基于COMSOL的泡沫铝阻性消声器消声性能研究

0 引言

泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡的特征

。它具有密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装等优点

。因其具有优异的物理性能、化学性能和力学性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景，是很有开发前途的工程材料，尤其是在现代汽车制造应用领域

。阻性消声器作为一种常见的汽车消声装置具有结构简单、流动阻力损失低且在中高频段表现出的良好消声性能而被广泛使用。目前市面上大多数阻性消声器中吸声材料为玻璃棉或石棉等纤维材料，但其存在一个共性问题就是在长期使用的过程中吸声材料容易产生老化、粉尘、吸潮等现象，从而使其消声性能大大降低。泡沫铝是通过金属与气体的共品凝固获得的，所以其内部储藏大量气体和骨架通道，当声波传播至材料内部时，由于材料内部具有许多微小间隙和纵横交错连续贯通的气泡，局部共振和摩擦会导致部分声能转化为内能从而起到很好的隔音降噪能力

，所以近些年被广大研究学者广泛研究应用于噪音源的吸隔声材料。梁李斯

等设计了两种不同结构的泡沫铝消声器，分别计算了其插入损失并与普通扩张式消声器相比消声性能更好；王应武

等研究了Al-Si12 泡沫芯消声器吸声性能与泡沫芯孔结构、泡沫长度及声波频率的关系；韩宝坤

等在原有泡沫铝消声器的结构上通过改变进出口管和中间管的长度和直径，对其消声器性能进行了优化分析；张绪涛

对比了消声器中泡沫铝、铜粉末烧结件两种不同材质吸声材料的排气和消声性能。上述研究大部分都是针对消声器本体结构进行分析研究，而对于消声器内部元件(例如内部穿孔管)或泡沫铝材料其它结构参数对其消声性能的研究较少。本文基于Delany-Bazley-Miki多孔介质声学模型，运用COMSOL有限元软件研究和分析了内部穿孔管和泡沫铝吸声材料结构参数对泡沫铝阻性消声器消声性能的影响，为实际工程应用泡沫铝阻性消声器的优化设计提供了一定的理论基础。

1 数值建模

首先基于COMSOL有限元软件对泡沫铝阻性消声器进行了三维几何建模，如图1所示，其中穿孔管位于膨胀腔内部并于进出口两端相连，如图2所示。

综上所述，妊娠期高血压疾病患者出现早期肾功能损伤情况下，其血清Cys-C、Hcy及尿mALB表达水平升高，并与病情严重程度呈正相关关系，提示检测血清Cys-C、Hcy及尿mALB能帮助临床医师判定病情严重程度，利于及早制定防治措施；血清Cys-C、Hcy与尿mALB对临床诊断妊娠期高血压疾病患者早期肾功能损伤具有较高的临床价值，值得推广应用。

1.1 控制方程：

泡沫铝阻性消声器内部存在两种介质：空气和泡沫铝吸声材料。对于均质吸声材料中的声波，需要在理想静态气体声波方程的基础上进行修改以考虑孔隙率、流阻率和结构因子的影响。得到的修正声波方程如下所示：

2001年9月，Honeywell公司研究人员，利用脉冲声波的音量声强快速变换，让人能够在密闭空间的强反射环境下，大致分辨出声源方向，并对浓烟情况下有指向性脉冲声音引导与无声音引导进行了对比测试。测试结果显示，有方向引导作用脉冲指示音频的引导效率，是无方向引导作用脉冲指示音频引导效率的4倍以上。

(1)

1.2 边界条件：

在传递损失的计算中主要需要用到的几种边界条件如下所示：

c.内部多孔管边界，适用于消声器的穿孔区域。

本次研究的频率范围为100-5000Hz，在进行三维几何构型和相关参数设定后需对其进行声学网格划分，具体声学网格划分情况如图3所示。

(2)

b.平面波辐射边界，适用于消声器的进出口边界。

(3)

给定入射声压

时有：

在应用

软件对消声器的声学性能进行声学仿真时，其进出口边界均被定义为平面波辐射边界，则其出口声压即为透射声压，而入射声压为给定值 。故只用利用出口声压 就可以求得消声器的传递损失，即：

(4)

（1） 菌悬液的制备。将供试菌金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌分别接种到斜面牛肉膏蛋白胨培养基上，再培养18～24 h，取出后使用5 mL无菌生理盐水洗出，稀释成质量浓度为1×107～1×108CFU/mL的菌悬液置于无菌操作室内备用。

(5)

(6)

(7)

内部硬声场边界，适用于声场内部固体边界。

式中，角标“1”、“2”代表穿孔管的两侧；

表示动力粘度系数；

表示孔隙率；

表示壁厚；

表示孔径；

表示端部修正；

表示流阻。

(8)

(9)

1.3 材料定义：

在COMSOL中定义消声器内部流体材料为空气、吸声材料为泡沫铝

、内部板为穿孔管，其基本属性参数分别如表1、表2、表3所示：

传递损失定义为出口无反射端时，消声器进口处入射声功率级与出口处透射声功率级之差

，表示为：

时代是思想之母，实践是理论之源。中国改革开放四十年的理论和实践，实现了经济社会快速发展，被誉为“中国奇迹”，给世界上既希望快速发展又希望保持自身独立性的国家和民族提供了全新选择，为解决人类发展问题贡献了中国智慧和中国方案。“一切向前走，都不能忘记走过的路；走得再远、走到再光辉的未来，也不能忘记走过的过去”[5]。值改革开放40周年之际，我们不禁要问，中国改革开放成功的原因是什么？中国创造经济社会发展奇迹的奥秘是什么？

