基于有限元虚拟试验的消声器传声损失测量

    0 引 言

    进排气噪声是内燃机噪声的重要组成部分，目前最常用也是最有效抑制进排气噪声的措施即安装消声器，消声器的降噪性能直接影响了内燃机的噪声水平。消声器的传声损失定义为消声器入口和出口处的声功率级之差，由于其不受声源管道系统和末端阻抗的影响，反映了消声器本身的固有特性，通常被作为评价消声器性能的主要指标[1-2]。目前，传声损失的主要获取方法有传递矩阵法、有限元法、边界元法和试验方法等[3-5]。传统的传递矩阵方法由于将消声器看成若干个简单子结构的组合、且各结构的子传递矩阵的获取都是基于简单平面波获得，未考虑消声器实际存在的三维扩散及衍射作用，只能对消声器传声损失作近似分析，通常只用于消声器的初始设计[5-8]；有限元法和边界元法通过建立消声器内部声场的三维模型，并基于声波方程及亥姆霍兹方程建立其数学模型，相对于传递矩阵法能较好的反映实际消声器内部的复杂声场，但仍存在建模及网格误差，并受到微穿孔板、小孔板、吸声材料等结构难以建模及参数难以确定的限制，降低了其传声损失的计算精度[9-19]。基于试验的方法由于是对实际消声器进行测量，未作任何假设和声学材料特性，因此能准确获得消声器的传声损失性能。对传声损失的实际测量，文献[20-21]采用传递函数方法分别测量消声器上下游的复反射系数，以此计算上游入射声波的入射功率和下游透射声波的透射功率，进而确定消声器的传声损失，但由于其测量过程中将消声器上下游作为 2 个独立的声学系统，未考虑下游透射反射波对上游声波的耦合作用，因此限制了测量结果的精度；文献[22]将双传声器驻波管测量材料声阻抗的原理[23-26]推广到消声器传声损失的测量中，通过测量消声器上下游各 2 个测点位置处的复声压进而计算消声器的传声损失，同样忽略了消声器下游透射反射波对上游声波的耦合作用，测量结果亦存在较大误差；文献[27-29]利用两载法，通过分别测量 2 种出口阻抗条件下测点间的传递函数，进而确定消声器的传声损失，测量考虑了下游透射反射波对上游声波的耦合影响，获得了准确的测量结果，但上述文献均未给出详细的传声器测点布置的依据。

    本文以典型扩张式消声器为例，利用有限元试验仿真消声器的内部声场分布，进行了传声损失的虚拟测量，分别研究了尾端全吸声三点法和实际尾管效应下的单边界四点法的应用局限和误差来源，阐述了一维平面波理论值与虚拟测量结果存在差异的原因，探讨了尾管效应、尾端吸声系数、消声器上下游耦合效应对传声损失测量的影响，论述了采用消除上下游耦合的双边界四点法测量传声损失的必要性，并通过试验验证了其准确性，同时详细分析了传声损失测量时传声器测点位置、测点间距等参数对测量结果的影响。