馬 越

（中國石化勝利油田分公司 海洋采油廠 山東東營 257237）

排氣噪聲屬于低頻噪聲，是柴油發(fā)動機(jī)和拖拉機(jī)的主要噪聲源。使用排氣消聲器是降低排氣噪音的直接有效方法。然而，傳統(tǒng)的排氣消聲器通常由膨脹室和多孔管或多孔板組合而成，具有較高的排氣阻力，但降噪效果較差，特別是對于低頻噪聲。通常情況下，排氣消聲器的降噪與排氣阻力之間存在矛盾，因此，研究消音器的高效降噪和節(jié)能原理具有重要意義[1]。為了解決傳統(tǒng)消聲器的問題，已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試，但僅獲得了有限的進(jìn)展。近年來，人們積極研究了主動消音系統(tǒng)，其中多采用揚(yáng)聲器來消除排氣噪聲[2-4]。由于設(shè)計固有的問題，該方法未能商業(yè)化。其他各種嘗試，例如使用連接到原始排氣管的U形旁通管，利用消聲器中的渦旋現(xiàn)象，也未能實(shí)現(xiàn)其商業(yè)應(yīng)用[5]。

排氣流與燃燒過程直接相關(guān)，并且包含有關(guān)發(fā)動機(jī)燃燒條件的豐富信息，在排氣管內(nèi)部不可避免地存在聲反射和駐波效應(yīng)的問題。為了有效地設(shè)計消音器系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和排氣過程，通常會基于聲學(xué)單端口模型來了解聲音產(chǎn)生機(jī)理和對聲源進(jìn)行量化。基于聲學(xué)單端口模型，已經(jīng)開發(fā)出各種實(shí)驗(yàn)方法來確定聲源特性，包括駐波法，傳遞函數(shù)法和多載荷法。它們最初是為消音器設(shè)計而開發(fā)的。

發(fā)動機(jī)噪聲是對環(huán)境的部分噪聲污染之一，必須根據(jù)法規(guī)要求限制外部噪聲，排氣系統(tǒng)的開發(fā)旨在衰減符合要求水平和聲音質(zhì)量的噪聲，并根據(jù)環(huán)境規(guī)范進(jìn)行排放。消音器是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，通常用于排氣系統(tǒng)，以最大程度地減少由排氣引起的聲音傳播。近幾十年來，關(guān)于噪聲的環(huán)境法規(guī)變得越來越嚴(yán)格，這使消聲器的設(shè)計發(fā)生了變化。例如，（1）增加消聲器的體積，過去消聲器的體積是發(fā)動機(jī)排量的5倍，但現(xiàn)在是發(fā)動機(jī)排量的12倍；（2）改進(jìn)了消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（3）二手消聲器；（4）廣泛使用的吸收材料；（5）二手可控排氣系統(tǒng)[6-7]；（6）衰減的排氣輻射噪聲[8]。上述變化通常受到成本和空間的限制，這迫使研究人員在有限的體積內(nèi)尋求具有更高衰減性能的消聲器。為了改善現(xiàn)有消聲器的聲學(xué)性能，許多研究人員[9-12]集中精力研究消聲器中使用的每個聲學(xué)元件或組合件的聲學(xué)性能。發(fā)動機(jī)的性能在很大程度上取決于燃燒氣體通過消聲器向大氣的有效排放。盡管消音器的主要功能是降低發(fā)動機(jī)噪音，但它的設(shè)計目的還在于控制排氣系統(tǒng)的背壓。背壓的變化直接影響調(diào)節(jié)燃料經(jīng)濟(jì)性的消聲器溫度分布。排氣消聲器是主要的噪聲源。引起了許多研究人員的注意，它們用于測量傳輸損耗，預(yù)測壽命，分析熱機(jī)械負(fù)載，研究消聲器聲學(xué)[13]。這樣的分析有助于解決廢氣中的社會噪聲。

1 原型結(jié)構(gòu)

在本研究中，提出了一種基于由腔室和管子的組合形成的典型結(jié)構(gòu)，在尾管上具有互連孔的消聲器，從而獲得較高的聲學(xué)性能；提出了消聲器的設(shè)計理論并研究了消聲器在頻域和時域的聲學(xué)性能；討論了所提出的消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其消聲性能的影響；提出了排氣消聲器的新概念。在康明斯K318單缸柴油發(fā)動機(jī)上進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)表明，與原始被動消聲器相比，新消聲器在較寬的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的插入損耗特性，尤其是在500 Hz范圍內(nèi)。原來的消聲器只能降低高頻噪聲成分，不能降低甚至增強(qiáng)500 Hz以下頻率的噪聲，證明了傳統(tǒng)的消聲器再次降低低頻噪聲的能力較弱。新型排氣消聲器在控制低頻排氣噪聲方面明顯有效，這證明了新理論的有效性，不僅新型消聲器在降低低頻噪聲方面有很好的表現(xiàn)，而且還可以采用分流降低空氣流速，從而降低空氣再生噪音。反相僅對目標(biāo)頻率及其奇數(shù)倍諧波的排氣噪聲有效，而不對整個頻率范圍有效，但分流沖流對所有頻率范圍的噪聲均有效。

