transmission loss of a multi‐chamber perforated muffler is the sum of all component single‐chamber mufflers’ transmission loss .The chamber sequence has no impact on thetransmission loss .It can greatly improve the acous‐tic attenuation performance to turn a one‐chamber muffler into a multi‐chamber muffler by inserting rigid baffles in the chamber .T he location of baffles has definitely different effects on dissipative and reactive mufflers .Making one chamber into two equal chambers is good for dissipative mufflers on in‐creasing the transmission loss ,which is not true for reactive mufflers .The distance between two chambers has influence on the number of peaks of transmission loss curves ,and no influence on the peak values .In general ,w hen the distance is zero ,the muffler has the best acoustic performance .【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P778-783)【关键词】穿孔管消声器;多腔室;传递损失;有限元法【作者】郑晗;周其斗;毛艳蕾【作者单位】海军工程大学舰船工程系1 武汉 430033;海军工程大学舰船工程系1 武汉 430033;91206部队2 青岛 266108【正文语种】中文【中图分类】TB535.2在汽车和船舶噪声控制中，常采用消声器降低通风系统和进排气系统的噪声.穿孔管消声器因为具有良好的空气动力性能和消声性能，在过去十几年里被广泛研究和应用.国外最早出现穿孔管消声器的研究始于Sullivan等[1]，采用一维控制体积法，推导了含有均匀流的同轴穿孔管的传递损失计算公式，并根据实验测得的穿孔声阻抗进行了数值预测，结果与实验值对比良好.Wang[2]，Selamet等[3-4]也分别采用一维解析法、二维解析法和边界元法对穿孔管阻性和抗性消声器性能进行了预报，并研究了吸声材料流阻率、厚度和穿孔率等参数变化对传递损失的影响.国内研究穿孔管消声器的主要有季振林等[5-7]，发展了子结构边界元法和有限元法用于穿孔管消声器的传递损失预测，全面系统地讨论了吸声材料、马赫数、腔室尺寸和穿孔几何等对其消声性能的影响.还有很多学者针对汽车消声器的实际应用，研究了流场[8]、温度场[9]等对消声器性能的影响，所得结果对于消声器的设计具有十分重要的意义.尽管这些研究已经十分深入并且细化，但其针对的多是单腔室消声器，对于多腔室消声器的声学性能研究以往并不多见.本文将多腔室穿孔管消声器作为研究对象，分别采用一维解析法和三维有限元法验证实验结果，详述了方法实现中的关键问题，比较了它们的优劣，并研究了腔室顺序、数目、划分和间距对消声器声学性能的影响，研究结果对多腔室穿孔管消声器的设计具有积极意义.本文分别基于MATLAB和Virtual Lab实现了一维解析法和三维有限元法，2种方法的公式推导分别见文献[2]和[10]，下面重点说明方法实现中的关键问题.1.1 一维解析法采用一维解析法计算穿孔管消声器的传递损失(transmission loss，TL)时，一个非常重要的参数就是穿孔管的声阻抗式中：tw,dh，φ分别为穿孔管的壁厚、孔径和穿孔率；R为无因次声阻；α为声学厚度修正系数.通常，R和α由经验公式求得.图1给出了常见的2种穿孔管消声器.