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汽车排气消声器传声损失研究综述

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第52卷第1期 V0l_52 No.1 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING 2014年1月 January 2014 doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2014.01.013 汽车排气消声器传声损失研究综述 甘传文 ,褚志刚 陆小华 (1.401 122重庆市重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心;2.400044重庆市重庆大学机械工程学院) [摘要]排气消声器是提高汽车声拳陆能的关键部件,采用合理有效的方法准确获取其传声损失,是对其进行结 构设计、性能分析及优化改进的重-g4f ̄据。本文综述了传递矩阵法、有限元法、边界元法三种典型的消声器传声 损失仿真计算方法的发展及应用,对比分析了各方法的优缺点。概括了消声器传声损失试验测量方法的研究现 状,并基于消声器的实际工况特点,指明了考虑气流及温度因素应是消声器进一步深入研究的方向,对消声器 的研究工作具有一定的指导意义。 [关键词]排气消声器;传声损失;研究进展;研究方向 [中图分类号]U464 [文献标志码]A [文章编号]1673—3142(2014)01—0049—06 Review of Transmission Loss Research of a Car s Exhaust MllIcfIer Gan Chuanwen ,Chu Zhigang ,Lu Xiaohua (1.National Coach Quality Supervision and Test Center,Chongqing Vehicle Test&Research Institute,Chongqing 401 122,China; 2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China) [Abstract]The exhaust muflfer is a key component to enhance the automobile acoustic performance.Its transmission loss acquired accurately in a reasonable and effective way is a signiifcant basis of the structure design,performance analysis and optimization improvement.The advantages and disadvantages of the three typical mumer sound transmission loss simulation methods such as the transfer matix metrhod,finite element method and boundary element method are compared,according to the review of their development and application,and the situation of the mumer sound transmission loss test measurement method is summarized.Further research in considering the airflow and temperature factor has certain significance in the mumer esealr'eh based on the actual condition of muftier characteristics. [Key words]exhaust muter;transmission loss;research progress;research directions 0引言 发动机排气噪声严重影响汽车的声学性能, 状,分析了不同方法的特点及存在的问题.