基于Virtual-Lab的汽车消声器声学性能优化.docx

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基于VirtualLab的汽车消声器声学性能优化

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基于VirtualLab的汽车消声器声学性能优化

引言

消声器的声波符合平面波的规律，早从1950年代开始其相关的理论研究。1960年日本IgarashiJ和AraiM提出四端网络理论[1]，即每个消声但与采用四极参数矩阵来表示，但该方法仅限于结构简单的低频分析。1973年Munjal利用传递矩阵计算预测管道系统的声学性能[2]，随后又推导了无流和有流情况下的几种消声器结构的传递矩阵[3]。1987年美国肯塔基大学Seybert采用边界元法研究消声器声场[4]，该方法精度高、数据量少，但是局限于对具有对称结构的消声器在低频段的分析。2005年季振林使用一维解析法和三维子结构边界元法预测直通穿孔管消声器的消声性能，指出一维理论的有效频率范围[5]。1976年加拿大CraggsA最早采用有限元方法研究复杂结构的消声器[6]，并证明有限元法在中低频有非常好的精度，随着计算机的发展，该方法在消声器的研究领域里有了长足的发展。尽管有限元方法存在原始数据量大、离散误差等问题，但目前而言它仍不失为分析复杂声场的非常有效的方法。有限元与边界元相比，最大的优势在于可对内部具有复杂穿孔结构的消声器通过阻抗公式进行简化分析，大大减少计算量。关于穿孔结构阻抗公式的研究，康钟绪提出了新的修正参数[7]。本例基于必威体育精装版版本的VirtualLab，建立六面体单元对当前一款量产轿车的消声器的声学性能进行分析。

1三维声学有限元理论

若不考虑空气的粘性、热传导性等因素，由有限元声学理论可知，声场的三维波动方程：p-=0（1）

应用变分原理得到的亥姆霍兹方程为：p+kp=0（2）

式中为拉普拉斯算子，k0为波数。

先对空气建立离散化模型，再由伽辽金法建立离散化方程

NN+NkNΦdV=0（3）

式中Φ为所有节点的速度势矩阵。

代入边界条件v=-φ|由v=-φ、p=ρ解算出各节点的速度和压力。

2建立声学有限元模型

本文对整套消声器的第3号消声器进行分析。消声器的原始几何模型非常复杂，需要对结果影响不大的几何特征作简化。例如倒圆角特征，还有把入口管道和出口管道“化曲为直”，便于后期的建立网格。消声器内部空气的网格模型采用Hypermesh建立。该消声器为双插入管双腔型，入口管带有2处穿孔面，出口管带有1处穿孔面。对大量穿孔建立三维网格单元的模型比较困难，所以本例采用传递导纳的方法，即建立穿孔面板的外表面单元与内表面建立传递导纳关系，相当于使得它们之间处于“部分连通”。出口管的穿孔面由于一小部分与I腔连通，另一部分与出口管的套筒内部空气连通，故在建立网格单元时要分开处理。

Hypermesh无法通过自动生成的方式建立六面体单元，因此必须先建立二维面网格，再通过拉伸、旋转等方法建立三维网格。对于内部结构复杂的消声器采用分块建立三维网格，再把应该完全连接的单元节点等效（equivalence）起来，使之“全连通”。建立网格时还必须注意块与块之间的有机联系，否则到了建模后期局部的网格有可能无法等效。通常需要反复调整分块的方法才能使整体等效。最后还要检验并优化三维网格单元的质量，使质量不良的单元控制在一定的比例之内。

3确定传递阻抗和边界条件

原方案的消声器三处穿孔面的穿孔率分别为23.42%、21.98%、44.82%，板厚为1.2mm。再根据Mechel经验公式计算，得到各个穿孔面的阻抗Zpi，从而得到四端网络矩阵的各个参数，即可导入VirtualLab建立起传递导纳关系[8][9]。改进方案在原来的基础上，在Ⅰ腔与Ⅱ腔之间的隔板增加穿孔结构[10]。（图3）

入口处表面节点的边界速度设置为-1m/s，出口处的表面设置吸收材料，其阻抗特性ρ0c=416.5kg/m2·s。壁面设置为刚性壁面，吸声系数为0。

4计算结果

4.1声衰减量在入口管道和出口管道的中央节点上分别设置入口点，出口点。声衰减量为入口的声压级减去出口的声压级，即：

NR=L-L=20log（4）

为提高插入损失，文中采取的主要改进措施是对两腔之间的隔板增加穿孔结构。图4给出了优化前后

在0～2200Hz频率范围内的插入损失对比曲线，可以看出，140～260Hz低频范围获得明显的改善，而310～710中频范围内略有下降，中高频段可认为变化不大。

4.2传递损失传递损失为入口出入射声压级减去出口处透射声压级。这里的出口处由于设置了阻抗特性为ρc=416.5kg/m2·s，没有反射声压，故出口处的声压即为透射声压。而入口出声压由于存在反射声压，因此入口节点测得的声压包含了入射声压和反射声压[11]。根据公式：p=p+p（5