双排抗性消声器消声特性的研究

0 引言

消声器的结构目前普遍为单排结构，由于汽车底部单侧空间有限，限制了消声器在外形结构的改进。另外，在以往排气消声器的研究中，关于单排消声器排气噪声和背压的研究较多，由于直观上生产成本的限制，人们并未对双排消声器的消声性能变化程度以及压力损失的影响做出深入的研究分析，因此有必要对双排气消声器做出进一步的探索。

基于有限元流体分析软件ANSYS Workbench CFX和声学分析软件LMS Virtual.Lab，对内插偏置式双排气消声器的消声性能以及压力损失进行研究分析，对双排气消声器的性能做出综合评价，具有一定的理论参考价值。

1 单双排消声器模型的分析与建立

消声器主要结构参数包括：消声器容积、扩张比、进出口直径、腔体当量直径、腔体长度等，合理的结构参数对于消声性能的影响举足轻重，因此在消声器的设计过程中，对于这些参数的选择应当规范。

在消声器的设计过程中，首先需要确定的就是消声器的容积。参照美国Nelson消声器公司的Dean G. Thomas推荐的消声器容积V计算公式[1]：

式中： V——消声器的容积； Vc——内燃机的排量； n——内燃机额定功率转速，r/min ；τ——内燃机冲程数；N——内燃机气缸数；Q——修正系数，取值范围2～6，Q越大，消声器性能越好。

扩张比也称膨胀比，即消声器截面积与消声器进口截面积之比，通常将扩张比值控制在6～16 之间 [2]。

表1 扩张比的选择
Tab.1 Expansion ratio selection

由于噪声法规对不同车型噪声限值不同，对不同车型有不同的消声量要求，因此在扩张比值的选择上，不同车型应当选择适当扩张比区间。

当消声器容积V，消声器腔体直径Dm确定后，可直接计算长度L：

消声器长度应满足如下消声器纵横比关系[3]：

根据以上消声器主要结构参数的选择要求可以看出，消声器的各项结构参数都不是孤立存在，并且每项参数值都有一定的经验范围值。因此，我们在进行消声器的设计时，应当在以上的要求内合理选择参数值，这样才能保证消声器有一个理想的消声效果。

1.1 单排模型几何模型的建立

根据几何尺寸在UG上建立的消声器几何模型如图1所示。

图1 HT01001-A内插偏置式消声器几何模型
Fig.1 HT01001-A interpolating bias muffler

由于研究需要，此种型号消声器的结构尺寸如表2所示，表中所有长度单位为mm。

表2 HT01001-A原消声器结构尺寸
Tab.2 HT01001-A original muffler structure size

1.2 双排消声器模型的划分与建立

在双排消声器的结构参数确定中，根据文献[3]中的扩张比选择表2，扩张比M应控制在12～15之间，并保证双排消声器组中有一组扩张比与单排消声器扩张比一致，以此形成对比。对于扩张比的控制是在消声器进出口总截面积保持不变的前提下，使腔体直径依次递增来实现的，共分为5组且保证扩张比均匀分布于推荐范围内。此外消声器的穿孔率保持不变。HT01001—A内插偏置式双排消声器结构参数如表3所示。

表3 HT01001—A内插偏置式单排与双排消声器结构尺寸
Tab.3 HT01001-A interpolated bias single row and double row mufflers structural dimensions

HT01001—A内插偏置式双排结构消声器几何计算模型如图2所示。

图2 HT01001-A双排消声器几何模型
Fig.2 HT01001-A double-row muffler geometric model

1.3 网格划分

一般由最高计算频率决定，网格一般需要在一个声波波长内有6个单元，单元大小应满足公式[4]

式中： λmin——波长，m；c0——当地声速，m；l——网格单元大小，m；fmax——能确保模型计算精度的最高计算频率。

根据式（4），网格单元大小控制在3～4 mm，经检测网格质量良好，声学和流场分析要求都能够满足。

3 单双排消声器流场性能分析

3.1 HT01001-A内插偏置式单双排消声器流场分析

扩张比同为12.25的单双排消声器压力分布云图如图3所示。由图可知，单排消声器气流入口处平均压力约6 097 Pa。第1腔至第3腔平均压力依次为：4 197 Pa，4 732 Pa，793 Pa。最终进出口管压差约3.9 kPa。

图3 扩张比同为12.5的单双排压力分布
Fig.3 Single double row pressure distribution with the same expansion ratio of 12.5

（a） HT01001-A压力分布 （b）与HT01001-A同扩张比压力分布

M=12.25双排消声器入口截面处平均压力约8 176 Pa，在管道分岔处压力损失较为严重。经过整个分岔管，气流到达消声器腔体的入口截面处，气流平均压力约5 948 Pa。与单排消声器相比，入口的平均压力稍有降低。计算结果表明，最终在出口截面处平均压力约2 215 Pa，经计算，双排消声器腔体压力损失约3.7 kPa，比原单排消声器的压力损失稍有降低，最终双排消声器进出口压力损失约5.9 kPa。

以上4组双排消声器与第1组双排消声器相比，进气管的结构尺寸没有变化，仅在扩张比与腔体长度有所变化，压力分布云图如图4所示。由压力分布云图可知，M=12.88的消声器入口截面处平均压力值约8 607 Pa，气流经过消声器腔体压力损失约4.2 kPa，最终进出口压力损失约6.4 kPa。相比第1组双排消声器，进气分岔管压力损失不变，而消声器各腔压差均有所上升，进出口压力损失上升了0.5 kPa。