并对消 声器的研究方向进行了展望,对消声器的设计改 进研究具有一定的指导意义。 进而影响其市场竞争力,目前,安装排气消声器是 降低汽车排气噪声的关键技术。排气消声器降噪 性能的好坏在一定程度上决定了汽车声学性能的 好坏,衡量消声器降噪性能的重要指标是传声损 失,其定义为消声器人口处入射声功率级与出口 处透射声功率级的差值,是消声器结构设计、性能 分析及优化改进的重要依据【”。采用合理有效的方 法准确获取消声器的传声损失。设计改进高性能 的消声器,一直是国内外学者及工程师广泛关注 的课题。国内外学者对消声器传声损失的研究已 1仿真计算的研究现状 典型的消声器传声损失计算方法主要有传递 矩阵法、有限元法及边界元法。 1.1传递矩阵法 传递矩阵法又名四端网络法、四极参数矩阵 法,是消声器传声损失仿真计算方法中使用较成 熟的一种方法,其将消声器沿噪声的传播方向分 割成若干子系统,从而建立各个子系统的传 递矩阵,具体的过程就是将子系统的输入端和输 历经数十年的历史,在仿真计算及试验测量方面 都积累了宝贵的经验。本文基于大量文献,综述了 消声器传声损失仿真计算及试验测量的研究现 收稿日期:2013—11-12 修回日期:2013—12—02 出端的声压和体积速度作为4个状态参数。建立 输入和输出的矩阵表达式,最后建立总的矩阵表 达式,从而得到整个消声器的传递特性。该方法概 念清晰,简单实用。早在1981年,Prasad等[21推导 50 农业装备与车辆工程 了具有平均气流及线性温度梯度的直管段的四极 参数;1995年,Luo等[31对穿孑L管消声器一维传递 矩阵进行了推导,计算了它的传声损失;1999— 2000年,同济大学的赵松龄等f4 研究了管道结构 中含同轴穿孔管时的声传播特性,并对穿孔管与 主管道垂直交叉时的声传播特性作了进一步分 析,导出了相应结构声传递矩阵的精确计算公式; 2005年,重庆大学的胡玉梅等[61基于消声器声传 递矩阵法,推导了几种非基本声学子结构的声传 递矩阵,编制了消声器性能仿真计算及优化程序, 利用该程序针对实际汽车排气消声器进行了结构 优化设计,并使该消声器满足该车车外加速噪声 控制和实际空间布置要求;2009年,南京航空航 天大学的冯莉黎等【7J依据传递矩阵法。对某发动机 消声器及其改进模型进行建模,对其内部声学问 题进行了理论研究和分析;2010年,浙江大学的 宫建国等[81根据声传递矩阵法,分析了一种汽车消 声器的传递矩阵,计算了该消声器的传声损失.并 利用MATLAB软件分别分析了进气管内伸长度、 排气管内伸长度、支撑板间距、穿孔直径、穿孔管 壁厚、穿孔管直径对消声器传声损失的影响 2012 年,Vijayasree[9]等基于整体传递矩阵法,考虑了吸 声内衬,对复杂多腔汽车消声器的传声损失进行 了分析,在截止频率以下,结果与实验和三维有限 元仿真结果吻合良好。2013年,Min—Chie Chiu 在 不改变消声器布置空间的情况下,为了获得宽频 和特定频率最优消声效果的消声器,采用传递矩 阵法并结合模拟退火优化算法,对由阻性单元、抗 性单元和亥姆霍兹共振腔单元组成的复合消声器 的传声损失进行了优化分析。 经过若干年不断发展完善.传递矩阵法逐渐 趋于成熟,其基于声学理论和平面波传播的假 设,在一维平面波范围内计算方便、效率高,适用 于形状相对简单、较为规则的消声器结构的低频 (<1 000 nz)计算,但是,中高频时消声器内存在 高阶模次波,该方法无法反映高次波效应_】1 2],而 且实际的消声器结构复杂.其内部声波本质上是 三维的。 1-2有限元法 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题 的一种方法,适合于具有任意形状的消声器系统, 是分析复杂形状消声器系统动态特性的有效方 法。能够有效仿真计算消声器内部复杂的三维声 场l131。有限元法的思想在20世纪40年代就已经 提出,在早期是以变分原理为基础发展起来的.广 泛应用于拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类 物理场中。自1969年以来,某些学者在流体力学 中应用加权余数法中的迦辽金法或最小二乘法等 同样获得了有限元方程.因而有限元法可应用于 任何微分方程所描述的各类物理场中。而不再要 求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。有限 元法作为一种数值分析方法.适应性强.是一种分 析复杂形状系统动态特性的有力工具。