对于穿孔管抗性消声器，过去常用的经验公式由文献[1]给出，针对穿孔率为4.2%的管，测得R=0.006，α=0.75.Melling[11]通过引入Fok函数ψ′(ξ)考虑了孔之间的相互作用，将声学厚度修正系数表示为ψ′(ξ)=1-0.409 25ξ+0.338 18ξ 3+0.067 93ξ 5-0.022 87ξ 6+0.030 15ξ 7-0.016 41ξ 8+0.017 29ξ 9-0.012 48ξ 10+0.012 05ξ 11-0.009 85ξ 12式中：S为每个孔占据的平均管壁面积.笔者通过对多个实验算例的验证，最终发现：采用Sullivan公式预测的传递损失结果对于穿孔率在4.2%左右的穿孔管是准确的，对于高穿孔率的管结果偏差很大；采用Melling公式预测的传递损失结果则能适应各个穿孔率的管，因此本文的抗性消声器计算中均采用Melling提出的声阻抗公式.对于穿孔管阻性消声器，采用Selamet给出的公式式中和分别为吸声材料的复特性阻抗和复波数，该公式考虑了孔之间的相互作用，但它只适合于穿孔率在4.2%左右的管道.实际上，对于高穿孔率管道，并没有一个十分准确的一维解析公式.1.2 三维有限元法1.2.1 穿孔管声阻抗公式的选取采用VL计算传递损失时，通常采用的声阻抗表达式为当管壁厚度极小时，Rp和Xp的表达式为式中：ε为穿孔率；η为空气的动态粘性系数；ρ0为空气密度；t为管壁厚度；Rh 为孔的半径；CF为修正因子，它取决于孔的排列类型、间距d和直径Rh等.当孔的中心为正四边形排列时，有求得声阻抗之后，可以进一步得到穿孔管的传递导纳矩阵，即式中：α1～α5即为用户输入的传递导纳参数，它是随频率变化的量.1.2.2 吸声材料的模拟采用VL模拟吸声材料时，通常把它看作具有复声速和复密度的流体介质，其复声速和复密度由下式决定其中和分别为吸声材料的复特性阻抗和复波数，通常由实验测得.本文采用了由Ji[12]推出的复阻抗和复波数公式式中：ρ0，k0，Z0分别为空气的密度、波数和特性阻抗；f为频率；σ为吸声材料的流阻率.1.3 验证与比较分别采用一维解析法和三维有限元法对穿孔管消声器的传递损失进行验证.所有实验数据均来自文献[13]，穿孔管消声器的尺寸参数为腔室长L=257.2 mm，内径D2=164.4 mm，穿孔管内径D1=49.0 mm，厚度t=0.9 mm，管内无气流.采用VL计算消声器性能的有限元模型见图2，中间细管内是空气单元，外部腔室内是吸声材料单元.图3给出了腔室内填充空气时，2种穿孔率φ和孔径dh下的穿孔管抗性消声器传递损失比较结果，可以看出：(1) 一维解析法在低频段与实验值对比很好，高频段因为不能考虑高阶声波模态相差较大，并且，相比而言，一维解析法对于低穿孔率和小孔径的穿孔管消声器预测结果比高穿孔率和大孔径的好；(2) 采用三维有限元法预测的传递损失值与实验值对比很好，在高频段仍能很好地预报出峰值频率和大小.图4给出了腔室内填充吸声材料时的传递损失比较结果.实验中填充的吸声材料为长丝玻璃纤维，填充密度100 kg/m3，流阻率4 896 Rayl/m.观察图中曲线可以看到，采用一维解析法只在低频段获得与实验值较好的一致性，高频段完全偏离真实结果，而三维有限元法的计算结果则在整个频段与实验结果吻合良好.尽管三维有限元法相比一维解析法在高频计算精度上具有无可比拟的优势，一维解析法仍可以作为大量参数计算时的一种辅助方法，因为它无需建模和网格导入等步骤，只需在程序中改动参数就可以获得大量计算结果，从而初步摸清该参数的影响规律.为便于表达和书写，定义一种命名多腔室消声器的方法，首先命名2个基准消声器：采用“1reac”表示基准穿孔管抗性消声器，它的几何参数为腔室长度L=257.2 mm，内径D2=164.4 mm，穿孔管内径D1=49.0 mm，厚度t=0.9 mm，穿孔率φ=8.4%，孔径dh=2.49 mm；采用“1diss”表示基准穿孔管阻性消声器，其几何参数完全同抗性消声器，区别是填充有密度为ρf=100 kg/m3的长丝玻璃纤维.