摘　　　要：研究了气流对消声器声学性能的影响。利用声学有限元软件计算有无平均流速时消声器的传递损失。研究了气流温度对消声器性能的影响。运用Fluent分析了消声器的内部流场，得到压力云图、速度云图，以及湍动能分布情况。运用Matlab软件将脉动压力的时域响应转化为声压级的频谱响应，得到气流再生噪声曲线，为消声器设计和改进提供依据。

关　键　词：流速；消声器；传递损失；数值计算；气流再生噪声

随着汽车保有量的不断增加，汽车噪声已经成为交通噪声最主要的噪声源之一，严重影响人们的身心健康。研究表明[1]，汽车的排气噪声占车辆总噪声的30%以上，因此如何降低排气噪声成为降低车辆噪声的关键措施之一。目前，国内外车辆排气噪声控制最主要、最有效的方法就是安装消声器。因此，对消声器性能的研究成为国内外学者关注的重点。噪声控制的实践经验表明[2]：实际使用的消声器的消声效果往往达不到理论设计时的预期效果，尤其对高消声量的消声器，该问题格外突出。产生这一现象的一个主要原因是气流对消声器消声性能的影响，主要体现在两个方面[3]：气流的存在影响了声波的传播规律；气流经过消声管道时受到局部阻力或摩擦阻力的影响产生湍流，以及气流激发内部构件振动从而产生新的噪声，即气流再生噪声。随着内燃机向着高速化发展，发动机排气速度越来越快，气流对消声器性能的影响也变得更加突出。所以，研究消声器内部气流对消声器消声性能的影响在噪声控制的过程中具有非常重要的实践意义。

1　基本理论

1.1　基本方程

流体运动要遵循物理学的三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律，由此推导出流体的基本控制方程[4]。控制方程是对流体进行数值计算的基础。

1) 质量守恒方程(连续方程)

(1)

式中：ρ为流体密度；v为流体速度；▽为Hamilton算子。

2) 动量守恒方程

(2)

式中：f为作用在流体的体积力；p为压力；τ为流体的应力张量。

3) 能量守恒方程

(3)

式中：h为流体的熵；k为分子传导率；kt为由湍流传递引起的传导率；T为温度；Sh为定义的体积源。

4) 状态方程

(4)

式中R为气体常数。

1.2　管道声传播

在传统的声学计算中，总是假定声波在静止不动的介质中传播。当介质流动马赫数大于0.3以后，声音的传播特性将发生明显改变，这时就需要考虑流体介质速度对于声音传播的影响[5]。

根据声学理论，考虑气流存在时圆形管道内的波动方程[6]：

(5)

式中：为柱坐标的Laplace算符；为沿轴向z方向的梯度；v为气流速度；c为声速。

令

(6)

联立式(1)及式(2)，并忽略高次谐波的影响得

(7)

式中:为波数，ω=2πf为角频率；J0(krr)表示宗量为krr的零阶柱贝塞尔函数；M=v/c为气流马赫数。

由质点速度与声压的关系可知管内径向质点速度为

(8)

式中M为马赫数因子。

气流对消声器的影响主要与马赫数M有关[2]：

(9)

式中：为有气流时的消声值；LA为无气流时的消声值。

由式(9)可以看出：气流对消声器消声性能的影响不仅与气流速度大小有关，而且与气流的方向有关。当流速越高时，M值越大，对消声性能的影响就越大。

2　消声器传递损失仿真计算

2.1　考虑平均流速时的传递损失

本研究只考虑介质流体流动对声波传播的影响，不是计算因气流引起的噪声。运用CATIA建立一个三腔体消声器模型，并在Hypermesh中进行网格划分。消声器声腔网格模型如图1所示。

图1　消声器声腔网格模型

将消声器声腔有限元网格导入声学软件Virtual.Lab Acoustics中，定义流体属性为空气，消声器的入口边界条件定义为单位速度(1 m/s)，出口端面定义为全吸声的边界条件。此处只考虑了流速对声音传播的影响，在入口处定义为平均流速边界条件。一般工况下，发动机转速为1 000～6 000 r/min，对应的发动机排气速度大约为10～50 m/s。经过涡轮增压以后，进入排气系统的气流速度大幅提高，因此计算速度大小范围选为0～120 m/s，出口处流动势为0 m2/s。通过计算可以得到消声器内部气体流动的速度矢量，如图2所示。经过声场分布计算并提取入口和出口端的声压响应，最终得到消声器的传递损失曲线。图3为消声器入口处流速分别为0，60和120 m/s时消声器的传递损失曲线。

