简单抗性消声器气流再生噪声研究

高小新+匡芳+褚志刚

摘 要：以简单扩张式消声器为研究对象，基于CFD+Virtual.Lab联合仿真方法，从声源类型角度分析了抗性消声结构中气流再生噪声的产生机理和影响因素。结果表明，偶极子和四极子是造成消声器气流再生噪声的主要因素，且扩张消声器中气流速度和出口管偏置距离的增加都会导致其气流再生噪声值的增大；相较于偶极子声源，四极子声源是扩张式消声结构中气流再生噪声的主要来源，且在低频处声压贡献量尤为明显。最后通过对比基于两种不同方法的气流再生噪声仿真结果，证明两种声源类型对气流再生噪声的贡献量不相关，为气流再生噪声计算提供了新思路。

关键词：消声器；偶极子；四极子；气流再生噪声

中图分类号：U467.4+93 文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.08

Abstract：The regeneration noise mechanism and influence factors of simple reactive muffler were studied from the point of view of sound source type based on CFD and Virtual.Lab. The results show that flow regeneration noise is primarily caused by the dipole and quadrupole source and it becomes larger when the flow velocity and offset distance of outlet pipe are increased. The quadrupole is the main source of flow regeneration noise in the reactive muffler when compared with the dipole， especially in the low frequency region.Finally the conclusion drawn from the comparison of simulation results of the two methods shows that the two source types are irrelevant. The paper provides a new idea to calculate the flow regeneration noise.

Keywords：muffler； dipole source； quadrupole source； regeneration noise

随着内燃机逐渐向高速化发展，气流再生噪声已成为影响消声器消声性能的重要因素。关于排气系统中气流再生噪声的问题，国内外学者已进行了相关研究。1981年，NESLON等[1]给出了排气系统中存在单个扰流板时，扰流板造成的流体再生噪声声功率级表达式。MAK等[2-5]在前人基础上推导出了在低速流体管中存在两个密集型扰流板时，扰流板产生的再生噪声声功率级表达式。LAFON等[6]从二维、三维及试验的角度研究了蒸汽管道中的流体噪声现象，并分析了流体-噪声耦合，流体-结构耦合对流体噪声的影响。MAK等[7]通过CFD仿真，建立了再生噪声辐射声功率与扰流板区域湍流动能的联系，以此预测存在多个扰流板时通风系统管道中再生噪声的声功率。邓兆祥等[8]对穿空管消声单元在不同结构尺寸和气流速度下进行了气流再生噪声测量，分析了主要结构参数对气流再生噪声的影响，并揭示了穿孔管消声单元气流再生噪声的产生机理。赵海军等[9]建立了穿孔管消声器气流再生噪声总功率的公式，探讨了穿孔率、穿孔直径、穿孔部分长度及腔体直径对气流再生噪声的影响。吴大转等[9]通过数值仿真和试验的方法研究了抗性消声器再生噪声特性。

上述文献对气流再生噪声的产生机理、测量方法进行了研究分析，并探讨了结构尺寸、流体速度等因素对其的影响规律，为消声器声学性能的改进设计提供了有益参考，但鲜有文献从声源类型角度对气流再生噪声进行分析。

本文基于CFD+Virtual.Lab联合仿真方法，首先探讨了气流速度、出口管偏置距离对偶极子声源和四极子声源的影响规律，进而研究了两种不同声源类型对气流再生噪声声压贡献量的大小，最后通过对比两种方法计算出的扩张式消声结构中气流再生噪声曲线，给出了两种声源之间的关系。

1 流场控制方程

c0为声速，m/s；为固体表面；V0为声源分布体； n为外法线矢量；S（y）为流体中物体表面积，m2；V（y）为流体中物体体积，m3。

2 不同声源类型对气流再生噪声的影响

气动声学的基本声源包括单极子声源、偶极子声源和四极子声源。其中，单极子声源只是存在于低速气流的不稳定状态，通常忽略其影响；偶极子声源则发生于气流速度较高时气流遇见异物，由壁面压力脉动形成，偶极子辐射声功率与气流速度成6次方关系；四极子声源则产生于高速气流中，流场中无障碍物，四极子辐射声功率与气流速度成8次方关系，由湍流速度脉动形成。