1975年, Young等㈣首次提出用有限元法来对消声基本单 元的传声损失进行分析:1976年,Craggs[-5】进一步 研究了多端输入及输出,并将抗性边界条件扩展 到耗散性边界条件消声单元的消声特性.还考虑 到了吸声壁面以及温度梯度的情况;1979年,Ast— lev等 61用加权余量法和有限元法将非均匀管道中 的声波传递扩展到具有流动介质的情形中:1982 年,Peat[ 7】以能量函数为研究对象,运用有限元方 法,对管道的四极子参数进行评价;1987年,Mun. ial E 81在其著作中详细介绍了有限元法在消声器声 学性能计算中的应用。针对有限元法计算复杂消 声器高频声学性能时.需要大的存储空间和高的 计算速度这一现实问题,一些学者对并行处理、谱 元法(PEM—spectral element method)和预处理技 术进行了研究。2003年,Mehdizadeh[ 9l对谱元法进 行了研究,在保证计算精度的条件下,提高了计算 效率:2004年.Kechroud[2 ̄[对有限元法中预处理技 术求解亥姆赫兹方程进行了研究。2006年,Bar bieri] 1结合有限元方法对消声器形状进行优化设 计,提高消声器感兴趣频段的消声效果。2013年, Antebas[22 ̄等人运用有限元法,用复声速、复密度等 效模拟吸声材料,仿真分析了直通穿孔管阻性消 声器的声学性能。 在国内,基于有限元的消声器传声损失仿真 计算研究相对较晚。2001年,天津内燃机研究所 的蓝军等[231采用有限元法对排气消声器的波动方 程进行求解,获得排气消声器的传递函数和传声 损失:2003年,江苏大学的陆森林等 首先用三维 有限元法计算出消声器的四端子参数,然后利用 所求得的四端子参数预估消声器的性能,克服了 由于高次波影响,一维理论计算公式在高频区计 第52卷第1期 甘传文等:汽车排气消声器传声损失研究综述 51 算不准确的缺陷,也克服了二维有限元法不适用 于非对称结构消声器的缺陷,取得了计算结果、理 论分析与试验值吻合的良好效果;2003年,重庆 大学的刘剑等[251建立某消声器的有限元模型,利 用ANSYS分析软件,对该消声器的结构进行了声 场分析,获得了该消声器的消声频谱特征;因为没 有考虑流场和温度场等因素,在用有限元法分析 消声器性能时跟现实有较大差距;2005年.陶丽 芳[261利用有限元法在考虑温度和气流的影响下, 对某汽车排气消声器的声学性能进行了分析: 2006年,北京理工大学的葛蕴珊等 在利用三维 有限元法研究简单结构的消声器的声学消声性能 基础上.对复杂结构的消声器进行了声学性能预 测:2008年,重庆大学的董红亮等1281运用有限元方 法对某微型客车排气消声器进行了声场分析,发 现了原消声器设计中存在的低频消声量不足和气 流再生噪声偏大的问题,并进行了改进设计; 2008年,合肥工业大学的毕嵘等[291采用三维有限 元法对不同组合结构的多腔共振消声器进行数值 仿真计算:2008年,昆明理工大学的张晓龙 30】利 用ANSYS建立消声器的网格模型,导人到商用噪 声分析软件SYSNOISE中,利用有限元法仿真分 析计算其消声性能:2009--2010年,哈尔滨工程 大学的徐贝贝等[31 21运用三维有限元方法研究穿 孔管消声器及穿孑L管阻性消声器的声学性能; 2010年,江苏大学的刘飞等『3 1应用有限元法分析 进出口管同轴扩张室式消声器的声学性能。计算 其传声损失并与一维平面波理论计算对比.分析 一维平面波理论的适用范围;201 1年,南京航空 航天大学的张袁元等 利用有限元仿真手段和试 验对原发动机排气消声器空气动力学性能和声学 性能进行了研究,并提出了消声器改进方案:201 1 年.哈尔滨工程大学的刘丽嫒等[351根据涡轮增压 发动机进气噪声特性设计两套进气消声器,采用 有限元法对进气消声器的声学特性进行了研究: 2013年,重庆大学的褚志刚等 基于有限元方法. 以扩张腔消声器为例,分析计算了消声器内部声 场,进行了传声损失的虚拟测量,对现有的三点 法、传统的单边界四点法测量传声损失进行了模 拟,探讨了尾管效应、尾端吸声系数、消声器上下 游耦合效应对传声损失测量的影响.论述了需要 采用消除上下游耦合效应的双边界条件四点法测 量传声损失的必要性,并利用该算法对典型消声 器进行传声损失测量,所得试验结果与理论结果 及有限元分析结果具有良好的一致性,同时结合 消声器内部声场的仿真结果,分析了传声器测点 位置、传声器间隔等参数对传声损失测量精度的 影响,给出了相应的传声器测点布置原则,对传声 损失的实际测量提供了借鉴。 