M=13.5双排消声器入口截面处平均压力约8 107 Pa，各腔压力损失相应减小但幅度不大，出口管的压力值约2 240 Pa，计算可得消声器腔体进出口压力损失约3.7 kPa，最终进出口压力损失约5.9 kPa。相比上一组，随着扩张比的继续增大，压力损失却随之减小。

M=14.2双排消声器入口截面处平均压力约8 112 Pa，最终出口处气流的平均压力为2 242 Pa，进出口压力损失约为5.87 kPa，与上组的压力损失值大致相同。

M=15消声器入口截面的平均压力约7 916 Pa，最终出口处气流的平均压力约2 232 Pa，进出口压力损失约5.7 kPa，与上组的压力损失值相比有所降低。压力损失值为5组双排消声器的最低值。

图4 四种不同扩张比压力分布云图
Fig.4 Four different expansion ratio pressure distribution cloud

（a） M=12.88压力分布 （b）M=13.5压力分布（c） M=14.2压力分布 （d）M=15压力分布

根据图5结果分析：针对于本组HT01001-A内插偏置式消声器，腔内结构较为简单，气流受阻不严重，属于结构较为简单的一类抗性消声器，在腔体总容积、扩张比、进出口管截面积、穿孔率等重要参数保持不变的情况下，双排结构消声器的压力损失明显高于单排。

图5 HT01001-A内插偏置式单双排消声器压力损失对比
Fig.5 HT01001-A interpolation bias single-double row muffler pressure loss comparison

双排结构消声器依然遵循着单排消声器临界扩张比的规律[5]，即：随着扩张比的增大，压力损失先增大后减小，并且在扩张比与消声器腔体同时变化的情况下，扩张比对于压力损失的影响更大。其中压力损失最低组也比单排消声器高出约1.8 kPa。

3 消声器声学分析

3.1 背压数据与声学网格的映射关系

采用ANSYS CFX流场分析的排气背压作为声学分析的声源[6]。将CFD网格上背压数据与声学网格建立对应关系，其数据传递具体流程如图6所示。观察其能确保计算精度的最小计算频率是否大于等于3 600 Hz，是则进行计算，否则重新调整。

图6 映射关系流程图
Fig.6 Mapping diagram

3.2 单双排结构消声器声学性能对比

HT01001—A内插偏置式单排消声器传递损失曲线如图7所示。由图7可知，在10～600 Hz低频段内以及2 000～2 400 Hz高频段内消声效果并不理想，峰值频率出现在1 250 Hz附近，传递损失值达到70 dB。在其余中高频率段内，传递损失曲线总体维持在30 dB以上的水准，传递损失曲线波动幅度较大。

图7 同扩张比单双排传递损失对比
Fig.7 Comparison of single and double transmission losses with the same expansion ratio

（a）HT01001—A传递损失（b）HT01001-A与同扩张比双排消声器传递损失

二者传递损失曲线的形状及走势大致相同，仅消声频带以及峰值频率的分布有所不同。对于多腔消声器而言，在消声器各个腔室长度比例不变的情况下，腔体总长的减小不仅会导致消声频带向高频移动，也会导致消声量呈下降的趋势。图7中，双排消声器传递损失曲线中心频率确实向高频移动，而消声幅值二者并没有明显差异，因此可以判断出双排结构对于HT01001-A消声器声学性能具有一定的提升效果。

图8为4组双排消声器传递损失曲线对比图。由图可知，双排消声器之间消声频带以及消声峰值频率的分布基本保持一致，而消声量随着扩张比的增大，先增大后减小。M=13.5组双排消声器传递损失曲线在大部分频率范围内明显占优，消声效果更为理想。

重庆大学路明等诸多学者对单排消声器扩张比对消声器声学性能影响的研究结果表明[7]：针对简单的扩张式消声器（单腔），传递损失的最大值只是扩张比的函数，当扩张腔长度发生变化时，传递损失的幅值并不会变化。对于单排多腔消声器，扩张比不仅影响消声器的消声量，还会影响消声器的消声频带。随着扩张比的增大，消声频带逐渐向低频移动。但是针对多腔消声器，消声幅值也会随着消声器总长的减小而呈现下降的趋势。

因此，研究的双排消声器组之间，由于扩张比的增大以及腔体长度的减小，使得各组消声频段保持不变是符合一定的理论基础的，也再次证明仿真结果的可靠性。

扩张比的变化使得消声量有所差异，如图9，其中M=13.5组双排消声器的传递损失总量最高。相比较单排消声器，各组双排传递损失总量的增幅依次为M=12.25为1%；M=12.88为8%；M=13.5为20%；M=14.2为-12%；M=15为13.8%。

图8 四组不同扩张比双排传递损失对比
Fig.8 Comparison of double row transmission losses with four groups of different expansion ratios

（a）M=12.25与M=12.88 （b）M=12.88与M=13.5（c）M=13.5 与 M=14.2 （d） M=13.5 与 M=15

图9 HT01001-A单双排消声器传递损失总量对比
Fig.9 Comparison of total transmission loss of HT01001-A single and double row mufflers

4 结论

（1）压力损失由于进气管的分岔明显上升，而双排消声器腔体造成的压力损失没有明显变化。双排消声器受扩张比影响较大，存在临界扩张比，并且遵循着单排消声器中扩张比与压力损失的变化规律。

（2）针对消声效果并不是很理想的HT01001-A内插偏置式消声器，当扩张比接近M=13.5时的双排消声器声学性能提升最为明显，在低频段内有了小幅度的提升，而在中高频段，消声性能的改善更为明显，传递损失总量增幅约为20%。