基于Virtual Lab的汽車消聲器聲學(xué)性能優(yōu)化

1、基于Virtual Lab的汽車消聲器聲學(xué)性能優(yōu)化基于VirtualLab的汽車消聲器聲學(xué)性能優(yōu)化論文聯(lián)盟.Ll.引言消聲器的聲波符合平面波的規(guī)律，早從1950年代開場(chǎng)其相關(guān)的理論研究。1960年日本IgarashiJ和Arai提出四端網(wǎng)絡(luò)理論1，即每個(gè)消聲但與采用四極參數(shù)矩陣來表示，但該方法僅限于構(gòu)造簡(jiǎn)單的低頻分析。1973年unjal利用傳遞矩陣計(jì)算預(yù)測(cè)管道系統(tǒng)的聲學(xué)性能2，隨后又推導(dǎo)了無流和有流情況下的幾種消聲器構(gòu)造的傳遞矩陣3。1987年美國(guó)肯塔基大學(xué)Seybert采用邊界元法研究消聲器聲場(chǎng)4，該方法精度高、數(shù)據(jù)量少，但是局限于對(duì)具有對(duì)稱構(gòu)造的消聲器在低頻段的分析。2022年季振林使用

2、一維解析法和三維子構(gòu)造邊界元法預(yù)測(cè)直通穿孔管消聲器的消聲性能，指出一維理論的有效頻率范圍5。1976年加拿大raggsA最早采用有限元方法研究復(fù)雜構(gòu)造的消聲器6，并證明有限元法在中低頻有非常好的精度，隨著計(jì)算機(jī)的開展，該方法在消聲器的研究領(lǐng)域里有了長(zhǎng)足的開展。盡管有限元方法存在原始數(shù)據(jù)量大、離散誤差等問題，但目前而言它仍不失為分析復(fù)雜聲場(chǎng)的非常有效的方法。有限元與邊界元相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)內(nèi)部具有復(fù)雜穿孔構(gòu)造的消聲器通過阻抗公式進(jìn)展簡(jiǎn)化分析，大大減少計(jì)算量。關(guān)于穿孔構(gòu)造阻抗公式的研究，康鐘緒提出了新的修正參數(shù)7。本例基于最新版本的VirtualLab，建立六面體單元對(duì)當(dāng)前一款量產(chǎn)轎車的消聲

3、器的聲學(xué)性能進(jìn)展分析。1三維聲學(xué)有限元理論假設(shè)不考慮空氣的粘性、熱傳導(dǎo)性等因素，由有限元聲學(xué)理論可知，聲場(chǎng)的三維波動(dòng)方程：p-=01應(yīng)用變分原理得到的亥姆霍茲方程為：p+kp=02式中為拉普拉斯算子，k0為波數(shù)。先對(duì)空氣建立離散化模型，再由伽遼金法建立離散化方程N(yùn)N+NkNdV=03式中為所有節(jié)點(diǎn)的速度勢(shì)矩陣。代入邊界條件v=-|由v=-、p=解算出各節(jié)點(diǎn)的速度和壓力。2建立聲學(xué)有限元模型本文對(duì)整套消聲器的第3號(hào)消聲器進(jìn)展分析。消聲器的原始幾何模型非常復(fù)雜，需要對(duì)結(jié)果影響不大的幾何特征作簡(jiǎn)化。例如倒圓角特征，還有把入口管道和出口管道化曲為直，便于后期的建立網(wǎng)格。消聲器內(nèi)部空氣的網(wǎng)格模型采用Hy

4、peresh建立。該消聲器為雙插入管雙腔型，入口管帶有2處穿孔面，出口管帶有1處穿孔面。對(duì)大量穿孔建立三維網(wǎng)格單元的模型比擬困難，所以本例采用傳遞導(dǎo)納的方法，即建立穿孔面板的外外表單元與內(nèi)外表建立傳遞導(dǎo)納關(guān)系，相當(dāng)于使得它們之間處于部分連通。出口管的穿孔面由于一小部分與I腔連通，另一部分與出口管的套筒內(nèi)部空氣連通，故在建立網(wǎng)格單元時(shí)要分開處理。Hyperesh無法通過自動(dòng)生成的方式建立六面體單元，因此必須先建立二維面網(wǎng)格，再通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等方法建立三維網(wǎng)格。對(duì)于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的消聲器采用分塊建立三維網(wǎng)格，再把應(yīng)該完全連接的單元節(jié)點(diǎn)等效equivalene起來，使之全連通。建立網(wǎng)格時(shí)還必須注意塊與