1.3边界元法 上述有限元法是将声传播的空气域进行离散 化,根据声学波动方程,得到联立代数方程式,通 过求解代数方程式来获得声音传播空气域中的声 学特性,虽然有限元法能考虑高次谐波的影响,使 声学计算更准确,但当划分的网格达到一定数量 时,计算速度受到很大的。边界元法的兴起。 很大程度上解决了此问题,与有限元相比,它只需 对离散区域边界而不必对内部区域进行具体划 分,从而减少了划分模型单元的工作量和求解方 程的个数。1970年代,Watson和Lachat[37-381奠定了 边界元方法的相关基础;1987年.Seybe ̄和 Cheng等[ 将边界元法应用于腔室消声器静态声 学特性的分析;1991年,他们 又将边界元法用于 分析内插管结构消声器的静态声学性能:1992 年,Jia和Seybea等【4 将边界元法用于分析穿孔管 消声器的声学性能。在国内,哈尔滨工程大学的季 振林率先将边界元法用于消声器的声学特性预 测,1993年,他在博士论文中对边界元法进行了 系统阐述,并针对不足进行了大量研究142]。其采用 极坐标变换法消除积分方程的奇异性[431.用摄动 边界元法对具有线性温度梯度的消声器的四极参 数进行了计算㈣,季振林、张志华等发表了相关论 文。之后,季振林和国内其他学者对边界元在消声 器中的应用进行了深入研究,1998年,季振林等[45] 将边界元法和特征线法相结合。实现了内燃机排 气噪声和消声器声学性能预测。2004年,吉林大 学的袁兆成等I461用边界元法对某摩托车排气消声 器进行了改进设计。2005年,季振林 又用三维子 结构边界元分析了穿孔管阻性消声器的消声性 能,并用边界元法分析了吸声材料填充密度、穿孔 管穿孑L率和穿孔长度以及吸声材料厚度对消声性 能的影响。2006年,海军工程大学的张智辉等[稍1利 用间接边界元对某消声器进行了数值计算,通过 添加穿孔管结构和填充吸声材料改进了消声器。 52 农业装备与车辆工程 2014钽 2008年.哈尔滨工程大学的王雪仁等[491将双倒易 边界元法应用于预测具有三维势流存在时管道及 消声器的声学特性,阐述了其基本原理与数值过 程。2010年,哈尔滨工程大学的崔晓兵等[50-5 】对子 结构快速多极子边界元进行了研究。在节点数庞 大的情况下,其节省了计算时间。2011年,其进一 步研究了快速多极子边界元法在吸声材料中的应 用,对其计算精度、误差影响因素和误差来源进行 了分析l521。 传递矩阵法、有限元法和边界元法是常用的 消声器传声损失仿真计算方法,三者各有所长。传 递矩阵法计算简单,基于一维平面波理论,在低频 和小尺寸消声结构下具有很好的精度,但当分析 频率大于截止频率时或消声器结构复杂不满足平 面波理论时,计算结果就不再准确。有限元法能够 分析复杂消声器,能够模拟声波传播的三维效应, 理论上只要单元划分得足够细.就能够获得很高 精度的解,但实现前提需要高的计算速度和大的 存储能力。边界元法仅在求解区域边界进行离散, 相比于有限元法,其使求解问题降低了一维,大大 减少了方程组数,减轻了前期数据准备工作,最大 缺点是不适用于非均匀介质,而且因求解代数方 程组的系数矩阵是满秩非对称矩阵,由于波数被 嵌入到基础解中,矩阵表述必须重复每一个分析 频率,而有限元方法的矩阵表达形式在整个频率 范围内仅执行一次,因此,在实际应用中,对于同 样的问题,边界元方法消耗的内存和CPU时间都 要多于有限元法。 2试验测量的研究现状 试验测量是检验仿真计算结果是否准确有效 的有力方式,在消声器传声损失仿真计算技术不 断发展的同时,消声器传声损失的试验测量技术 也备受国内外学者的关注。1977年,Seybert和 Ross[5 1提出双传感器随机激励测试技术.利用双通 道快速傅里叶分析仪.测量消声器的传声损失和 其他声学性能:2000年。上海交通大学的朱蓓丽[541 等对驻波管中隔声量的测量进行了研究.分析了 三传感器驻波分离法末端吸声系数对隔声量的影 响;2002年,曲波和朱蓓丽}55】又提出了四传感器法 测量隔声量。部分消除了透声部分末端反射波的 影响,但未考虑消声器下游透射反射波对消声器 上游的耦合影响;2003年,在肯塔基大学的噪声 振动会议上,Tao和Seybert[ ̄对当前消声器传声损 失测量方法进行了综述,对声波分解法、两负载法 和两声源法进行了阐述.并用边界元法进行了验 证;2009年,中北大学的赵志芳等 对传声损失试 验测量的阻抗管法和混响室法进行了综述;2009 年。