牛凱強(qiáng)++呂海峰+韓彥南

摘 要： 傳遞損失是消聲器的固有特性，是評(píng)判消聲器消聲性能的重要因素。采用有限元分析法對(duì)有插入管的擴(kuò)張腔消聲器傳遞損失進(jìn)行研究，指出擴(kuò)張腔消聲器入口插入管與出口插入管之間的相互影響。設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。根據(jù)進(jìn)出口插入管之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種可自主調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔位置來調(diào)整插入管長度的結(jié)構(gòu)。調(diào)整擴(kuò)張腔到不同位置的消聲器做仿真分析，仿真結(jié)果表明，通過該結(jié)構(gòu)的自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)張腔消聲器消聲頻率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。提高了該類型消聲器的消聲效果和消聲頻率寬度。

關(guān)鍵詞： 擴(kuò)張腔消音器； 傳遞損失； 有限元仿真； 可調(diào)頻

中圖分類號(hào)： TN61?34； TU112.3； TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0108?0

0 引 言

消聲器是一種在允許氣流通過的同時(shí)又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置，它主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的進(jìn)、排氣管道或者通風(fēng)管道的噪聲控制。消聲器的種類很多，按其減噪原理主要分為阻性消聲器、抗性消聲器和復(fù)合式消聲器。消聲器的聲學(xué)性能的優(yōu)劣，是根據(jù)消聲值的高低和消聲頻率的寬度來衡量的。擴(kuò)張腔消聲器是比較常見的抗性消聲器之一，因其結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造且消聲效果較好得到了廣泛的應(yīng)用。它的消聲原理是：利用管道的截面突變引起聲阻抗變化，使一部分沿管道傳播的聲波反射回聲源；同時(shí)，通過腔、室和內(nèi)接管等尺寸的變化，使得向前傳播的聲波與不同管截面上的反射波之間產(chǎn)生的相位差發(fā)生相互干涉，從而達(dá)到消聲的目的[1]。傳統(tǒng)的擴(kuò)張腔消聲器消聲頻率比較寬但是消聲效果一般，帶有插管的擴(kuò)張腔消聲器雖然在固定頻率內(nèi)提高了消聲值，但是其消聲頻率寬度又比較窄。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種可自主調(diào)節(jié)插入管長度的擴(kuò)張腔消聲器。

傳遞損失是消聲器本身所具有的特性，在消聲器設(shè)計(jì)以及數(shù)值計(jì)算時(shí)，用傳遞損失來作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)特別方便[2]。本文應(yīng)用有限元分析法對(duì)幾種擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真的正確性。根據(jù)理論研究對(duì)該消聲器做了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，在不影響擴(kuò)張腔消聲器空氣動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了消聲器的插入管長度可自主調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了高的消聲值和寬的消聲頻率。

1 傳遞損失理論

傳遞損失是消聲器聲學(xué)性能的一個(gè)重要特征參數(shù)，是一個(gè)消聲器本身的固有特性，其數(shù)值可以用來作為消聲器性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]。通常情況下，認(rèn)為傳遞損失值越大，消聲器的消聲性能越好。

傳遞損失（Transmission Loss）的定義：消聲元件入口處的入射聲功率級(jí) [Lwi]和出口處的透射聲功率級(jí) [Lwt] 之差，即：

[TL=Lwi-Lwt=10lgwiwt] （1）

空氣中聲強(qiáng)級(jí)近似等于聲壓級(jí)，而聲強(qiáng)與聲功率有[I=WS]（[S]為傳播方向的面積）的關(guān)系式，所以有：

[Lp≈LI=LW-10lgS] （2）

傳遞損失也可以運(yùn)用聲壓級(jí)或者聲強(qiáng)級(jí)來計(jì)算。

2 有限元理論

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，是用有限數(shù)量的未知單元去逼近無限未知單元的真實(shí)系統(tǒng)。COMSOL Multiphysics是一款基于全新有限元理論、直接針對(duì)偏微分方程為研究對(duì)象的大型數(shù)值仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了任意多物理場(chǎng)、直接、雙向、實(shí)時(shí)耦合，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算[3?4]。COMSOL中的聲學(xué)模塊可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲學(xué)的理論仿真。為了對(duì)管道內(nèi)的聲壓分布情況進(jìn)行研究，本文應(yīng)用COMSOL仿真軟件對(duì)擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行了有限元分析。所研究的消聲器各參數(shù)尺寸如表1所示，分別對(duì)無插入管和插入管長度為100 mm和90 mm的擴(kuò)張腔進(jìn)行仿真分析。根據(jù)這些參數(shù)建立了擴(kuò)張腔消聲器模型，并采用自由劃分網(wǎng)格方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，如圖1所示。

