阻抗复合式消声器声学特性的研究*

毕 嵘，刘正士，刘焕进，陆益民，陈恩伟，王 勇

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009)

前言

汽车进排气噪声是影响环境的主要噪声源之一，而消声器作为控制汽车进排气系统噪声及流体机械噪声的主要手段，其性能很大程度上决定了汽车进排气噪声的控制水平［1－2］。抗性消声器能有效降低中低频噪声而被广泛应用。穿孔管或穿孔板常被用于消声器中，一方面小孔结构可以有效地对消声器内部气流进行导流而避免截面突变而造成较大压力损失;另一方面，声波进入小孔时部分声能量得到耗散而增加了总的消声量。吸声材料可以有效提高消声器中高频的消声性能［3］。阻抗复合式消声器综合了阻性和抗性消声器的优势，极大提高了消声器的消声性能和拓宽消声频带。阻抗复合式消声器的分析方法主要包括一维平面波理论或传递矩阵法、有限元和边界元法及二维解析法。一维平面波理论或传递矩阵法适用于简单消声器的分析，但该方法忽略了高阶模态声波的影响，从而对中高频的分析结果偏差较大。有限元和边界元法常用于复杂消声器的分析，但该方法在分析频段上需要较长的计算时间。二维解析法不但满足计算精度，并且只须改变结构参数即可进行消声器的改进计算，计算周期较短。文献［4］中分析了阻抗复合式消声器的声学特性，但没有考虑小孔的结构参数对消声器声学性能的影响。文献［5］中分析了组合共振式消声器、膨胀腔和阻性消声器的多腔阻抗复合式消声器的声学性能。文献［6］中应用边界元法计算了包含阻性和抗性消声器的阻抗复合式消声器的声衰减特性。

汽车排气噪声是一种宽频噪声，通常采用单级或者多级阻抗复合式消声器，在整个频率范围内控制排气噪声，因此提高消声器的消声性能并拓宽消声器的消声频段是必要的。本文中利用二维解析法计算了组合膨胀腔、穿孔管/板和吸声材料的复合式消声器的声学特性;采用基于传递函数法的四传声器法测量了阻抗复合式消声器的消声性能，验证二维解析法的有效性和精确性，该方法可用于指导消声器的设计;在不改变消声器尺寸的情况下，研究消声器的内部结构和吸声材料的填充位置对消声器声学性能的影响;研究填充混合材料的阻抗复合式消声器的声学特性。

1 理论模型

图1为阻抗复合式消声器示意图。进口管道和出口管道分别为管道A和管道E，半径为r1。消声器膨胀腔的半径为r4，分为3个部分，即腔体B、C和D，腔体填充吸声材料，吸声材料和气流通道被穿孔管隔开(如腔体B被分成B1和B2)，长度分别为LB，LC和LD，腔体B与D中的吸声材料厚度为r4－r2，腔体C中的吸声材料厚度为r4－r3，腔体之间被部分穿孔板隔开，~ζp为穿孔管/板声阻抗。利用相邻腔体界面处声压和质点速度的连续性条件可以得到消声器内部的声压分布，从而获得消声器的传递损失。

1.1 进口管和出口管的声传播(A和E)

消声器进口管内部声压由亥姆赫兹方程的解可以得到［5］:

出口管E的声压和质点速度与进口管A类似。

1.2 膨胀腔内部的声传播(B、C和D)

假设消声器内部的吸声材料均匀绝热，可将吸声材料等效为具有复声速~c和复密度~ρ的流体。在腔体B中，声波传播分为两部分，一部分通过气流通道B1传播，另一部分通过穿孔管/板的小孔在吸声材料通道B2中传播。波数k在腔体B中为

腔体B中的波数满足下列方程［5］，解该方程则可以得到在腔体B中的波数:

式中:Y0、Y1为零阶和一阶纽曼方程。由文献［5］可得穿孔管声阻抗为

式中:tw为穿孔管厚度;dh为穿孔直径;φ为穿孔管穿孔率;F(φ)为孔之间的耦合作用的修正函数;Z0=ρ0c0，为空气的特性阻抗;，为吸声材料特性阻抗;R为吸声材料流阻率。和可由下式得到:

腔体B中的声压为

其中

腔体B中的质点速度为

腔体B中的穿孔管被刚性管道代替，即进口管延伸情况，腔体B2中的特性方程为

在腔体C和D中的声压和质点速度的表达式与腔体B类似。

1.3 消声器传递损失的计算

在不同腔体界面处，由声压和质点速度的连续性条件可得在x=0和x=LB处，有

2 消声器实验装置

消声器声学性能测试装置如图2所示。实验采用B＆K的4206－T系列阻抗管测试消声器的传递损失。该系统主要由3部分构成:①信号发生系统，由功率放大器和扬声器构成;②信号采集系统，由传声器、数据采集系统和信号采集与处理软件Pulse系统构成;③消声器及管路系统，由连接管道、被测消声器和末端构成。采用两载法测量和计算消声器的传递损失［7］，测量时参照ASTM 标准 E1050—98对传声器相位不匹配造成的误差进行修正［8］。

