张 杨

(1.重庆市汽车动力系统测试工程技术研究中心，重庆401120；2.重庆大学 机械工程学院，重庆400044)

穿孔管消声单元因消声性能良好，压力损失较低，在内燃机排气噪声控制中得到广泛的应用。目前，国内外学者运用有限元法和边界元法等方法分析了直通穿孔管消声器和三通穿孔管消声器的声学性能，并研究了穿孔率和几何参数对其声学性能的影响[1-9]，而针对两通穿孔管消声单元的声学性能研究涉及甚少。两通穿孔管消声单元作为复杂抗性消声器的常用消声元件之一，研究其结构参数对声学性能的影响规律，准确掌握其消声特性，对消声器的设计和改进具有重要的指导意义。

本文首先通过FEM 计算结果与实验结果的比较，验证了FEM预测消声器声学性能的正确性。在此基础上，利用FEM分别研究了插入管长度、腔长、穿孔段长度以及穿孔率等参数对两通穿孔管消声单元声学性能的影响，论证了第二腔的低频共振作用，并得出了两通穿孔管消声单元的设计规律。

1 有限元模型的建立

图1为典型的两通穿孔管消声单元结构示意图，其具体尺寸为：穿孔直径dh=5 mm，进出口管穿孔段始端距第一腔左壁面距离L1=50.3 mm，穿孔段长度L2=215 mm，进出口管穿孔段末端距第一腔右壁面距离L3=50.3 mm，进出口管内径d=42.5 mm、壁厚t=3.5 mm，第二腔的长度L4=140 mm，第二腔中内插管的长度L5=5 mm，腔体和隔板厚度均为4.4 mm，穿孔率φ=4.7%，腔体横截面尺寸如图1右图所示。在分析过程中将进出口管位置及管径固定不变（如图1的右图所示），进出口管长度取固定值300 mm 和200 mm，仅将穿孔段长度L2、穿孔率φ、第二腔腔长L4、第二腔中插入管长度L5等主要参数作为变化量。

图1 两通穿孔管消声单元结构示意图

使用CATIA 三维建模软件建立各个结构的流体模型，并在ANSA环境下进行了四面体网格划分，孔结构的单元长度为2 mm，非孔结构的单元长度为8 mm，有限元模型如图2所示。

图2 两通穿孔管消声单元有限元模型

选用Virtual.Lab Acoustics 软件对有限元模型进行求解。整个数值模拟过程中对穿孔管上的每个孔进行真实模拟，将消声器壁面视为刚性壁面，并假设空气介质为理想流体，不考虑介质的粘滞性，进口施加单位振速，出口设为全吸声，仿真时温度设为27°C，介质中声速c=347.514 m/s，介质密度ρ=1.174 kg/m3。

2 计算方法准确性验证

为了确保FEM的计算结果准确有效，本文首先运用两载法[10]对某两通穿孔管消声器的声学性能进行了试验测量，被测消声器的结构参数为：进出口管周向仅均布一排孔，孔数均为10，进出口管穿孔始端距第一腔左壁面距离L1=150 mm，进出管穿孔末端距第一腔右壁面距离L3=150 mm，除此之外其他结构尺寸均与图1相同，试验装置如图3所示，由扬声器、低通滤波器、传声器、功率放大器、数据采集处理仪器、计算机等构成，试验时的环境温度为27°C；然后将试验结果与计算结果对比，对比结果如图4所示。

图3 两通穿孔管消声器传递损失测量装置示意图

图4 消声器传递损失计算与试验结果

图4的对比结果表明：在2 400 Hz 以内的频率范围内传递损失的计算结果与试验结果吻合良好；而2 400 Hz以上高频域的传递损失实验值明显高于仿真计算值。

结果分析：由于有限元方法是建立在理想气体波动方程基础之上，忽略了介质的黏滞性，而实际介质对波动能量的耗散作用，以及黏滞性吸收系数与频率平方成正比，高频声波的黏滞性吸收系数比低频大[11]；所以，中低频范围内的传递损失实验值与计算值吻合良好，而实际高频消声量较计算值明显偏高。由此说明，利用有限元方法可以较准确地预测排气消声器的中低频声学性能而对高频声学性能的预测误差较大。

