抗性消聲器聲學性能的有限元分析_圖文

1、【 排放噪聲 】抗性消聲器聲學性能的有限元分析李 健 1, 鄭忠才 1, 高 巖 2, 張坤金1(1. 山東建筑大學 機電學院 , 山東 濟南 250101; 2. 山東電子職業(yè)技術(shù)學院 , 山東 濟南 250014 摘要 :本文應用有限元法對抗性消聲器內(nèi)部聲場進行了有限元分析 。 建立了抗性消聲器 聲場有限元分析模型 , 通過加載 、 求解以及后處理等對消聲器內(nèi)部聲場進行計算分析 , 獲得消 聲器內(nèi)部聲壓級和壓力分布情況 。 通過分析結(jié)果可以直觀地獲取消聲器進出管的長度 、 內(nèi)插 管的長度和直徑大小以及穿孔板孔徑大小對消聲器傳遞損失和消聲性能影響 , 為消聲器的優(yōu)化設計提供可靠的依據(jù) 。關(guān)鍵

2、詞 :抗性消聲器 ; 聲學性能 ; 有限元分析中圖分類號 :TK402 文獻標識碼 :A 文章編號 :1673-6397(2008 04-0031-04Finite Element A nalysis of Acoustic Performance of Reactive MufflerLI Jian 1, ZHE NG Zhong -cai 1, GAO Yan 2, ZHANG Kun -jin1(1. Shandong Jianzhu University , Jinan 250101, China ;2. Shandong College of Electronic Tec hnolo

3、gy , Jinan 250014, China Abstract :In this paper , the sound field of muffler is analyzed by finite element method . The model of reactive muffler sound filed finite are built , then acoustic pressure and fluid pressure distribution inreactive muffler are computed after a series of sound field analy

4、sis procedure including loading , solving and post proc essing . The analytic results show the effects on and acoustic performance directly subject to the length of the outer pipe , the length and the diameter of the internal pipes and hole size in the board . It pr ovides a solid evidences for opti

5、mal design of the muffler .Key Words :Reactive Muffler ; Acoustic Per for mance ; Finite Element Analysis基金項目 :山東省科技攻關(guān)獎金項目 (項目號 2006GG2206005作者簡介 :李健 (1979- , 男 , 山東日照人 , 在讀研究生 , 工程師 , 主要從事機械振動和噪聲控制方面的研究 。0 引 言抗性消聲器主要利用聲抗的大小來消聲 , 通過 各種不同形狀的管道和腔室進行適當?shù)亟M合 , 提供管道系統(tǒng)的阻抗失配 , 使聲波產(chǎn)生反射或干涉現(xiàn)象 , 從而降低由消聲器向外輻射的聲能1

6、。 由于抗性消 聲器在低中頻較好的降噪效果 及其較小的壓 力損 失 , 所以在發(fā)動機的排氣消聲處理中得到廣泛使用 。 本文利用有限元分析方法對抗性消聲器進行聲場分 析 , 討論消聲器進出管的長度 、 內(nèi)插管的長度和直 徑大小以及穿孔板孔徑大小對消聲器傳遞損失和消聲性能影響 , 為消聲器的優(yōu)化設計提供可靠的依據(jù) 。1 聲場理論分析1. 1 聲傳播過程的數(shù)學物理描述為了使問題簡化 , 在不改變問題性質(zhì)的前提下 , 對介質(zhì)及聲傳播過程作如下假設2:(1 介質(zhì)為理想流體 , 即介質(zhì)不存在粘滯性 , 聲 波在其傳播時沒有能量的損耗 , 流體沒有擾動和紊 流 。(2 聲傳播是一個絕熱過程 , 與外界不存在

