扩张比对抗性消声器性能的影响分析

白云，李宁

引言

复杂结构的消声器都是由简单的消声单元构成，因此，对简单消声结构、消声性能的分析有助于对消声器内部结构的组成及性能有进一步的了解，便于设计消声性能高的消声器。

由于内燃机排气温度高，且存在一定的毒害气体、焦油、积碳等问题，易使阻性消声器中的阻性吸声材料失效，所以在内燃机排气消声器中大多采用抗性消声器。抗性消声器不使用吸声材料，依靠管道的组合、管道截面的突变、旁接共振腔等方法，在声传播过程中引起阻抗失调，产生声能的反射、干涉，从而降低声能向外辐射，进行消声。

一些专家、学者在GT-Power软件及其Muffler模块的基础上，建立了汽车和其他机械用消声器的仿真模型，将仿真分析结果与实验或其他计算结果综合比较，验证了GT-Power软件所具有的良好消声器模拟分析性能[1～5]。基于此，本文应用 GT-Power软件主要分析了扩张比对抗性消声器性能的影响。

1、GT-Power软件及Muffler模块简介

GT-Power软件是美国 GTI公司基于计算机技术和数值计算方法开发的发动机性能模拟与仿真软件，其中包括为消声器建模而专门设计的图形化处理模块Muffler，可以预测消声器的降噪效果。Muffler模块，可以比较全面的设计消声器，包括消声器壳体外形、尺寸、端面及各种内部元件等图形化前处理程序和各种噪声与声学分析模块。

消声器的设计在二维平面图中进行，Muffler模块提供了正视图及左视图两种视图模式，方便按工程图的方式填充部件。绘制完二维图后可以把模型直接转化为三维图，由于壳体是透明的，可以清晰地比较是不是所希望的内部设置，并可回到二维加以改正。Muffler模块可把设计完成的二维消声器模型网管化，并将其转化为*.dat文件，导入GT-ISE中生成连通的网管，为消声器性能的进一步分析奠定了基础。仿真运行结果可以在GT-Post中查看，仿真后的数据也可以导出重新进行各种比较或者进行其他处理。[6]

这种图形化的建模方法直观、方便，不仅提高了消声器设计精度，并且减少了消声器建模的工作量，为建立复杂形状的消声器模型提供了极大的方便。

2、扩张比对抗性消声器消声性能分析

常用的抗性消声器有扩张式、共振腔式、干涉式、穿孔板式等。本文基于简单扩张式消声器对抗性消声器的消声性能予以分析。简单扩张式消声器结构模型如图1所示。

① 解析法分析

基本扩张腔式消声器是最简单的消声结构，根据一维平面波理论和声学四端网络法，可求得基本扩张腔的传递损失为：

由式（1）可见，消声量TL与sin(kl)值有关，而sin(kl)是频率的周期性函数，因此单节抗性消声器的消声量也将随频率周期性变化。

当 kl为π的整数倍时，即 kl=nπ（n=1、2、…）时，sin(kl)=0，此时消声量即为零，其相应的频率称为通过频率。通过频率和相应的扩张腔长度分别为：

可见当抗性消声器的扩张腔长度为四分之一波长的奇数倍时，消声量为最大值，而当扩张腔长度为二分之一波长的整数倍时，消声量等于零。

由式（1）可知，消声量随扩张比m值的增大而提高，但当m值过大时，扩张腔截面积也较大。此时，也会如阻性消声器一样产生抗性消声器的高频失效现象，使消声量显著降低。抗性消声器的上限失效频率通常可由式中，c为声速，d为扩张腔截面特征尺寸，圆管为直径，方管为边长，矩形管可取截面积的平方根。

抗性扩张腔消声器存在上限频率之外，还存在着下限频率，即当声波波长比扩张腔尺寸大得多时，由于扩张腔与连接管本身也构成一个共振系统，相当于一个低通滤波器，当声波频率与其共振频率相同时，消声器将失去消声作用。通常取2倍的共振频率为抗性消声器的下限失效频率，则：，式中，c为声速，S为消声器气流通道截面积，l为扩张腔长度，V为扩张腔体积。

根据上述公式可求出扩张比和消声量的对应关系，如表1所示。从表中可知，最大消声量与扩张比同在一个数量级，扩张比越大，消声量越大。如果把消声量与扩张比的差值作为简单扩张腔消声效率的一个指标，易知在扩张比为11时，简单扩张腔的消声效率最高。

表1 扩张比与消声量对应关系Table1 The relationship of expansive proportion and transmission loss

由表1可知，理论上的扩张比取11时，消声效率最高，但在实际应用中，由于各方面因素的影响，不可能准确的取到11，此时，要根据实际情况，需要各方面均衡后得到最佳值，一般取9

② 数值分析

应用 Muffler模块分析扩张比对抗性消声器消声性能的影响。固定扩张腔的容积，设消声器长度L=500mm，主截面半径D=75mm。图2给出了扩张比对消声性能的影响曲线，其中m代表扩张比，TL代表传递损失。

如图所示，可得出以下结论：

1）随着扩张比的增大，基本扩张腔的消声量明显提高，扩张比对基本扩张式消声器的最大消声量起着决定性影响。但当扩张比增大到一定时，消声率呈下降趋势，如曲线变得密集，因此欲使消声器获取较大的消声量，则应在容许范围内尽可能的增大扩张比，并不是越大越好，而需要综合考虑各方面的因素。

增加扩张比的途径有两条：一是增加扩张腔的截面积，二是减小管道的截面积。增加扩张腔的截面积往往受到安装空间的限制，并且当扩张比增大到一定之后，波长很短的高频声将会以窄束的形式从扩张室中央穿过，造成消声高频失效。因此，在设计消声器时必须要考虑扩张腔截面尺寸对消声上、下限频率的影响，使上、下限频率在实际需要的有效消声频率范围之外。减小管道的截面积会影响到气流流通，并且当管道的截面积过小时会引起气流速度过大，从而产生很高的摩擦噪声。

在实际问题中，扩张比受到客观条件限制不宜或不能够取得很大，因此单节扩张腔的消声量受到限制。

2）由图可知，传递损失曲线近似周期性的接近 X轴达到传递损失最小值，即存在通过频率。

在实际应用中，通常在扩张腔中插入一段插入管，选择长度合适的插入管的作用是弥补简单扩张腔所具有某些通过频率的缺点，提高消声效果。

3）低频消声结果较好，但高频很不理想，这是由于扩张腔横截面积较大时，较高频率的声波在扩张腔内不再保持近似为平面波，而是集中在扩张腔中部以窄声束通过，经出口管直接传播出去。这样扩张腔就不能发挥其消声作用，从而使得消声效果明显下降，这就是所谓的高频失效现象。因此，在设计消声器时必须要考虑扩张腔横截面尺寸对消声上、下限频率的影响。

在实际应用中，为了改善中高频噪声的消声效果，通常采用以下两种措施：一是把消声器通道分割成若干个并联的小通道，相对应的扩张室就只有比较小的截面面积，从而可使消声上限频率提高；二是使进、出口管偏置，使声波不能直接穿过扩张腔。

图2中所示的传递损失变化规律与理论解的结果符合，由此可以证明 GT-Power软件的可靠行，可以用于后续的分析研究。

3、结语

应用GT-Power软件及其Muffler模块对简单扩张式消声器进行了结构及消声性能分析，明确了消声器的扩张比对抗性消声器消声性能的影响关系，有利于消声器的优化设计，为进一步分析消声器的性能做了铺垫，并验证了 GT-Power软件所具有的良好模拟仿真性能。

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