鉴于本文研究的抗性消声单元，广泛应用于阻抗复合型消声器中，而阻抗复合消声器的阻性部分已具有良好的中高频消声效果，所以本文只研究该消声单元的中低频声学性能。

3 传递损失计算分析

两通穿孔管消声单元的声学性能受诸多结构参数的影响，探讨某一结构参数对声学性能的影响时，保持其他结构参数不变或仅随之变化与之关联的结构参数。

3.1 两通穿孔管消声单元声学性能整体分析

由图4可以发现，被测消声器在109 Hz 的低频处产生了一个明显的共振峰。提取如图5所示的共振频率109 Hz处被测消声器的声压云图，可以看出第二腔中的声压达到最大值，这说明图4中的低频共振峰是由第二腔产生的，即第二腔是共振腔。

图5 被测消声器共振频率109 Hz 处内部声压云图

图6 子结构流体模型

将图1所示的两通穿孔管消声单元移去第二腔以及两腔的两连接管L6，为引述方便将剩余结构称为“子结构”，流体模型如图6所示；计算“子结构”的传递损失并与原整体结构进行对比分析，对比结果如图7所示。

图7 子结构及整体结构的传递损失比较

如图7所示，子结构和整体结构的声学性能300 Hz以内相差较大，300 Hz以上基本相同。这再次说明了两通穿孔管消声单元的第一个共振峰是由第二腔产生的；此外，由图7可以发现，两通穿孔管消声单元中第二腔主要影响300 Hz 以下的低频声学性能，而第一腔主要影响300 Hz以上的声学性能。

综合图5、图7可以得知：两通穿孔管消声单元中两连接管L6、第二腔及其两插入管L5构成一个端部共振器。

3.2 端部共振器共振作用分析

共振式消声器是一种通过管道开孔与赫姆霍兹共鸣腔相连形成的结构[12]。端部共振器的基本原理与旁支型、同轴型、窄缝型共振器大致相同：旁支管（连接管L6及插入管L5）形成旁支短管的声质量，共鸣腔（第二腔）形成声容；当入射声波频率与声质量、声容系统固有频率相同时形成共振，入射声波被共鸣器旁支所阻拦，形成消声作用[13]。其中声质量、声容与共振频率的平方成反比；声质量与旁支管有效长度成正比、与旁支短管总横截面积成反比，声容与共鸣腔体积成正比。

需要说明的是，端部共振器共振频率的计算并不能按集总质量法，用两旁支管横截面积和长度线性叠加来考虑。

3.3 第二腔插入管长度对传递损失的影响

由于实际消声器设计过程中插入管长度受诸多因素的限制，因而分别探讨了进出口管插入第二腔的长度相同和不同时，插入长度对声学性能的影响情况，如图8、图9所示。

图8 不同插入管长度传递损失比较

图9 不同插入管长度传递损失比较

图8表示的是进出口管插入第二腔中长度相同时，传递损失随插入长度变化情况。由图8知：第二腔插入管长度对300 Hz以内的传递损失影响较大，插入管长度增加，第一个共振峰往低频移动，这与理论上端部共振器旁支管长度增加，共振频率降低相一致；插入管长度对300 Hz以上中低频的传递损失影响较小，这与图7的结论一致。

由图9知：不同进出口管插入长度组合时，150 Hz 以内的传递损失有一定的变化，共振峰移动，这符合共振频率随端部共振器旁支管长度变化的规律；150 Hz以上的传递损失几乎不受插入长度影响。由于逆流插入管消声器出口管插入长度对压力损失有重要影响[14]，因而兼顾动力性能的同时，根据图8、图9的影响规律来设计进出口管插入长度仍然可以获得良好低频消声效果。

3.4 第二腔腔长对传递损失的影响

图10反映了传递损失随第二腔腔长变化的情况。

图10 不同第二腔腔长传递损失比较

由图10知：第二腔腔长对300 Hz以内的低频传递损失有重要影响，随第二腔腔长的增加，共振峰往低频移动，频带变窄，这与理论上端部共振器共鸣腔体积增大，振频率降低相一致；第二腔腔长对300 Hz以上中低频域的传递损失影响很小，这也与图7的结论一致；所以，消声器安装空间允许的条件下，设计和改进时可以通过适当变化腔长来获得需要的理想低频消声效果。

综上所述，端部共振器对300 Hz 以上的声学性能基本无影响，对低频声学性能有重要影响，所以，消声器设计时增加端部共振器、合理调整其结构参数大小可以改善低频消声性能，进而降低发动机的低频排气噪声。