3 实验结果分析

3.1 实验验证

抗性消声器和阻抗复合式消声器的实验结果与计算结果比较如图3所示。消声器的参数为:进出口管内径d1=29mm，膨胀腔内径d4=100mm，膨胀腔长度L=200mm。穿孔管/板参数为:腔体B和D的穿孔管内径 d2=29mm，长度 LB=LD=50.8mm。腔体C的穿孔管内径为d3=63.5mm，穿孔管/板穿孔率φ=6%，穿孔管/板厚度tw=1mm，穿孔直径dh=3mm。吸声材料的流阻率R=12 000 Rayls/m。在整个频率范围内，消声器传递损失的二维解析法计算结果与实验值吻合良好，表明二维解析法能比较准确地预测阻抗复合式消声器的声学性能。由图3可以看出，相对于抗性消声器，阻抗复合式消声器大大提高了消声器的消声性能。

3.2 进出口延伸对消声器声学性能的影响

将腔体B和D的穿孔管替换为刚性管道，改变了进出口刚性管道的长度，进出口延伸结构对阻抗复合式消声器声学性能的影响如图4所示。在500Hz以下的低频段，复合式消声器的传递损失和抗性消声器基本相同。在500～1 100Hz之间，进出口延伸和进口延伸消声器的传递损失大于进出口均不延伸的消声器，而在1 100Hz后的中高频段，进出口均不延伸的复合式消声器的消声性能则要优于进出口延伸结构的复合式消声器。

3.3 吸声材料填充位置对消声器声学性能的影响

图5示出在腔体不同位置填充吸声材料对消声器消声性能的影响。在低频部分(低于500Hz)，阻抗复合式消声器传递损失曲线和抗性消声器类似。在中高频处，阻抗复合式消声器大大提高了消声器的消声性能，消除了抗性消声器传递损失中的通过频率。阻抗复合式消声器几乎在整个频带要优于阻性消声器(吸声材料厚度与腔体C相同)。全填充式阻抗复合式消声器在500～1 500Hz之间的消声性能优于只在腔体B和D中填充吸声材料的消声器，后者在2 200～2 600Hz之间体现了更好的消声性能，这是由于后者的抗性部分在该频带范围内有和抗性消声器类似的共振峰，提高了该频带的消声性能。

3.4 流阻率对消声器声学性能的影响

多孔吸声材料的流阻率影响消声器的声学特性。消声器中的吸声材料存在最佳流阻率，设计时需优化选择［9］。文献［10］中给出了确定吸声材料流阻率的测量方法。流阻率不但影响吸声材料的特性阻抗，而且影响穿孔管/板的声阻抗。图6给出消声器在不同流阻率下的传递损失曲线，随吸声材料流阻率的降低，消声器的消声量几乎在整个消声频段上有所降低，传递损失曲线峰值往高频方向移动。

3.5 混合材料对消声器声学性能的影响

阻抗复合式消声器中往往只填充一种密度的吸声材料，本文中测量和考察了混合材料对消声器声学性能的影响。试验中采用密度为11.8和26.2kg/m3的两种多孔吸声材料。吸声材料密度的改变会影响材料的流阻率，从而影响吸声材料的特性阻抗。图7给出混合吸声材料和单一密度吸声材料的复合式消声器的传递损失曲线。腔体B和D填充低密度材料，腔体C填充高密度材料的消声器(混合式2)相对于填充单一密度材料的消声器不但提高了消声器的传递损失，而且拓宽了消声频带。腔体B和D填充高密度材料，腔体C填充低密度材料的消声器(混合式1)的消声量略有增加。

4 结论

采用二维解析法推导了阻抗复合式消声器的声学模型，分析了阻抗复合式消声器的声学性能。通过阻抗复合式消声器的实验研究，验证了二维解析法可在整个频率范围内比较准确地预测消声器的声学特性。阻抗复合式消声器吸声材料的填充位置对消声器在不同频段上的消声性能会产生一定影响。进出口延伸结构使阻抗复合式消声器的消声性能在低频处有所提高，但在中高频处则降低了消声器的消声性能。若不增加消声器的尺寸，可考虑在消声器内部填充两种不同密度的吸声材料，以提高消声器部分频段的消声性能，拓宽消声器的消声频带。

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