阻抗复合式消声器声学特性的研究

　　　　前言

　　汽车进排气噪声是影响环境的主要噪声源之一，而消声器作为控制汽车进排气系统噪声及流体机械噪声的主要手段，其性能很大程度上决定了汽车进排气噪声的控制水平［1 －2］。抗性消声器能有效降低中低频噪声而被广泛应用。穿孔管或穿孔板常被用于消声器中，一方面小孔结构可以有效地对消声器内部气流进行导流而避免截面突变而造成较大压力损失; 另一方面，声波进入小孔时部分声能量得到耗散而增加了总的消声量。吸声材料可以有效提高消声器中高频的消声性能［3］。阻抗复合式消声器综合了阻性和抗性消声器的优势，极大提高了消声器的消声性能和拓宽消声频带。阻抗复合式消声器的分析方法主要包括一维平面波理论或传递矩阵法、有限元和边界元法及二维解析法。一维平面波理论或传递矩阵法适用于简单消声器的分析，但该方法忽略了高阶模态声波的影响，从而对中高频的分析结果偏差较大。有限元和边界元法常用于复杂消声器的分析，但该方法在分析频段上需要较长的计算时间。二维解析法不但满足计算精度，并且只须改变结构参数即可进行消声器的改进计算，计算周期较短。文献［4］中分析了阻抗复合式消声器的声学特性，但没有考虑小孔的结构参数对消声器声学性能的影响。文献［5］中分析了组合共振式消声器、膨胀腔和阻性消声器的多腔阻抗复合式消声器的声学性能。文献［6］中应用边界元法计算了包含阻性和抗性消声器的阻抗复合式消声器的声衰减特性。

　　汽车排气噪声是一种宽频噪声，通常采用单级或者多级阻抗复合式消声器，在整个频率范围内控制排气噪声，因此提高消声器的消声性能并拓宽消声器的消声频段是必要的。本文中利用二维解析法计算了组合膨胀腔、穿孔管/板和吸声材料的复合式消声器的声学特性; 采用基于传递函数法的四传声器法测量了阻抗复合式消声器的消声性能，验证二维解析法的有效性和精确性，该方法可用于指导消声器的设计; 在不改变消声器尺寸的情况下，研究消声器的内部结构和吸声材料的填充位置对消声器声学性能的影响; 研究填充混合材料的阻抗复合式消声器的声学特性。

　　1 理论模型

　　图 1 为阻抗复合式消声器示意图。进口管道和出口管道分别为管道 A 和管道 E，半径为 r1。消声器膨胀腔的半径为 r4，分为3 个部分，即腔体 B、C 和D，腔体填充吸声材料，吸声材料和气流通道被穿孔管隔开( 如腔体 B 被分成 B1和 B2) ，长度分别为 LB，LC和 LD，腔体 B 与 D 中的吸声材料厚度为 r4－ r2，腔体 C 中的吸声材料厚度为 r4－ r3，腔体之间被部分穿孔板隔开，槇ζp为穿孔管/板声阻抗。利用相邻腔体界面处声压和质点速度的连续性条件可以得到消声器内部的声压分布，从而获得消声器的传递损失。