5、塊之間的有機(jī)聯(lián)絡(luò)，否那么到了建模后期部分的網(wǎng)格有可能無法等效。通常需要反復(fù)調(diào)整分塊的方法才能使整體等效。最后還要檢驗(yàn)并優(yōu)化三維網(wǎng)格單元的質(zhì)量，使質(zhì)量不良的單元控制在一定的比例之內(nèi)。3確定傳遞阻抗和邊界條件原方案的消聲器三處穿孔面的穿孔率分別為23.42%、21.98%、44.82%，板厚為1.2。再根據(jù)ehel經(jīng)歷公式計(jì)算，得到各個(gè)穿孔面的阻抗Zpi，從而得到四端網(wǎng)絡(luò)矩陣的各個(gè)參數(shù)，即可導(dǎo)入VirtualLab建立起傳遞導(dǎo)納關(guān)系89。改良方案在原來的根底上，在腔與腔之間的隔板增加穿孔構(gòu)造10。圖3入口處外表節(jié)點(diǎn)的邊界速度設(shè)置為-1/s，出口處的外表設(shè)置吸收材料，其阻抗特性0=416.5kg/2

6、s。壁面設(shè)置為剛性壁面，吸聲系數(shù)為0。4計(jì)算結(jié)果4.1聲衰減量在入口管道和出口管道的中央節(jié)點(diǎn)上分別設(shè)置入口點(diǎn)，出口點(diǎn)。聲衰減量為入口的聲壓級(jí)減去出口的聲壓級(jí)，即：NR=L-L=20lg4為進(jìn)步插入損失，文中采取的主要改良措施是對(duì)兩腔之間的隔板增加穿孔構(gòu)造。圖4給出了優(yōu)化前后在02200Hz頻率范圍內(nèi)的插入損失比照曲線，可以看出，140260Hz低頻范圍獲得明顯的改善，而310710中頻范圍內(nèi)略有下降，中高頻段可認(rèn)為變化不大。4.2傳遞損失傳遞損失為入口出入射聲壓級(jí)減去出口處透射聲壓級(jí)。這里的出口處由于設(shè)置了阻抗特性為=416.5kg/2s，沒有反射聲壓，故出口處的聲壓即為透射聲壓。而入口出聲壓

7、由于存在反射聲壓，因論文聯(lián)盟.Ll.此入口節(jié)點(diǎn)測(cè)得的聲壓包含了入射聲壓和反射聲壓11。根據(jù)公式：p=p+p5u=p-p6消去p得到公式：p=p+u/2其中u為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，由于消聲器聲波傳遞符合平面波的規(guī)律，所以其方向平行于管道的中軸線。以上公式的聲壓均為復(fù)數(shù)形式。把入口節(jié)點(diǎn)的速度矢量V=V，V，V提取出來，與管道中軸線的單位向量點(diǎn)乘，獲得的V在上的速度投影，即為所求的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度u，該值也是復(fù)數(shù)形式，代入下式：TL=20lg=20lg7即可得到各個(gè)頻率的傳遞損失。結(jié)果如圖5。原模型在低頻段的消聲效果比擬弱，在60Hz處的共振峰獲得19.4dB的消聲量，而在130Hz處共振谷的消聲效果最差，

8、獲得37.4dB的增益。改良方案在190Hz獲得40.3dB的消聲量，它是由原方案在60Hz的共振峰經(jīng)過共振加強(qiáng)、頻率遷移過來的，在190Hz頻率附近獲得比原來高20dB。而在270Hz獲得43.8dB的增益，雖然增益較原來較強(qiáng)了一點(diǎn)，但帶寬較原來變狹窄。改良方案在320-710Hz比原方案的消聲量降低410dB，但是可通過吸聲材料來消減中頻。高于710Hz的變化不大，消聲效果的提升非常有限。因此建議嘗試對(duì)隔板加工出一定穿孔率的穿孔構(gòu)造，再進(jìn)展臺(tái)架聲學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證改良方案的實(shí)際效果。5總結(jié)三維聲學(xué)有限元方法是為預(yù)測(cè)消聲器傳遞損失提供了一個(gè)快速而有效的方法，對(duì)設(shè)計(jì)、分析和改良消聲器的聲學(xué)性能提供一定的根據(jù)。六面體網(wǎng)格模型與四面體模型相比，不但精度更高，而且還可以根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)的方法建立傳遞導(dǎo)納關(guān)系，從而簡(jiǎn)化了穿孔構(gòu)造帶來的復(fù)雜的網(wǎng)格和龐大的計(jì)算量。插入損失總體上小于傳遞損失，但在某些頻率上插入損失有可能