7、熱交 換 。2008年第 4期 (總第 106期 內(nèi)燃機與動力裝置 I . C . E &Powerplant 2008年 8月(3 介質(zhì)的靜態(tài)壓強 P 0和靜態(tài)密度 0都是常 數(shù) , 聲壓 P 遠小于介質(zhì)靜壓強 P 0, 質(zhì)點速度遠小于 聲速 c ; 質(zhì)點位移遠小于聲波波長 。(4 消聲器為剛性壁管組成 , 聲波不會透過壁 管向外輻射 。 1. 2 數(shù)學模型的建立圖 1所示為軸對稱抗性消聲器 。圖 1 軸對稱抗 性消聲器示意圖 在 域的二維平面波動方程32p c 2t(1對上式進行分離變量可得 2P +k 2P =0(2式中 2 二維拉普拉斯算符k 波數(shù) , k = c 為圓頻率 c

8、 聲傳播速度P 聲壓消聲器的傳遞損 失 (TL 在消聲器的進 出口面 積相等時的計算公式 :TL =20lg (P 1 P 2(3考慮到消聲器的入口聲壓和出口聲壓的比值 ,故在不失普遍性的前提下 , 為方便起見 , 令入口端的 聲壓為 P i =1。 這樣在入口截面 :P 1=P i +P r ; 在出 口截面 :P 2=P 1。 這樣有 :v 1=(1-P 1 c , v 2=P 2 c 。 其中 P i 、 P r 分別為入口端入射聲波和反射聲波 的聲壓 ; P t 為出口端透射聲壓 ; v 1, v 2分別為消聲器 人口處和出口處的聲速度 ; 為聲傳播媒質(zhì)的密度 。聲傳播的運動方程形式

9、:x Pc t=0(4聲傳播的連續(xù)性方程形式 : x t(5 將式 (4 、 (5 聯(lián)立求解并化簡可得Px=i v (6式中 i 為虛部符號 , i =-1 Px =2ki -pki 在 S 1上 =ikP 在 S 2上x=0 在 S 3上 至此 , 得到消聲器的數(shù)學模型2P +k 2p =0 Px =kpi -2ki P=-kpi =0(72 消聲器聲場的有限元計算分析2. 1 消聲器的結(jié)構(gòu)設計及模型的建立消聲器設計為三級帶內(nèi)插管和穿孔板的收縮和擴張腔串聯(lián)而成 , 左端為入口 , 右端為出口 , 其結(jié)構(gòu) 模型簡圖如圖 2所示 , 為軸對稱抗性消聲器 , 結(jié)構(gòu)主要尺寸如表 1所示 , 共三種方

10、案 。 通過改變消聲器 進出管的長度 、 內(nèi)插管的長度和直徑大小以及穿孔 板孔徑大小來建立模型 。圖 2 抗性 消聲器結(jié)構(gòu)模型 (mm 表 1 抗性消聲器主要尺寸消聲器 序號L(mm 1(m m 2(m m 3(m m (m m 1(m m 2(m m 37509050103003015452. 2 消聲器有限元聲場分析(1 有限元建模消聲器建模和計算時 , 在既保證一定的計算精 度 , 又節(jié)省計算時間的前提下 , 結(jié)構(gòu)模型作了如下簡 化 4:將穿孔板的穿孔簡化為三個 , 減小網(wǎng)格劃分的 歧變概率 ; 假定整個過程是在常溫下進行的 ; 消聲器 壁為剛性單元 , 其他為流體單元 。 采用邊界元法

11、進 行分析計算 , 即將邊界離散為單元的插值法 , 把邊界 積分方程轉(zhuǎn)換為線性代數(shù)方程組 , 從而獲得問題的數(shù)值解 5。 聲波是向無窮遠處傳播的 , 所以采用聲·32·內(nèi)燃機與動力裝置 2008年 8月波環(huán)形邊界 6。圓環(huán)半徑的大小為 :r =D 2+0. 2式中 r 圓的半徑D 消聲器的總長 波長 , =c f f 圓頻率材料的特性參數(shù)條件 : 結(jié)構(gòu)單元 :其物質(zhì)的密度 為 7600kg m 3, 物質(zhì)的彈性模量 E 為 2. 1×1011Pa ; 聲學單元 :流體的密度 為 1. 22kg m 3, 流體 的聲速 v 為 1460m s 。進行網(wǎng)格劃分 , 在