1.4 传递损失：

本文在Chen和Juvenal(2016)的模型基础上，将垂直专业化纳入企业成本函数以反映汇率变动对生产成本的影响，引入垂直专业化的“成本效应”，即垂直专业化程度越高的企业生产的出口产品中进口中间品的比例也越高，当汇率升值使得进口中间品相对更便宜时，垂直专业化程度越高的企业生产的成本也会越低。

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)

(10)

曹琼德先生的作品融合了现代艺术观念，借助立体主义、超现实主义的绘画语言，超越了以往的乡土写实绘画，构筑了一个地方化的“在场”。从曹琼德先生的《屯堡记忆》系列作品中呈现了贵州屯堡人民朴实的生活状态，采用变化多样的刀法和一种独特的印痕语言，传递了朴实而浓重的生活气息，唤起了人们记忆深处对家乡的思念。以客观的世俗真相，去认识和思索民族的生态，从图像世界中还原出地方生活，构建一个物我合一的精神世界。

(11)

1.5 声学网格划分：

a.硬声场边界，适用于声场的固定边界与对称边界。

2 仿真分析

以上述构建的泡沫铝阻性消声器三维几何模型和声学模型为依据，基于Delany-Bazley-Miki多孔介质声学模型，运用COMSOL有限元软件首先计算了原泡沫铝阻性消声器的传递损失，如图4所示，然后分别分析研究了消声器内部穿孔管穿孔率、壁厚、孔径以及泡沫铝吸声材料厚度、流阻率、空气背衬等结构参数对其消声性能的影响，分别如图5、6所示。

从图4可以看出当频率范围在100-2200Hz左右时，泡沫铝阻性消声器消声性能随着频率的增大而不断升高，峰值约为72dB。之后随着频率的不断增加其消声性能不断降低。

根据图5分析得知，当内部穿孔管穿孔率较小时，在低频段(100-1000Hz)时其消声性能较好，但随着频率的不断增大传递损失逐渐减小至0dB，随着穿孔率的不断增大，其中低频段的消声性能逐渐降低，中高频段消声性能提升较为明显且传递损失的峰值逐渐向高频段移动；随着穿孔管壁厚的不断增大，导致传递损失在中低频段略有上升，但在中高频段下降较为明显且峰值逐渐向低频段移动下降明显；传递损失随着孔径的不断增大在中低频段变化幅度较小，但在中高频段随着频率的不断增大消声量出现阶梯式下降且峰值逐渐向低频段移动不断降低。

由图6可以得知泡沫铝阻性消声器消声性能随泡沫铝厚度和频率的影响较大，当频段在100-3000Hz左右时，材料厚度太小会导致消声性能变差，但随着材料厚度的增加消声性能在低频段提升，中频段降低且峰值下降左移。当频率大于3000Hz左右时，较小的材料厚度会提升消声性能且随着频率不断增大，材料厚度的影响对其消声性能的影响不大；流阻率对消声性能的影响主要体现在中高频段，随着流阻率的不断增大传递损失峰值不断向左平移，但当流阻率过大时其消声性能反而会逐渐下降；空气背衬对于消声性能的影响较大，无空气背衬时的传递损失明显优于有空气背衬。随着空气背衬的不断增大，在低频段100-500Hz时消声性能不断提升，大于500Hz时整体消声性能随空气背衬的逐渐增大而下降，当频率大于5000Hz时空气背衬的改变对消声性能基本无影响。

3 结论

(1)内部穿孔管穿孔率、壁厚、孔径，泡沫铝吸声材料的厚度、流阻率、空气背衬等结构参数的变化对泡沫铝阻性消声器消声性能均产生影响。

(2)对于内部穿孔管而言穿孔率较低会导致消声性能急剧下降，具体要根据实际工程情况进行选择。壁厚、孔径的改变会使得传递损失呈现周期性规律。

(3)泡沫铝吸声材料的厚度随频率的变化对其消声性能影响较大，流阻率的增大可适当提高消声性能，但过大反而会导致其消声性能下降，空气背衬的存在会使得泡沫铝阻性消声器消声性能急剧下降。

[1]张赞,王占忠,夏兴川,闫朋涛,赵素梅,乔建生,李印峰.熔体发泡法制备闭孔泡沫铝的工艺研究进展[J].特种铸造及有色合金,2022,42(06):732-739.

[2]张乐,郑顺奇,郑阳升,史秀梅,程英晔.我国泡沫铝材料关键技术进展与展望[J/OL].中国材料进展:1-7[2022-07-15]

[3]吕学奎,郝俊锋.泡沫铝在汽车结构件上的应用[J].内燃机与配件,2021(21):33-34.

[4]潘玮,刘娟,余文斌,杜健. 多孔吸声材料的研究进展及应用[C]//.2016年全国声学设计与演艺建筑工程学术会议论文集.,2016:191-194.

[5]梁李斯,赵忠宇,王国华,马娜妮,刘诗薇,杜金晶.闭孔泡沫铝客车排气消声器的研究[J].有色金属工程,2018,8(03):57-61.

[6]王应武,夏宇,王志勇,叶金龙,周颖,曹颖.Al-Si12合金泡沫芯消声器吸声性能研究[J].热加工工艺,2013,42(12):87-89+92.

[7]韩宝坤,刘伟,武同华.泡沫铝消声器的优化与仿真分析[J].噪声与振动控制,2012,32(05):185-188.

[8]张绪涛.泡沫铝合金在气压传动排气消声器中的应用[J].兰州工业高等专科学校学报,2003(01):25-27+38.

[9]张钧哲,陈天宁,朱建,刘志骁.基于微观结构简化单元模型的微孔泡沫材料吸声行为研究[J].西安交通大学学报,2021,55(11):154-161.