2.1 偶极子声源对扩张消声器气流再生噪声的影响

扩张式消声结构进、出口管布置在腔室不同侧的端板上，几何结构如图1所示。本文结构尺寸取为：

d1d236 mm，l1l2100 mm，l200 mm，D200 mm。

图2分别给出了扩张式消声器中偶极子声源在不同气流速度和出口管偏置距离时的气流再生结果。图2a是进口管与腔体同轴，出口管偏置0.63倍腔体半径[12-13]的扩张式消声器在不同气流速度下的再生噪声比较。由图可知，再生噪声值随着气流速度增加而明显增大，说明汽车排气速度越大，气流再生噪声也越大。此外，气流再生噪声值随着频率的增加先增大后减小，频谱呈现出宽频特性。图2b和图2c是进口管与腔体同轴，出口管分别偏置0、20 mm、36 mm、63 mm和80 mm时扩张式消声器气流再生噪声的比较。综合比较两图可知，出口管偏置后扩张式消声器气流再生噪声在整个分析频率范围内有所提高，但是出口管偏置距离达到临界值（进出口管管径）后，继续增大偏置距离对消声器的气流再生噪声不再有明显影响。这是因为出口管偏置后，从进口管流入的高速气流未能全部直接从出口管出去，而是部分撞击到对面腔体壁上，产生较大压力脉动，所以出口管偏置后气流再生噪声值会明显增大。但当偏置距离达到一定值后，从进口流入的气流束全部撞击到对面腔体壁面上，偏置距离继续增大已经对撞击到对面腔体壁面的气流束没有影响，所以气流再生噪声值基本保持稳定。对于本文研究的消声器结构，偏置距离的临界值为36 mm，即进出口管的管径。

2.2 四极子声源对扩张消声器气流再生噪声的影响

图3a给出了扩张消声器结构中偶极子和四极子声源分别在45 m/s及90 m/s时气流再生噪声的对比结果，图例中第一组（黑线和红线）代表偶极子，第二组（紫线和蓝线）代表四极子。由图可知，相同气流速度下，二者的声压级曲线在低频处差异明显，四极子再生噪声值明显大于偶极子，而在中高频差异很小。图3b给出了偶极子和四极子声源引起的噪声值随出口管偏置距离的变化。由图可知，相同偏置距离时，四极子引起的气流再生噪声值亦大于偶极子。综合两图可知，气流速度和偏置距离对四极子声源的影响规律和偶极子一样，都随其值增加而增大。

3 典型扩张式消声器气流再生噪声仿真

气动噪声的数值仿真方法有：直接数值模拟法（CAA），CFD气动声学法和CFD+Virtual.Lab混合方法，表1给出了各种方法的应用范围。由表1可知，CFD+Virtual.Lab混合方法是目前应用比较广泛，也比较理想的一种方法，所以本文采用这一方法来计算消声器气流再生噪声。

仿真流程如图4所示。

3.1 扩张式消声器气流再生噪声

由于消声结构中气流再生噪声主要是偶极子和四极子声源共同作用的结果。因此，本节以典型扩张消声器为研究对象，进一步探讨了偶极子和四极子共同作用引起的气流再生噪声，分析了两种声源类型对气流再生噪声声压贡献量的大小。

图5中蓝线代表进口管与腔体同轴，出口管偏置0.63倍腔体半径的扩张消声器的气流再生噪声值随频率的变化曲线。相较于只考虑偶极子声源，其气流再生噪声在0～1 000 Hz的频率范围内明显增大；而相较于只考虑四极子声源，其气流再生噪声无明显变化，两条曲线几乎完全重合。由此说明对于扩张式消声器的气流再生噪声而言，四极子声源的声压贡献量在低频处起主要作用。

3.2 偶极子和四极子声源相关性分析

图6是用两种方法计算出的偶极子和四极子声源共同作用引起的气流再生噪声。一种是同时考虑两种声源时计算出的结果，另一种则是将两种声源单独的气流再生噪声声压级值相加得到的结果。由图可知，说明两种声源对气流再生噪声的贡献量是不相关的，二者声功率的和就等于气流再生噪声的总声功率。

4 结论

（1）消声器气流再生噪声的频谱呈现宽频特征，气流速度越大再生噪声越大。出口管偏置后扩张式消声器的气流再生噪声在整个分析频率范围内显著增大，但是，当出口管偏置距离达到临界值（进口管管径）后，继续增大偏置距离对消声器的气流再生噪声不再有明显影响。