重庆大学的褚志I ̄I][581等进一步基于平面波假 设,推导了4传声器位置、双终端边界条件互谱法 传声损失测量基本原理,提出了采用4传声器位 置、双边界条件、基于传递函数的传声损失测量分 析改进算法;同年,其又为了完整计及下游侧末端 反射波对上游侧的耦合,提出了基于传递函数的 4传声器位置、双末端边界条件传声损失测量方 法,并给出了提高传递函数测量精度的传递函数 修正算法 ;2013年.其为了实现对具有声学对称 特性的消声器传声损失的快速测量。结合其声传 递矩阵内部各元素之间的数学关系,提出了一种 能够消除消声器下游透射反射波对上游声场耦合 的四传声器单载传声损失测量的新方法[6Ol。 综上,消声器传声损失测量方法主要有:声波 分解法、两负载法和两声源法。声波分解法利用分 解原理将消声器上游管道中的入射声波和反射声 波分解开来,理论上能够得到精确的传声损失,但 前提是需要全吸声尾端条件,这在现实中很难实 现,试验中只能用加长尾管和添加吸声材料近似 全吸声。两负载法和两声源法都是基于一维平面 波的传递矩阵法.通过施加两个不同边界条件求 解消声器传声损失,这两种方法不需要全吸声尾 端,两负载法实验过程不需要移动声源,相对两声 源法要简单些,但两声源法可以同时获得消声器 的传声损失和四极参数。 3消声器研究的展望 消声器传声损失的研究历经数十年的历史, 在仿真计算及试验测量方面都积累了宝贵的经 验,随着科技的发展及计算机技术的进步,学者们 对消声器的研究也日益深入。消声器内的气流对 消声器的声学性能具有重要影响,气流的存在不 仅改变了声波在消声器内的传播和衰减规律,还 会激发出气流再生噪声,目前尚无完备的资料来 展示气流再生噪声的相关理论及仿真计算方法, 现阶段几乎都是通过试验来探求各种消声结构对 第52卷第1期 甘传文等:汽车排气消声器传声损失研究综述 53 再生噪声的影响规律,因此,探究气流再生噪声的 相关理论及准确模拟计算方法,准确计算考虑气 流因素的消声器传声损失,是消声器传声损失计 算的一个研究方向;此外,消声器内的温度影响其 内声波的传播,进而影响消声器的消声特性,消声 器工作时的温度分布复杂,现阶段通常将其简化 为恒温场,或用具有线性梯度的温度场来大致模 拟实际的温度分布。当消声器温度场分布非线性 较强时.分析结果与试验数据存在较大的偏差,因 此,如何采用合理有效的方法准确考虑消声器实 际温度场对其传声损失的影响也是一个值得研究 的问题。 参考文献 【1】 马大猷,沈lIJ豪.声学手州M].北京:科学出版社,2004. 【2】 Prasad M G,Crocker M J.Evaluation of four-pole parameters for a straight pipe with a mean flow and a linear temperature gradient【J].The Journal of the Acoustical Society of America, 198l,69(4):916-921. 【3】 Luo H,Tse C C,Chen Y N.Modeling and applications of par- tially perforated intruding tube mufflers[J】.Applied Acoustics, 1995,44(2):99-1 16. 【4】 赵松龄.盛胜我.管道结构中合同轴穿孔管时的声传播特性 【J1.声学技术,1999,18(3):103—106. 【5】 赵松龄,盛胜我.抗性消声器中舍穿孔管时的声传递矩阵[J]. 声学技术.2000,19(1):2—5. 【6】 胡玉梅,许响林,褚志刚,等.基于声传递矩阵法的汽车排 气消声器设计[J】.重庆大学学报:自然科学版,2005,28(1): 15—18. 冯莉黎。翁建生.排气消声器的声学特性研究及其优化设计 fJ].噪声与振动控制,2009,29(4):123-127. 【8】 宫建国,马宇山,崔巍升,等.汽车消声器声学特性的声传递 矩阵分析[J】.振动工程学报,2010,23(6):636-641. 【9】 Vijayasree N K,Munjal M L.On an Integrated Transfer Matrix method for multiply connected mufflers【JJ.Journal of Sound and Vibration,2012,331(8):1926~1938. 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