根据该命名方法，0.5reac表示腔室长度为128.6 mm的抗性消声器，1reac1diss表示长度为257.2 mm的抗性消声器和长度为257.2 mm的阻性消声器组合而成的阻抗复合式消声器，依此类推，见图5.2.1 腔室顺序为研究腔室顺序对一个多腔室阻抗复合式消声器性能的影响，计算了图5中的4种穿孔管消声器(入口均在左端)的传递损失，见图6，从图中可以看出：(1) 除0～300 Hz低频段以外，1reac1diss消声器的传递损失曲线恰好是1reac与1diss的传递损失曲线之和，即串联多腔室消声器的传递损失是组成它的多个单腔室消声器的传递损失的线性叠加；(2) 1reac1diss与1diss1reac的传递损失曲线完全相同，说明对于多腔室消声器，腔室的顺序对传递损失结果没有影响.2.2 腔室数目首先研究穿孔管抗性消声器的腔室数目对传递损失的影响，固定腔室的总长度，在腔室内通过加入刚性障板的方式将单腔室均分为多个腔室.图7给出了单腔室1reac、两腔室0.5reac0.5reac和三腔室0.33reac0.33reac0.33reac三种抗性消声器的传递损失曲线，同时给出的Expansion Chamber为相同几何尺寸的简单扩张式消声器的传递损失曲线.从图中可以看到：(1) 比较Expansion Chamber和1reac，简单扩张式消声器与穿孔管抗性消声器的传递损失曲线在低中频段几乎重合，只在高频出现一定的差别，这说明穿孔声阻抗影响的主要是高频段的消声性能，低中频段穿孔管抗性消声器的性能预报可以由简单扩张式消声器得到；(2) 比较1reac,0.5reac0.5reac和0.33reac 0.33reac0.33reac，随着腔室数目的增多，抗性消声器传递损失曲线的拱顶数目变少，带宽增大，传递损失的峰值也明显增大.为了解释这一现象，给出简单扩张式消声器的传递损失计算公式式中为消声室的扩张比；L为消声室长度.当扩张比保持不变时，消声室长度越小，拱顶数目越少，带宽越大，而最大消声量不变.因此，0.5reac相比1reac的传递损失曲线拱顶数目变少，带宽增大，传递损失峰值不变.而根据上一节的结论，0.5reac0.5reac的消声量是0.5reac的2倍，因此0.5reac0.5reac相比1reac的传递损失峰值明显增大.图8给出了1diss，0.5diss0.5diss和0.33diss 0.33diss0.33diss 3种阻性消声器的传递损失曲线，从图中可以看到，随着腔室数目的增多，阻性消声器传递损失曲线的峰值频率降低，峰值增大.消声器第一个消声峰值以前的消声性能有了很大的改善，而峰值以后的消声量变化不大.以上结果均表明，采用插入障板的方式将单腔室穿孔管消声器划分为多腔室穿孔管消声器可以有效改善消声器的低中频消声性能.2.3 腔室划分采用一块刚性障板，将单腔室消声器划分为不等长的两腔室消声器.图9给出了不同腔室划分状态下的穿孔管消声器传递损失曲线.其中图9a)表示将抗性消声器1reac划分为0.5reac0.5reac，0.25reac0.75reac和0.125reac0.875reac，图9b)与a)类似，表示阻性消声器的划分.由图9可知，腔室划分对抗性消声器传递损失的影响规律较为复杂，在一些频段(如300～1 000 Hz)，均等划分的传递损失比不均等划分大，而在另一些频段(如1 000～1 500 Hz)则恰好相反.对于阻性消声器，不均等划分的消声器传递损失比均等划分消声器的小，并且两腔室长度差别越大，传递损失越小.也就是说，插入障板的位置对阻性和抗性消声器传递损失的影响规律并不相同，需具体分析.2.4 腔室间距本节研究腔室间距对多腔室消声器传递损失的影响规律，见图10，一两腔室穿孔管消声器的腔室间距为d，无因次量为为基准消声器的腔室长度.图11给出了不同腔室间距下两腔室穿孔管消声器的传递损失曲线.由图11可见，对于三类消声器，腔室间距的影响规律相同，随着距离d的增大，低中频段传递损失曲线的波峰和波谷数目增多，峰值大小基本不变.总体而言，腔室间距为0时，消声器在全频段具有最好的消声性能.1) 串联多腔室穿孔管消声器的传递损失值是组成它的多个单腔室穿孔管消声器传递损失的线性叠加，腔室顺序对传递损失结果没有影响.2) 采用插入障板的方式将单腔室穿孔管消声器划分为多腔室穿孔管消声器，可以有效改善消声器的低中频消声性能，但插入障板的位置对阻性和抗性消声器的影响规律不同，障板均等划分对阻性消声器的传递损失增大有利，对抗性消声器则并不一定.3) 多腔室消声器腔室间距对传递损失的影响主要体现在峰值数目上，峰值大小基本不变，总体而言，腔室间距为0时，消声器在全频段具有最好的消声性能.【相关文献】[1]SULLIVAN J W, CROCKER M J. 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