穿孔管消声器声学性能三维时域计算及分析

　　0 前言

　　为了降低发动机排气噪声，普遍采用的方法就是安装具有优良性能的排气消声器[1-2]。穿孔管消声器具有良好的消声性能和较低的阻力损失[3]，因而广泛应用于排气系统中。目前穿孔管消声器声学性能计算普遍采用频域方法并使用近似的穿孔阻抗经验公式[4-7]，其主要缺点如下：① 需要把复杂的气体流动简化为均匀流动或分段均匀流动，这与实际状态相差较大；② 存在复杂的气体流动情况下无法获得较精确的穿孔阻抗表达式。鉴于此，本文使用基于计算流体动力学的时域方法计算穿孔管消声器的声学性能。与频域方法相比，该法不仅可以对小孔进行直接建模模拟，而且还可以考虑复杂的气体流动和粘滞性对消声器内声传播的影响，因而可获得更加准确的消声器声学性能计算结果。

　　DICKEY 等[8]使用一维时域方法计算了直通和三通穿孔管消声器的传递损失，在平面波范围内计算结果与试验测量结果吻合较好。MIDDELBERG等[9]应用二维轴对称时域方法计算了简单膨胀腔消声器的传递损失，其预测结果与文献中发表的试验数据基本吻合。然而上述研究都是针对静态介质，没有考虑气体流动效应。BROATCH 等[10]提出了一种基于计算流体动力学 (Computational fluiddynamics，CFD)模拟脉冲测试技术的三维时域方法，计算了简单膨胀腔和回流消声器在无流和有流(马赫数 Ma=0.07)情况下的传递损失。对于无流情况，两种结构消声器传递损失的时域方法计算结果与试验结果和有限元法(Finite element method，FEM)计算结果吻合较好；然而有流时消声器传递损失的时域法计算结果没有得到试验验证。徐航手等[11]使用三维时域方法计算了静态介质中外插进出口管膨胀腔和直通穿孔管消声器的传递损失，其计算结果与试验结果和 FEM 计算结果吻合良好；文献[11]中还计算了 Ma=0.2 时直通穿孔管消声器的传递损失，其计算结果与试验测量结果在所考虑的频率范围内总体吻合较好，中频段存在偏差。JI 等[12]使用三维时域方法计算了无流和有流条件下全穿孔和部分穿孔的直通穿孔管消声器和共振器的声学特性，在无流情况下时域法计算结果与试验测量结果吻合很好，在有流情况下三维时域法的计算精度仍然不够理想。

　　为此，本文使用三维时域 CFD 法计算无流和有流情况下直通穿孔管消声器和横流穿孔管消声器的传递损失，并将计算结果与试验测量结果和频域法计算结果进行比较以验证该方法的计算精度。最后考察气流速度和温度对横流穿孔管消声器声学性能的影响。

　　1 消声器传递损失计算

　　1.1 计算原理及方法

　　传递损失是消声器单独具有的属性，与管道系统及噪声源无关，因而适合于理论研究。它可以表示为