隔板对汽车微穿孔管消声器声学特性的影响

2 带隔板微穿孔管消声器传递损失理论建模
本文利用传递矩阵法[24-26]对截止频率下的微 穿孔管消声器传递损失进行理论推导。 2.1 传递损失理论模型 2.1.1 简单微穿孔管消声器
图 5 为简单直通微穿孔管消声器结构示意图， 各参数意义参见图 1 所示。建立 x 坐标轴并取正方 向为消声器轴向（由入口指向出口），x=0 位置对 应前内插管末端所在位置。
在无流状态下，若声传播频率低于消声器的截 止频率，即假设平面波在穿孔内管和膨胀腔内传 播，且声传播过程为绝热过程，其质量方程和动量 方程可用如下矩阵表示[27]：
其中，
⎡⎢⎢dρdpc1u/1d/xdx
⎤ ⎥ ⎥
⎢ ⎢
dp2 /dx
⎥ ⎥
⎢⎣dρcu2 /dx⎥⎦
=
[
M
]
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣
p1 ρ cu1
图 5 简单微穿孔管消声器模型
Fig.5 Model of a simple micro-perforated tube muffler
将式（3）代入式（2），可得：
图 2 微穿孔管消声器有限元仿真模型示意图 Fig.2 Schematic of a micro-perforated tube muffler FEM
model
1.2 试验验证 为验证上述消声器传递损失有限元仿真计算
方法，根据双负载法[20-22]利用阻抗管测量了消声器 传递损失。传递损失测量试验布置如图 3 所示。试 验采用的阻抗管型号为 SW466-60，传声器间距为 45 mm，频率测试范围为 400～3 150 Hz。微穿孔管 消声器样件结构参数如下：D=99 mm、d=60 mm、 l=220 mm、dh=0.8 mm、t=0.5 mm、p=3.14%、la=lb= 10 mm。
本文首先通过试验验证微穿孔管消声器传递 损失的数值计算方法，接着建立带隔板微穿孔ห้องสมุดไป่ตู้消 声器传递损失的理论模型并利用有限元数值计算 方法进行验证，最后基于理论模型探讨隔板对微穿 孔管消声器传递损失的影响。
1 微穿孔管消声器传递损失数值计算与试 验验证
1.1 传递损失数值计算 简单直通微穿孔管消声器如图 1 所示。 下面简要介绍其传递损失的有限元数值计算
0引言
微穿孔管消声器是基于微穿孔板吸声理论[1-3] 用于管道消声的共振式消声器。因其具有良好的气 动声学性能[4]，故在各领域获得了广泛的应用[5-10]。
为提高消声器的消声特性，有学者提出在消声 器内加入隔板装置。如汽车排气复杂消声器中利用 隔板将消声器分割为多个不同结构的腔室[11-12]。季 振林[13]利用边界元法对比分析单腔和双腔直通穿 孔管消声器传递损失后发现，利用隔板形成的双级 膨胀腔改善了中频消声性能。孟晓宏[14]利用有限元 法分析隔板位置对复杂两级扩张式消声器传递损 失的影响，发现隔板位置对中低频传递损失影响不 大，对高频传递损失影响较大；Jin Woo Lee[15]利用 基于有限元法的声学拓扑优化方法分析目标频率 的传递损失后发现，在同轴扩张腔消声器的扩张腔 内加隔板可以增大其传递损失；孙新波[16]基于有限 单元法分析隔板的存在对穿孔管消声器声学性能 的影响，发现加入隔板后，消声器的声学特性有所
提高。综上，前人的研究局限于利用数值仿真方法 分析隔板存在对常用消声器声学性能的影响，而数 值仿真方法存在建模复杂且计算耗时长等明显缺 点。若能基于较准确的理论方法进行消声器声学分 析，则能显著提高效率以便进行深入研究。因此， 本文针对微穿孔管消声器，建立了带隔板微穿孔管 消声器传递损失理论模型，便于有效分析隔板位置 和数目对消声器声学特性的影响。
收稿日期：2014-03-04 修订日期：2014-05-08 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ150256） 作者简介：左曙光（1968－），男，湖南沅江人，博士，教授，博士生 导师，主要研究方向：汽车振动、噪声及系统动力学。上海 同济大学 新能源汽车工程中心，201804。Email: sgzuo@ ※通信作者：吴旭东（1983－），男，博士，助理教授，主要研究方向： 汽车振动、噪声及系统动力学。上海 同济大学新能源汽车工程中心， 201804。Email: 1118wuxudong@
方法[17-18]。有限元仿真模型如图 2 所示，实体建模 时忽略消声器内部声传播过程的流固耦合作用，只 建立消声器内部空气腔模型。模型建立后，在有限 元软件中分别定义入口激励、介质属性、出口无反 射边界条件、小孔传递导纳关系[19]、求解器，然后 执行仿真，最后通过后处理求得传递损失。仿真过 程不考虑温度、气流对声传播的影响；穿孔层小孔
Zuo Shuguang, Long Guo, Wu Xudong, et al. Effects of baffle on acoustic attenuation performance of micro-perforated tube muffler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(11): 53－60. (in Chinese with English abstract)
注： X 和 Y 分别表示频率和传递损失值。 Note: X represents the frequency and Y represents the transmission loss.