（2）对于扩张式消声结构，一般情况下四极子是气流再生噪声的主要声源，其在低频处的声压贡献量尤为明显。

（3）偶极子和四极子声源对气流再生噪声的贡献量不相关，将二者单独计算得到的结果相加可得到消声器总气流再生噪声值。

参考文献（References）：

NELSON P A，MORFEY C L. Aerodynamic Sound Production in Low Speed Flow [J]. Journal of Sound and Vibration，1981，79（2）：263-289.

MAK C M，YANG J. A Prediction Method for Aerody-namic Sound Production by Closely Spaced Elements in Air Ducts [J]. Journal of Sound and Vibration，2000，229（3）：743-753.

MAK C M. Development of a Prediction Method for Flow-generated Noise Produced by Duct Elements in Ventilation Systems [J]. Applied Acoustics，2002，63（1）：81–93.

MAK C M. A Prediction Method for Aerodynamic Sound Produced by Multiple Elements in Air Ducts [J]. Journal of Sound and Vibration，2005，287（1-2）：395-403.

HAN N，QIU X J，MAK C M. A Further Study of the Prediction Method for Aerodynamic Sound Produced by Two in-duct Elements [J]. Journal of Sound and Vibration，2006，294（1-2）：374–380.

LAFON P，CAILLAUD S，DEVOS J P，et al. Aeroacoustical Coupling in a Ducted Shallow Cavity and Fluid Structure Effects on a Steam Line [J]. Journal of Fluids and Structures，2003，18（6）：695-713.

MAK C M，AU W M. A Turbulence-based Prediction Technique for Flow-generated Noise Produced by In-duct Elements in a Ventilation System [J]. Applied Acoustics， 2009，70（1）：11-20.

邓兆祥，赵海军，赵世举，等. 穿孔管消声单元气流再生噪声产生机理[J].内燃机学报，2009，27（5）：452-457.

DENG Zhaoxiang，ZHAO Haijun，ZHAO Shiju，et al. Producing Mechanism of Flow Noise Generation from Perforated Duct Muffler Element [J]. Transactions of CSICE，2009，27（5）：452-457.（in Chinese）

吴大转，陈一伟，苗天丞，等. 抗式消声器二次噪声的研究[J].浙江大学学报（工学版），2014，48（9）： 1661-1667.

WU Dazhuan，CHEN Yiwei，MIAO Tiancheng，et al. Study on Regeneration Noise of Reactive Muffler [J].Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2014，48（9）：1661-1667.（in Chinese）

伍文华，杜平安，陈燕，等.大涡模拟在轴流风扇气动噪声仿真中的应用[J].机械设计与制造，2013（1）：63-65.

WU Wenhua，DU Ping'an，CHEN Yan，et al. The Application of Les in Aerodynamic Noise Simulation for Axial Fan [J].Machinery Design& Manufacture， 2013（1）：63-65.（in Chinese）

蔡建程，刘志宏，曾向阳. 气动声Lighthill方程的Kirchhoff积分解分析[J].声学技术，2014，33（2）：99-103.

CAI Jiancheng，LIU Zhihong，ZENG Xiangyang. An Analysis of the Kirchhoff Integral Approach to the Lighthill Equation in Aeroacoustics [J].Technical Acoustics， 2014，33（2）：99-103.（in Chinese）

褚志刚，陆小华，沈林邦，等.抗性消声结构声腔模态对其消声特性的影响研究[J].内燃机工程，2016，37（4）：147-154.

CHU Zhigang，LU Xiaohua，SHEN Linbang，et al.

Effects of Acoustic Modes in Chamber on Acoustic Attenu-ation Characteristics of Reactive Silencing Elements [J] Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2016，37（4）：147-154.（in Chinese）

褚志刚，匡芳，高小新，等.出口管过渡圆弧对抗性消声器性能的影响及应用[J].农业工程学报，2015，31（6）：105-112.

CHU Zhigang，KUANG Fang，GAO Xiaoxin，et al. Effects of Outlet Pipe Transition Circular Arc on Properties of Reactive Muffler and its Application [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（6）：105-112. （in Chinese）