【摘要】在有流速和无流速情况下，对某型号集成式催化消声器采用双负载法测量其传递损失，并与ACTRAN软件仿真结果进行对比分析。利用该软件对消声器结构进行优化，研究不同消声器结构参数（内插管孔数量、挡板上孔数量、内插管管径）对消声效果的影响并进行评价，声场分析结果对催化消声器的设计有一定指导作用。
1 前言
为了限制汽车噪声，国家已经制定了越来越严格的强制性噪声标准，汽车产业政策也规定未达到国家法定噪声的汽车产品不得销售和使用，因此降低汽车噪声已经成为各汽车生产厂家面临的一项重要课题[1-4]。而降低噪声最主要、最有效的处理方式是采用排气消声器，因此排气后处理及消声装置的研发对达成柴油发动机整体性能要求具有重要意义。
东风汽车股份有限公司与东风康明斯发动机有限公司关于《腾龙ISD4.5国四发动机搭载整车产品开发》中的子课题之一“后处理及消声排气系统开发”提出了一种新型消声器，将消声单元和催化器集成在一起（图1），该结构的消声器相对于催化器与消声器分别布置的结构（图2）有布置紧凑、统筹考虑声场流场分布、轻量化等优势。本文针对柴油机集成式催化消声器进行声场及结构优化分析，提出研发集成式消声器的可行性，并为其生产制造提供有力的理论依据。
图1 集成式催化消声器结构示意图
图2 分体式催化器和消声器结构示意图
2 声学有限元仿真及结果分析
2.1 声学计算理论
传递损失（TL）的定义是末端为无反射端的条件下，消声器入射声功率级与透射声功率级之差，其表达式为：
式中，Wi为入射声功率；Wt为透射声功率；LWi为入射声功率级；LWt为透射声功率级。
假定入口处声压和声学速度分别为Pi、vi，出口处声压和声学速度分别为Po、vo，有如下关系式：
式中，T为传递矩阵[5-7]。
首先建立ACTRAN的声学有限元模型，在两种工况条件下计算传递矩阵的参数。第一，封闭出口端即声学速度为零，在入口端加单位声学速度，计算入口、出口的声压，可以求得传递矩阵的参数A、C：
第二，假设出口声压为零，在入口端仍加单位声学速度，计算入口声压、出口声学速度，求得传递矩阵的参数B、D：
由求得的传递矩阵，可以计算传递损失，也称为透射损失[[88]]：
2.2 催化消声器模型建立
以某型号催化消声器为研究对象，采用CATIA软件进行三维建模，腔室尺寸与管径、穿孔直径等都与实际催化消声器相近。该样件的整体模型分为两个部分，左边是催化部分，右边是消声部分。具体结构如图3和图4所示。
图3 催化器结构图
简化后催化消声器内腔三维模型如图5所示。
采用ICEM软件建立有限元模型，选用非结构网格，催化剂部分设为solid，其余区域为fluid，网格大部分为四面体网格。非结构网格越密计算越准确，但越密计算效率越低，综合考虑得出两个样件的网格和其网格数量如图5所示。
图4 样件整体结构图
图5 样件的有限元模型
2.3 ACTRAN软件的设置及计算
2.3.1 边界条件设置
在声场的有限元模型中，入口处的输入为声压激励，频率范围为10～2 000 Hz，每隔10 Hz取一个计算点，激励在入口面处均匀分布，入口处质点振动速度为1 m/s。入口为无反射入口，可以保证能量全部透射，出口端为无反射出口。入口端和出口端的介质均为空气。
2.3.2 约束条件
声场仿真只在模型内部有声传播的介质，可以保证声音只在腔体内部传播，所以不需要壁面外添加额外的约束。
2.4 仿真结果分析
2.4.1 前端催化部分对消声效果影响分析
图6为集成式催化消声器前端催化部分传递损失变化趋势图。
图6 前端催化部分传递损失
从图6中可以看出，整个频域带内，在890 Hz传递损失最大，为42 dB，平均传递损失为18 dB，催化部分具有一定的消声效果。这是因为催化段作为多孔介质当声波穿过时存在摩擦，载体的存在类似于阻性的吸声材料，引起孔内气体的振动，可以将声能转化为热能耗散掉。
2.4.2 流场对消声器消声效果影响分析
在实际排气系统中，在气流的作用下消声器的消声性能会受到影响[9]。为了研究消声器内气流对声场的影响，将划分好的声场网格导入FLUENT中，设定入口速度10 m/s和20 m/s先进行流场计算，然后将流场计算结果导入到ACTRAN软件中，将网格各个节点流体的压力、流速、温度等值赋在声场网格上，然后进行声场计算。计算结果如图7所示。
图7 排气系统样件无流/有流时传递损失曲线
通过图7中不同入口流速3条曲线对比可以看出，在中低频段（10～800 Hz）内，有流速和无流速对消声器的传递损失影响不大，在频率为1 500 Hz时传递损失达到最大，而随着气流速度增加传递损失峰值降低，即消声效果下降。
2.4.3 不同结构消声器消声效果分析
针对集成式消声器的原始结构，优化改进其内部结构[10-11]，提出3种结构改进方案如图8所示。改进方案1是改变内插管孔的数量即改变孔密度；改进方案2是改变挡板上小孔数量；改进方案3是改变内插管管径。对改变后的结构建模计算并分析传递损失。
图8 消声器结构改进图
2.4.3.1 内插管孔数量对消声器消声效果的影响