从图3可以看出：在0～500 Hz频率范围内，当流速为60 m/s和120 m/s时，消声器的传递损失比介质静止时的传递损失要高，且流速越大，消声器的传递损失也就越大，也就表示流速对低频段声音传播规律的影响较大。由图4可以发现：气流速度越大，对消声器的传递损失影响也就越大，说明流速对声音传播规律的影响随速度增大而增加。

图2　消声器内部气体流动的速度矢量

图3　消声器传递损失曲线对比

图4　不同流速的传递损失差值对比

2.2　考虑温度时消声器的传递损失

以上只考虑了平均流速大小对声音传播的影响而忽略了温度的影响。实际上温度对消声器消声性能存在较大的影响。根据发动机类型的不同，进入排气系统的燃气温度在450～650 ℃。温度与流体的密度、声速等息息相关，在排气管道、涡轮增压器等部件中存在很大的温度梯度，因此流体属性会有很大差异，必然会影响声音的传播。

图5为排气系统入口处温度为600 ℃(873 K)时经Fluent计算的温度场云图。从图6可以看出：温度对消声器消声性能的影响较大，在0～400 Hz以及700 Hz以上降低了消声量，在400～700 Hz使消声量增加。

图5　排气系统的温度场云图

图6　是否考虑温度影响时的消声器传递损失曲线

3　气流再生噪声

3.1　数值计算方法

计算气流声学方法是近年来兴起的一门计算科学方法。该方法考虑流体运动的可压缩性，求解流体的非稳定状态运动和声波在流体中的传播，运用了Navier-Stokes方程和Burger’s方程，可同时求解声学问题和流体动力学问题，从而可得流体计算域内任意一点的声压级响应[7]。该方法的计算思路：首先利用CFD软件对流场进行流场分析，得到流场在时域上的压力分布，读取流体计算域内监测点处的压力波动时间历程，对时间历程进行傅里叶变换，从而计算监测点处的声压级的频谱响应[8]。

3.2　气流再生噪声计算

本文使用CFD软件Fluent进行流场求解，得到监测点的压力时域分布，再使用Matlab编程，将监测点处的脉动压力的时域分布转化为声压级的时域分布响应。

首先建立消声器声腔模型，进行网格划分，得到消声器内部流体网格及监测点，如图7所示。将声腔有限元模型导入Fluent作为流体计算域，忽略消声器壁面对消声器内部声场和流场的影响。

图7　消声器内部流体网格及监测点

设置流体属性、初始边界条件(入口为速度入口、出口为压力出口)，以及所选的计算模型；进行瞬态响应计算得到流场的脉动压力的时域分布；选取监测点并提取压力时域响应分布；在瞬态计算时设置时间步长为0.000 2、计算步数为1 000进行流场模拟计算，得到消声器内部流场的压力云图、速度云图以及湍动能分布云图，如图8～10所示。

图8　某一时刻的压力云图

图9　流速为30 m/s时对称面某一时刻的速度云图

图10　对称面某一时刻的湍动能分布云图

由图8～10可以看出：消声器出口端流体压力、速度以及湍动能的值都比较高。由于截面突然收缩，导致速度梯度比较大，流体质点运动激烈，湍动能较大，辐射的流体噪声也较大。

在不同气流速度下气流再生噪声的计算结果及比较如表1及图11所示。

表1　不同气流速度下气流再生噪声值

图11　气流速度为30，40，50 m/s时气流再生噪声

表1及图11表明：气流再生噪声随气流速度的增加而增大，气流速度对频谱特性影响不是很大。由图12可以看出：气流再生噪声仿真结果与气流速度6次拟合曲线基本对应，这也证明了数值模拟计算方法的可靠性。

4　结束语

通过计算平均气流速度对消声器传递损失的影响，说明当气流速度增加到一定数值时，不能再忽视气流对消声器消声性能的影响。当内部温度梯度较大时，在计算消声器声学性能时应该注意温度场的影响。当气流速度不高时，气流再生噪声值比较小，对消声器消声影响不大；当气流流速变大时，噪声强度随流速的6次方规律递增，降低了消声器的消声性能，甚至使得消声器的消声值为负。

图12　气流再生噪声与气流速度的关系