图 4 微穿孔管消声器传递损失试验值与仿真值对比 Fig.4 Comparison of TL between test and FEM
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农业工程学报
2014 年
传递导纳（阻抗倒数）矩阵根据马大猷推导得到的 微穿孔板声阻抗理论模型[1]编程求得。
6.2%），故可以利用该数值方法计算微穿孔管消声 器传递损失。
注：l 为膨胀腔长度；D 为膨胀腔内径；la 和 lb 为前后内插管长度；d 和 t 分别为穿孔内管内径和壁厚；图上未标注的其他参数还包括穿孔直径 dh、、穿孔率 p。 Note: l is the expansion chamber length; D is the expansion chamber diameter; la is the front-end inner extension tube length and lb is the rear-end inner extension tube length; d is the perforated inner tube diameter and t is the wall thickness of the perforated inner tube; The perforation diameter dh and the perforation rate p are not marked in figure.
图 1 简单直通微穿孔管消声器示意图
Fig.1 Schematic of simple pass-through micro-perforated
tube muffler
图 3 微穿孔管消声器传递损失测量试验系统 Fig.3 Experimental system arrangement of TL measurement
1. 进口端；2. 穿孔内管；3. 穿孔层外端面；4. 膨胀腔；5. 出口端； 6. 穿孔层内端面 1. Inlet; 2. The perforated inner tube; 3. The perforated outer layer; 4. The expansion chamber; 5. Outlet; 6. The perforated inner layer
（同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804）
摘 要：为分析隔板对微穿孔管消声器声学特性的影响，该文首先通过试验验证微穿孔管消声器传递损失数值计
算方法，然后建立带隔板微穿孔管消声器传递损失的理论模型并利用数值方法进行验证，最后基于理论模型分析
了隔板对微穿孔管消声器传递损失的影响。分析发现，隔板位置影响主消声频带及传递损失大小，隔板越靠近中
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.11.007
中图分类号：TB535
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2014)-11-0053-08
左曙光，龙 国，吴旭东，等. 隔板对汽车微穿孔管消声器声学特性的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(11)： 53－60.
p2 ρ cu2
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦
（1）
⎡ 0 − jk 0
0⎤
[M
]
=
⎢ ⎢ ⎢
−
jα1 0
/
k
0 0
− jα2 / k
0
⎥ ⎥
0 − jk ⎥
⎢ ⎣
−
jα
3
/
k
0
− jα4 / k
0
⎥ ⎦
第 11 期
左曙光等：隔板对汽车微穿孔管消声器声学特性的影响
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α1
=k
2－
4 jk dz
α
2
=
4 jk dz
第 30 卷 第 11 期 2014 年 6 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.11 Jun. 2014 53
隔板对汽车微穿孔管消声器声学特性的影响
左曙光，龙 国，吴旭东※，张孟浩，相龙洋，张 珺
间位置，第一拱形衰减域向高频扩大，且传递损失越大；隔板数目增加，传递损失相应增大，但当隔板数目达到
一定值时传递损失不再显著增大；在简单微穿孔管消声器内加隔板后，可以适当缩短膨胀腔长度，而不会明显降