分别计算内插管孔数量为11×25个、15×25个、19×35个时消声器的传递损失（见图9），最大传递损失如图10所示，平均传递损失如表1所示。
从图9中可以看出，在中低频部分（0～800 Hz）内插管上小孔数量的改变对于消声器消声效果基本没有影响。传递损失影响较大的频率集中在900～2 000 Hz。从图10可以看出，随着内插管孔数量增大，最大传递损失值增加。从表1可以看出，随着内插管穿孔数量增加，平均传递损失值逐渐增大。因此，内插管孔数量增加促进消声器消声效果。
图9 内插管孔数量对消声器传递损失的影响
图10 不同内插管孔数量对应最大传递损失
表1 不同内插管孔数量下平均传递损失（0～2 000 Hz）
2.4.3.2 挡板上孔数量对消声器消声效果影响
分别计算挡板上孔数量为6个、8个、10个时消声器的传递损失（见图11），最大传递损失如图12所示，平均传递损失如表2所示。
表2 挡板上不同孔数量下平均传递损失（0～2 000 Hz）
从图11可以看出，在中低频部分（0～800 Hz）挡板上小孔数量的改变对于消声器消声效果基本没有影响。传递损失影响较大的频率集中在900～2 000 Hz。从图12可以看出，随着挡板上孔数量增多，最大传递损失先增大，当孔数量为8个时传递损失峰值为84 dB，具有较好的消声效果，孔数量再增加时峰值降低。从表2可以看出，随着挡板上孔数量增加平均传递损失先增大后减小。因此，挡板上的孔数量有一最优值可促进消声器消声效果。
图11 挡板上孔数量对传递损失的影响
图12 挡板上不同孔数量对应最大传递损失
2.4.3.3 内插管管径对消声器消声效果影响
分别计算内插管管径为0.068 m、0.076 m、0.084 m时消声器的传递损失（见图13），最大传递损失如图14所示，不同挡板上孔数量下的平均传递损失如表3所示。
从图13可以看出，内插管管径改变在在低频部分（0～800 Hz）消声器传递损失影响不大，传递损失影响较大的频率集中在900～2 000 Hz。从图14可以看出，随着内插管管径增加，最大消声量降低，从表3可以看出，随着挡板上孔数量增加平均传递损失减小。因此，管径增加不利于消声器的消声效果。
3 消声器台架试验
3.1 试验台的组成
该试验台由风机、阻性消声器、声源、消声器声学参数测量系统、消声器试验件及末端消声器等组成。试验台端部安装风机作为风源，通过调节阀控制流量；音响之前安装阻性消声器，该消声器能有效降低风机噪声；扬声器作为声源固定在音箱内的隔板上，两只250 W扬声器在主管道两侧对称放置，产生均匀声场，声源信号由多通道数据采集分析仪中的信号发生模块产生，并通过功率放大器进行驱动；消声器声学参数测量系统由4个压电式传声器、4个电荷放大器及多通道数据采集分析仪及分析软件组成。末端消声器作为一种负载，用来改变出口处阻抗边界条件。按照如图15所示布置试验，实际测试中，测试系统取直管和加载阻性消声器两种状态，根据传递矩阵法得到待测量消声器传递损失[12-13]，其测试连接图及测试设备如图15所示。
图13 内插管管径对传递损失影响
图14 内插管管径对应最大传递损失
表3 不同内插管管径下平均传递损失（0～2 000 Hz）
本次测试集成件（催化器与消声器）前端为催化器，后端为消声器。调节分级阀门模拟气流速度为0、10 m/s时测量消声器传递损失、记录测试结果并将试验结果与ACTRAN仿真得到的传递损失进行对比分析。
3.2 试验与仿真对比分析
图16和图17中分别表示无流速及流速10 m/s时仿真和试验传递损失随频率变化趋势，从中可以看出，采用ACTRAN软件对消声器进行仿真计算得到的传递损失随频率变化趋势和试验变化趋势基本一致，说明采用仿真软件模拟消声器内部声场可行，能够节约试验时间，可应用于消声器的设计生产中。
图15 消声器传递损失测试连接图及测试设备
1.微机和软件控制系统 2.信号和数据采集模块 3.功率放大器 4.电荷放大器 5.风源 6.声源箱 7.传声器 8待测量消声器 9.末端
图16 无流速时试验与仿真传递损失对比
图17 流速10 m/s时试验与仿真传递损失对比
4 结束语
以某型号集成式催化消声器为研究对象，将其数值计算结果与采用双负载法测量传递损失的结果进行对比分析，验证数值仿真的可行性：
a.将排气系统样件有流速和无流速的传递损失对比分析。在低频段（0～800 Hz）内，有流速和无流速对消声器的传递损失影响差别不大。差别主要集中在中高频（900～2 000 Hz），且无流速时传递损失峰值最大，而当流速增加，传递损失峰值降低，即消声效果下降。
b.消声器结果参数对消声效果的影响：随着内插管孔数量增大最大传递损失值和平均传递损失都增加，并且达到最大值对应的频率也在增大；随着挡板上孔数量增多最大传递损失与平均传递损失都先增大，再降低，因此挡板上孔数量有一最优值促进消声器消声效果；随着内插管管径增加最大传递损失和平均传递损失降低，因此管径增加不利于消声器的消声效果。
c.采用双负载法测试消声器实际传递损失并与仿真结果对比分析，验证了仿真结果的准确性。