設(shè)定聲音的傳播速度為340 m/s，空氣密度為 1.293×10-6 kg/m3。根據(jù)擴(kuò)張腔消聲器平面波截止頻率公式[f=1.22cd]，該消聲器的截止頻率為3 771 Hz，因?yàn)楸疚难芯吭肼曌罡邽? 000 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止頻率。所以仿真設(shè)定入射聲波為一維平面波，入射聲壓[6?8]為1 Pa。

圖2（a）為擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失曲線，由圖中曲線可以看出，無插入管消聲器傳遞損失呈周期性變化，消聲效果一般。插入管100 mm的擴(kuò)張腔消聲器在約為790 Hz時(shí)傳遞損失特別大，消聲效果特別好。插入管90 mm的擴(kuò)張腔消聲器在約為850 Hz時(shí)傳遞損失值大，消聲效果顯著。說明插入管有利于消聲效果的提高，而插入管的長度決定消聲效果較好的消聲頻率。

如圖2（b）所示，消聲器1為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和0 mm的消聲器，消聲器2為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和90 mm的消聲器，消聲器3為入口插入管和出口插入管長度分別為0 mm和90 mm的消聲器，從該圖可以看出消聲器2所得的傳遞損失曲線是由消聲器1與消聲器3所得傳遞損失的疊加。說明消聲器入口插入管與出口插入管互不干涉，但是都有利于消聲器消聲效果。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)用四傳聲器法對(duì)該消聲器消聲前后聲壓進(jìn)行測(cè)量[9?10]，實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理如圖3所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是莞音Audio Labs制作的8 Ω/ 15 W揚(yáng)聲器，采用YE5856功率放大器對(duì)信號(hào)源噪聲信號(hào)源進(jìn)行放大，采用Φ12.7 mm（[12] inch）預(yù)極化測(cè)試傳聲器，傳聲器1和傳聲器2、傳聲器3和傳聲器4均間隔12 cm。采用DAQ9234采集卡配合LabVIEW軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖4所示。為了比較準(zhǔn)確地測(cè)試出消聲器的消聲效果，在消聲器的同一位置放置長度相同的直管做空管的聲壓測(cè)量，并將兩者所得傳遞損失的差值作為該消聲器的傳遞損失值[7]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4760—1995，在管道的出口處接喇叭形的消聲末端，這樣能夠最大程度地減小管道振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

4 結(jié)果分析

通過應(yīng)用有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)有插管的擴(kuò)張腔消聲器的傳遞損失進(jìn)行分析，其傳遞損失曲線如圖5中所示。圖5中消聲器1為入口插入管和出口插入管長度均為100 mm的消聲器，消聲器2為入口插入管和出口插入管長度分別為110 mm和90 mm的消聲器。由圖5中曲線可以看出，插入管長度不同的兩個(gè)消聲器，其仿真分析得到的傳遞損失曲線與實(shí)驗(yàn)分析得到的傳遞損失曲線都能很好的吻合。說明應(yīng)用COMSOL仿真得到的結(jié)果是正確的，可以在研究有插入管的擴(kuò)張腔消聲器時(shí)作為參考。實(shí)驗(yàn)得到的曲線在頻率低于300 Hz時(shí)出現(xiàn)了局部不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是在頻率低于100 Hz時(shí)波動(dòng)尤為明顯，這是由于實(shí)驗(yàn)所用的揚(yáng)聲器本身在低頻段工作不穩(wěn)定的特性引起的。而在1 400 Hz處傳遞損失曲線出現(xiàn)了一個(gè)極大值，其原因可能是由于達(dá)到擴(kuò)張腔的共振頻率，擴(kuò)張腔內(nèi)的氣體在聲波激勵(lì)下發(fā)生共振，使得聲能急劇轉(zhuǎn)化為熱能以及管道的動(dòng)能，導(dǎo)致傳遞損失出現(xiàn)極大值。而在約為600 Hz，1 100 Hz和1 700 Hz時(shí)出現(xiàn)了不同程度的負(fù)的傳遞損失，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所用的是雙末端法，該方法在傳遞損失接近0時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，從而使得傳遞損失值出現(xiàn)了周期性的負(fù)值。