12、劃分網(wǎng)格時必須注意不同單 元相連時對自由度的影響 。 模型有限元網(wǎng)格劃分如 圖 3所示 。(2 加載和求解在消聲器入口處加載入口聲 壓值為 2Pa , 并固 定結(jié) 構(gòu) 單 元 的 自 由 度 , 最 后 定 義 選 頻 率 范 圍 為 0500Hz , 載荷步值取 25 。圖 3 消聲器聲場分析 有限元網(wǎng)格模型(3 計算結(jié)果分析由于抗性消聲器在低頻范圍內(nèi)有很好的消聲效 果 , 因此對其進行研究時 , 本文主要選擇了 60Hz 頻 率進行分析 。 對其進行聲場分析后 , 得到了三種不 同結(jié)構(gòu)模型的消聲器壓力 、 聲壓級分布圖如圖 4和 圖 5所示 。(a 結(jié)構(gòu)模型 (b 結(jié)構(gòu)模型 (c 結(jié)構(gòu)模型

13、 圖 4 三種結(jié)構(gòu)模型壓力分布圖·33·2008年第 4期李 健 , 等 :抗性消聲器聲學性能的有限元分析 從圖 4三種模型壓力分布圖中可以看出 , 模型 各腔壓力分布比較均勻 , 模型 和模型 各腔壓 力變化比較急促 , 由此可知在進口處施加相同壓力時 , 消聲器結(jié)構(gòu)越復雜 , 對氣流的阻礙越大 , 其消聲 器內(nèi)部各腔壓力變化梯度就越大 。(a 結(jié)構(gòu)模型 (b 結(jié)構(gòu)模型 (c 結(jié)構(gòu)模型 圖 5 三種結(jié)構(gòu)模型聲壓級分布圖 從圖 5三種模型聲壓級分布圖可以看出改變消 聲器進出管的長度 、 內(nèi)插管的長度和直徑大小以及 穿孔板孔徑大小對消聲器傳遞損失的影響 。 表 2列 出不同結(jié)

14、構(gòu)尺寸模型的最大 、 最小聲壓級及傳遞損 失 。表 2 三種結(jié)構(gòu)模 型聲壓級比較分析消聲器序號最大聲壓級 (dB 最小聲壓級 (dB 傳遞損失 (dB 96. 18485. 93510. 249 96. 48285. 63410. 84896. 91485. 14811. 766 對比模型 , 模型 加長進 、 出管和內(nèi)插管的長度 , 最 大 聲 壓 級 提 高 0. 298dB , 最 小 聲 壓 級 降 低 0. 301dB , 傳遞損失增加 0. 599dB ; 在模型 的基礎 上 , 繼續(xù)加大內(nèi)插管的直徑 , 減少穿孔板間距 (即提 高穿孔板的穿孔率 , 最大聲壓級又提高 0. 432

15、dB , 最小 聲 壓 級 又 降 低 0. 486dB , 傳 遞 損 失 又 增 加 0, 模型 的效果要好 。 由此看出改變消聲器進出管的長度 、 內(nèi)插管的長度和直徑大小以及穿孔板孔徑大 小都直接影響消聲性能的效果 。3 結(jié)束語通過對三種不同結(jié)構(gòu)尺寸抗性消聲器的聲學分 析可知 , 改變消聲器進出管的長度 、 內(nèi)插管的長度和 直徑大小以及穿孔板孔徑大小 , 可以增加消聲器的 傳遞損失 , 提高其消聲性能 。 通過結(jié)果分析可以直 觀地反映結(jié)構(gòu)的變化對消聲效果的影響以及由于結(jié) 構(gòu)的改變而引起壓力損失的變化 , 對內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化 提供可靠依據(jù) , 同時通過仿真可以快速方便地觀察 設計的效果 , 減

16、少產(chǎn)品開發(fā)時間和成本 。 參考文獻 :1趙松齡 . 噪聲的降低與隔離 M . 上海 :同濟大學出版社 , 1989.下 ·34·內(nèi)燃機與動力裝置 2008年 8月段 , 因此每爐材料 、 爐與爐之間材料的均勻性和一致 性更好 ; 同時鋁液的合金化是在高溫下完成的 , 經(jīng)歷 過高溫熔煉獲得的鋁合金液的質(zhì)量更好 ; 并且生產(chǎn) 條件得到了改善 、 工人勞動強度大大降低 。 根據(jù)我 公司四年多的生產(chǎn)實踐 , 新工藝與傳統(tǒng)的熔化工藝 (“ 二次熔化工藝 ” 、 “ 一次熔化工藝 ” 熔化的合金相 比 , 材料合金成分波動的離散度減少 了約 20%,經(jīng) 熱分析儀檢驗及顯微分析確認 ,

