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一种可自主调频的扩张腔消声器 　　摘 要： 传递损失是消声器的固有特性，是评判消声器消声性能的重要因素。采用有限元分析法对有插入管的扩张腔消声器传递损失进行研究，指出扩张腔消声器入口插入管与出口插入管之间的相互影响。设计相关实验验证了仿真分析的正确性。根据进出口插入管之间的关系，设计一种可自主调节扩张腔位置来调整插入管长度的结构。调整扩张腔到不同位置的消声器做仿真分析，仿真结果表明，通过该结构的自主调节，实现了扩张腔消声器消声频率的实时调节。提高了该类型消声器的消声效果和消声频率宽度。 　　关键词： 扩张腔消音器； 传递损失； 有限元仿真； 可调频 　　中图分类号： TN61?34； TU112.3； TH12 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0108?0 　　0 引 言 　　消声器是一种在允许气流通过的同时又能有效地阻止或减弱声能向外传播的装置，它主要应用于机械设备的进、排气管道或者通风管道的噪声控制。消声器的种类很多，按其减噪原理主要分为阻性消声器、抗性消声器和复合式消声器。消声器的声学性能的优劣，是根据消声值的高低和消声频率的宽度来衡量的。扩张腔消声器是比较常见的抗性消声器之一，因其结构简单，便于加工制造且消声效果较好得到了广泛的应用。它的消声原理是：利用管道的截面突变引起声阻抗变化，使一部分沿管道传播的声波反射回声源；同时，通过腔、室和内接管等尺寸的变化，使得向前传播的声波与不同管截面上的反射波之间产生的相位差发生相互干涉，从而达到消声的目的[1]。传统的扩张腔消声器消声频率比较宽但是消声效果一般，带有插管的扩张腔消声器虽然在固定频率内提高了消声值，但是其消声频率宽度又比较窄。本文在此基础上提出了一种可自主调节插入管长度的扩张腔消声器。 　　传递损失是消声器本身所具有的特性，在消声器设计以及数值计算时，用传递损失来作为评价标准特别方便[2]。本文应用有限元分析法对几种扩张腔消声器的传递损失进行了研究，并设计声学实验验证了有限元仿真的正确性。根据理论研究对该消声器做了机械结构上的改进，在不影响扩张腔消声器空气动力性能的基础上，实现了消声器的插入管长度可自主调节，从而实现了高的消声值和宽的消声频率。 　　1 传递损失理论 　　传递损失是消声器声学性能的一个重要特征参数，是一个消声器本身的固有特性，其数值可以用来作为消声器性能的评价标准[3]。通常情况下，认为传递损失值越大，消声器的消声性能越好。 　　传递损失（Transmission Loss）的定义：消声元件入口处的入射声功率级 [Lwi]和出口处的透射声功率级 [Lwt] 之差，即： 　　[TL=Lwi-Lwt=10lgwiwt] （1） 　　空气中声强级近似等于声压级，而声强与声功率有[I=WS]（[S]为传播方向的面积）的关系式，所以有： 　　[Lp≈LI=LW-10lgS] （2） 　　传递损失也可以运用声压级或者声强级来计算。 　　2 有限元理论 　　有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，是用有限数量的未知单元去逼近无限未知单元的真实系统。COMSOL Multiphysics是一款基于全新有限元理论、直接针对偏微分方程为研究对象的大型数值仿真软件，实现了任意多物理场、直接、双向、实时耦合，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算[3?4]。COMSOL中的声学模块可以实现管道内声学的理论仿真。为了对管道内的声压分布情况进行研究，本文应用COMSOL仿真软件对扩张腔消声器进行了有限元分析。所研究的消声器各参数尺寸如表1所示，分别对无插入管和插入管长度为100 mm和90 mm的扩张腔进行仿真分析。根据这些参数建立了扩张腔消声器模型，并采用自由划分网格方式对其进行网格划分[5]，如图1所示。 　　设定声音的传播速度为340 m/s，空气密度为 1.293×10-6 kg/m3。根据扩张腔消声器平面波截止频率公式[f=1.22cd]，该消声器的截止频率为3 771 Hz，因为本文研究噪声最高为2 000 Hz，远远小于截止频率。所以仿真设定入射声波为一维平面波，入射声压[6?8]为1 Pa。 　　图2（a）为扩张腔消声器的传递损失曲线，由图中曲线可以看出，无插入管消声器传递损失呈周期性变化，消声效果一般。插入管100 mm的扩张腔消声器在约为790 Hz时传递损失特别大，消声效果特别好。插入管90 mm的扩张腔消声器在约为850 Hz时传递损失值大，消声效果显著。说明插入管有利于消声效果的提高，而插入管的长度决定消声效果较好的消声频率。 　　如图2（b）所示，消声器1为入口插入管和出口插入管长度分