3.5 穿孔段长度对传递损失的影响

穿孔段长度的变化会引起第一腔的腔长变化或非穿孔段长度的变化，本文分别讨论了这两种情况下穿孔段长度对传递损失的影响，如图11、图12所示。

图11反映了第一腔腔长随穿孔段长度变化时，穿孔段长度对消声器传递损失的影响情况。

图11 不同穿孔段长度传递损失比较

图12 不同穿孔段长度传递损失比较

由图11看出：穿孔段长度的变化导致两种明显不同的消声特性，在穿孔段的长度较小时，平面波域内传递损失还展示了拱形衰减域，穿孔段长度对平面波域内传递损失影响很小；穿孔段长度较大时，平面波域内出现了第二个共振峰；这是由于第一腔腔长随着穿孔段长度的变化而改变，穿孔段长度较小时第一腔的纵向长度小于横向长度，平面波域内第一腔类似于声波沿横向传播的扩张腔，因而展示拱形衰减域且穿孔段长度对传递损失影响较小，当穿孔段长度较大时第一腔的纵向长度大于横向长度，声波在第一腔中沿纵向传播，穿孔管结构使第一腔在共振作用和扩张作用的叠加下产生共振峰；穿孔段长度对平面波域外的中低频传递损失影响很大，但规律不明显，这是由于高模次波被激发，传播规律发生变化造成的。

图12反映了第一腔腔长固定时，消声器传递损失随穿孔段长度的变化情况。由图12知：腔长不变时，穿孔段长度增加，导致非穿孔段长度减小，第一个共振峰往高频移动，这与理论上喉管有效长度减小端部共振器的共振频率增加一致；穿孔段长度较小时，平面波域内传递损失展示了拱形衰减域，穿孔段长度较大时，平面波域内传递损失出现了第二个共振峰，这是因为穿孔段长度的变化使得非穿孔段长度也发生变化，这类似于扩张腔消声器的插入管长度发生变化，因而导致平面波域内出现拱形衰减或共振峰；穿孔段长度对高于截止频率的中低频传递损失影响很大，但规律不明显，这是由于高模次波被激发，传播规律发生变化造成的。综合图11、图12知，穿孔段长度对消声器的中低频传递损失有重要影响，所以消声器设计和改进时需要充分考虑穿孔段长度对声学性能的影响。

现代机械制造工艺中高新技术的引进对工艺的发展有着相当重要的地位。计算机技术、自动化技术等等高新技术融入到机械制造工艺中，使其突破传统机械制造工艺技术简单的缺点，使得机械制造工艺变得更加科学，使得机械制造工艺过程更加方便，更能适应时代的发展，满足社会市场的需求。

3.6 穿孔率对传递损失的影响

图13为进出口管的穿孔率相同时，不同穿孔率的消声器传递损失比较图。

图13 不同孔率的传递损失比较

由图13知：穿孔率对900 Hz以内的传递损失影响较小，第一个共振峰基本不受穿孔率的影响，穿孔率主要影响900 Hz以上的中低频传递损失；穿孔率增加，900 Hz以上的声学性能有一定的改善。所以，穿孔率较小时在消声器改进设计中，不影响低频声学性能的同时可以优先考虑采用增加穿孔率来改善中频附近局部频段的声学性能。

如图14所示：把不同的穿孔率进行组合，得到进出口管采用不同的穿孔率组合对传递损失的影响规律。

图14 不同穿孔率的传递损失比较

由图14可以看出：穿孔率对900 Hz以内的传递损失影响很小，对900 Hz 至1 500 Hz 的传递损失影响较复杂，但可以得知，进出口管采用不同的穿孔率组合较进出管采用相同穿孔率，可以明显改善900 Hz至1 500 Hz范围内的声学性能。因此，消声器改进时在不改变低频声学性能的情况下，可以使进出口管采用不同的穿孔率组合来改善中频附近频段声学性能。

4 结语

（1）两通穿孔管消声单元一端增加一腔可以构成端部共振器；端部共振器在低频产生共振峰，对300 Hz 以内的低频声学性能有重要影响，而对中低频其他频段基本无影响；合理设计端部共振器在兼顾动力性的同时，可以获得理想的低频消声效果。

（2）穿孔率对两通穿孔管消声单元低频传递损失影响很小，对中频附近频段的传递损失影响较大；进出口管使用不同的穿孔率可以改善中频附近频段的声学性能。

（3）穿孔段长度对两通穿孔管消声单元中低频传递损失影响较大，消声器设计时应考虑这一因素对声学性能的影响。