17、材料的密度和細化 、 變質(zhì)效果完全一致 , 并且處理的效果更加穩(wěn)定 , 在這 方面新工藝優(yōu)于傳統(tǒng)工藝 , 質(zhì)量保證能力得到了提 高 , 為確保材料的一致性 、 提高產(chǎn)品的力學性能和使 用性能奠定了堅實的基礎 。2. 3. 2 鑄造質(zhì)量利用電解鋁液直接配制鋁合金液 、 生產(chǎn)鑄件 (鋁 活塞 、 鋁輪轂 的新工藝 , 由于材料合金成分波動的 離散度小 、 材料的均勻性和一致性好 , 因此鋁合金液 體性能的一致性也好 , 從而保證了鋁合金液鑄造性 能的一致性 , 減少了產(chǎn)品鑄造質(zhì)量的波動 , 鑄造綜合 廢品率有所降低 , 其中 :普通鋁活塞廢品率 2%、 鑲 圈鹽芯鋁活 塞廢品率 5%、 普通 鋁輪

18、轂廢品率 8%、 表面拋光鋁輪轂廢品率 15%。2. 3. 3 材料性能利用電解鋁液直接配制鋁合金液 、 生產(chǎn)鑄件 (鋁 活塞 、 鋁輪轂 的新工藝 , 由于材料合金成分波動的 離散度小 、 產(chǎn)品鑄造內(nèi)在質(zhì)量的波動小 , 因此產(chǎn)品材 料的均勻性和一致性好 , 從而保證了產(chǎn)品的力學性 能和使用性能 。 材料的力學性能與化學成分 、 熔煉 工藝 、 鑄造工藝 、 熱處理工藝等均有關(guān)系 , 我們在同 樣的生產(chǎn)條件下對鋁活塞和鋁輪轂本體的材料進行 了抽樣測試 , 新工藝與傳統(tǒng)工藝相比 , 材料的硬度 、 抗拉強度 (室溫 、 300 、 延伸率 、 疲勞強度 、 抗沖擊 性能等力學性能指標基本上是一致

19、的 , 其中 :硬度 、 抗拉強度 (室溫 、 300 、 延伸率 , 這些指標的波動范 圍縮小了 5%10%,這一點有利于確保產(chǎn)品的使 用性能 。 產(chǎn)品經(jīng)過實驗室試驗和裝車路試以及近兩 年的大批量應用 , 證明產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異 、 性能可靠 。 2. 3. 4 效益采用電解鋁液直接配制鋁合金液的新工藝 , 由 于省去了電解鋁廠將鋁液鑄造成鋁錠的工序和該過 程的熱能浪費 , 又省去了在產(chǎn)品鑄造車間將鋁錠再 熔化為鋁液的能耗 , 簡化了工藝流程 , 縮短了工藝路 線 , 減輕了工人的勞動強度 , 減少了鋁錠重熔時的二 次環(huán)境污染 、 鋁錠熔化時的燒損和熔化能耗 。 采用 的爐底電磁攪拌技術(shù) , 不但提高了材料的均勻性和 一致性 , 而且縮短了配料的熔化時間 (熔化速度至少 提高 1倍 , 節(jié)約了材料的熔化消耗費用 , 降低了生 產(chǎn)成本 。 按照目前鋁活塞已達到的年產(chǎn) 2500萬件 和鋁輪轂已達到的年產(chǎn) 120萬件的生產(chǎn)量計算 , 每 年使用約 50000噸鋁合金 , 按 3%的燒損率計算 , 新 工藝可以減少約 1500噸鋁的燒損及熔化能耗 、 價值 至少 3100萬元 , 與 “