多腔共振式消声器的声学特性分析

 　　引言

　　进、排气噪声是汽车的主要噪声源之一,而消声器是控制进、排气噪声主要的元件。赫姆霍兹共振消声器具有结构简单、低频消声量较高和压力损失较小的特点,从而在汽车进排气噪声的控制中得到广泛的应用[1]。国外学者对共振消声器的声学特性进行了较多的研究[2~5]。国内只有少数机构做过关于赫姆霍兹共振消声器的研究[6]。

　　单节赫姆霍兹共振消声器选择性很强,在共振频率处消声量很大,在偏离共振频率处其消声量衰减很快,它只局限于对一个单一的、窄频带的衰减。汽车进、排气频谱比较复杂,往往由多个扰动构成或频带分布较宽,因此单个共振消声器的消声效果往往难以达到设计要求。而主动控制或半主动控制虽然能调节共振频率,但由于其成本太高而难以在实际工程中得到应用。

　　本文将多个共振腔设计成一种特殊组合结构,利用声学软件SYSNOISE,采用三维有限元法对不同组合结构的多腔共振消声器进行数值仿真计算。

　　1 理论模型

　　单节赫姆霍兹消声器的结构如图1所示。赫姆霍兹共振消声器的消声性能以共振频率和传递损失来评价。常用古典赫姆霍兹理论设计或预测共振消声器的传递损失和共振频率,该理论采用集中参数模型给出共振消声器的共振频率和传递损失[1~2]

　　式中:

　　c0—声速

　　lc—连接管长度

　　Ac—连接管道的截面积

　　V—共振腔的体积

　　Ap—主管道截面积

　　f—频率

　　fr—共振频率

　　假设声波在管道内轴向以平面波的形式传播,忽略管道内及共振腔的气流流动及气体粘性,则传递损失为

　　式中:

　　Av——共振腔截面积

　　k——波数

　　由式(3)可以看出,当分母为零时,传递损失变为无穷大,此时

　　对于短连接管,即klc<<1,此时,tan(klc)≈klc,方程(4)可以简化成

　　当连接管长度与共振腔的尺寸均较小时,即kl<<1,klc<<1,此时,cot(kl)≈1/(kl),式(5)可以简化为

　　可以看出,式(6)与由古典集中参数得出的结果式(1)是一致的。

　　2 有限元模型

　　采用一维平面波理论对共振式消声器进行分析时,存在着一定的局限性。当共振腔结构尺寸较大时,不能忽略腔体内部高次模式简正波的影响,连接管与主管道交叉处和共振腔内存在着三维效应[1]。因此,用一维平面波理论分析共振消声器将会产生一定的偏差。本文利用三维有限元分析方法对共振消声器进行声学分析,真实地模拟了共振消声器的性能。