結(jié)合第3節(jié)中的結(jié)論，可以知道，只要調(diào)節(jié)插入管的長度就能調(diào)節(jié)消聲器最佳消聲頻率，從而實(shí)現(xiàn)高消聲寬頻域的消聲器。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)第3，4節(jié)中的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論，在現(xiàn)有的內(nèi)插管擴(kuò)張腔消聲器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔內(nèi)插管長度的結(jié)構(gòu)，它是由步進(jìn)電機(jī)通過絲桿帶動(dòng)擴(kuò)張腔左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張腔內(nèi)部插入管長度的調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6中插入管外徑帶有外螺紋，與擴(kuò)張腔插入口處的內(nèi)螺紋相連接，擴(kuò)張腔外設(shè)有外螺紋，將其與有步進(jìn)電機(jī)的絲桿相連接，插入管與過渡管固定連接，這樣只要控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)消聲器插入管長度的調(diào)節(jié)。對(duì)該消聲器的部分位置進(jìn)行仿真分析，仿真分析結(jié)果如圖7所示，設(shè)定前后插入管均為100 mm時(shí)為0，擴(kuò)張腔向左移動(dòng)為正。從圖7中可以看出，隨著擴(kuò)張腔位置的移動(dòng)，其最佳的消聲頻率會(huì)隨著變化，從圖7中還可以看出，每個(gè)頻率的噪聲都有一個(gè)最佳的傳遞損失值，也就是說，每個(gè)頻率的噪聲都對(duì)應(yīng)有一個(gè)擴(kuò)張腔位置使其達(dá)到最佳的消聲效果。只要能夠有足夠量的基數(shù)，每個(gè)頻率處都取所有基數(shù)的最大傳遞損失值，就能得到該消聲器的最佳傳遞損失曲線。圖8為擴(kuò)張腔每5 mm一個(gè)移動(dòng)單元所得的最佳傳遞損失曲線，從該曲線可以看出，其消聲效果相比無插管消聲器消聲量大的多，相比固定插管消聲器消聲頻域?qū)捄芏唷?/p>

5.2 控制系統(tǒng)

擴(kuò)張腔體的移動(dòng)需要通過控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的工作需要控制算法的支持。選取點(diǎn)積值法作為該系統(tǒng)的控制算法。控制系統(tǒng)方案：通過消聲器前后端傳聲器信號(hào)識(shí)別噪聲頻率，根據(jù)預(yù)先算好的仿真結(jié)果，步進(jìn)電機(jī)快速調(diào)整擴(kuò)張腔至指定位置，傳聲器信號(hào)隨隔板移動(dòng)發(fā)生變化，根據(jù)點(diǎn)積值法計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整擴(kuò)張腔位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制消聲頻率，圖9為點(diǎn)積值算法流程圖[11] 。

6 結(jié) 論

對(duì)擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證了消聲頻率與插入管長度的關(guān)系，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。根據(jù)消聲頻率與插入管的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種通過調(diào)節(jié)擴(kuò)張腔位置調(diào)節(jié)插入管長度的消聲器結(jié)構(gòu)，并通過控制算法控制擴(kuò)張腔位置移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自主控制的可調(diào)頻消聲效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到實(shí)驗(yàn)儀器本身特性的影響，需要更好的方法來避免，實(shí)驗(yàn)管路的特性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法所產(chǎn)生的局部頻率處傳遞損失負(fù)值或突變需要進(jìn)一步的改進(jìn)。所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張腔與插入管處密封性由螺紋本身所具有的密封性來實(shí)現(xiàn)，密封性的優(yōu)劣還需進(jìn)一步的研究。圖8中擴(kuò)張腔每5 mm一個(gè)移動(dòng)單元所得的最佳傳遞損失曲線過于曲折，若能適當(dāng)?shù)臏p小移動(dòng)單元，可以使該傳遞損失曲線趨于平滑。

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