常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)消聲器大多由多孔管，折流板或多孔折流板，膨脹室等組合構(gòu)成，噪聲降低受到限制并且背壓高，因此燃料效率低。為了解決傳統(tǒng)的排氣消聲器在低頻范圍內(nèi)降噪性能差、排氣阻力高的問題，提出了一種基于反相補(bǔ)償和分流沖撞的柴油機(jī)排氣消聲器新理論。以康明斯K318單缸柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)，作者測量了排氣噪聲及其頻譜。通過比較新型消聲器與原始消聲器的結(jié)果，驗(yàn)證了新的消聲器理論 。

新型消聲器的原理，如圖1所示。

圖1 新型消聲器的原理圖

廢氣被引入進(jìn)氣口并由錐體引導(dǎo)，流入內(nèi)管和外管之間的空間，然后自動分配，并使用U形旁通管通過徑向矩形狹縫進(jìn)入腔室。在每個腔室中，進(jìn)入的廢氣被分成兩部分，它們具有相同的幅度和180o相差，當(dāng)這兩部分氣體在腔室的中心線相遇時，它們會相互抵消，從而導(dǎo)致氣流速度降低。消聲器中間的膨脹室也有助于進(jìn)一步降低噪音。由于每個腔室的兩個開口腔室是大的矩形狹縫，并且相互抵消而導(dǎo)致氣體流速降低，因此，氣體通過消聲器時的壓力損失要低得多，這意味著消聲器的背壓較低。

2 原型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

本研究中提供的消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，它由三個管道和三個腔室組成，它們由兩個固定板隔開。消聲器中有幾個聲學(xué)組件，分別對應(yīng)于亥姆霍茲共振室、膨脹室、擴(kuò)展管共振器、吸收性材料和排氣管[14]。入口管上的穿孔設(shè)計為氣流引導(dǎo)裝置，以防止在氣流路中的急劇不連續(xù)處出現(xiàn)流分離和過度湍流，因此，使用了穿孔管來減少氣流產(chǎn)生的噪音和壓降。由入口管和腔室3的一部分形成的亥姆霍茲共振腔室是為了減少特定頻率的噪聲。它用作聲學(xué)濾波器，旨在衰減發(fā)動機(jī)的低頻噪聲。亥姆霍茲共鳴室將聲波反射回聲源，并防止聲音沿管道傳播。

圖2 原型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

膨脹室（室 1）設(shè)計用于消除動臂噪音[15]。膨脹室通過在消聲器中引入截面積的突然變化來反射波。它沒有亥姆霍茲諧振器的高衰減，但是它具有寬帶頻率特性，當(dāng)一半的聲波長度等于腔體長度時具有通帶。膨脹室可以消除尖銳的壓力脈沖，從而減少出口處的單個脈沖聲音。當(dāng)進(jìn)入的聲音流的面積擴(kuò)大或縮小到不同大小時，會產(chǎn)生一個擴(kuò)展的管狀諧振器，旨在消除指定的頻率噪聲。在該樣品消聲器中，回流管和固定板形成了兩個延伸的管諧振器。在兩種布置中，進(jìn)入的聲音都從安裝板上反射并以相反的方向返回，從而對進(jìn)入的聲音產(chǎn)生破壞性干擾。吸收成分（在尾管中）用于防止流動噪聲、輻射噪聲和排氣裂紋聲，它包含玻璃棉，并通過將振蕩的氣體顆粒與多孔吸聲材料之間的空隙中的摩擦將聲能轉(zhuǎn)換為熱量，從而減弱了噪音。該組件的主要優(yōu)點(diǎn)是在較高的頻帶上具有良好的衰減，但在低頻下性能較差。為了減弱發(fā)動機(jī)的低頻噪音，原型消聲器采用了排氣管。應(yīng)當(dāng)注意的是，在排氣管上設(shè)計了一個特殊的孔，將排氣管與腔室 1連接起來，該孔用作亥姆霍茲共振器以衰減特定的中頻噪聲。

3 參數(shù)對消聲器聲學(xué)性能的影響

為了獲得此類消聲器的設(shè)計指南，以研究每個參數(shù)對所提出的消聲器的聲學(xué)性能的影響。使用公式計算消聲器的降噪效果。聲學(xué)模型基于圖2中的低通濾波器組件。模擬條件如下，空氣密度為0.442 kg / m3，空氣溫度為800 K，聲速為567 m/s，這些是在WOT模式下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 rpm時的近似值。計算圖1所示的帶有樣品消聲器的排氣系統(tǒng)的尾管噪聲。

在圖3中，比較了兩個帶有連通孔和沒有連通孔的消聲器的排氣管噪聲，并在圖4中比較了它們的降噪效果。關(guān)于排氣管噪聲，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)聲壓級當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2階時高于4800 r/min（用紅色區(qū)域B表示），4階時2300 r/min以上（用紅色區(qū)域B表示）時，帶孔1的消聲器的轉(zhuǎn)速比不帶孔的消音器低。并在6階從1000 r/min至3700 r/min（由紅色區(qū)域B表示）。但是在藍(lán)色區(qū)域A和C所示的范圍內(nèi)，帶孔的消音器1的聲壓級高于不帶孔的消聲器的聲壓級。在圖3b和c中，很明顯，在4階發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2200 r/min至6000 r/min，在6階發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min至3700 r/min時，具有互連孔的消聲器比沒有互連孔的消聲器具有更大的衰減性能。

圖3 有無連孔樣品1尾管噪音隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖4 有無連孔樣品1降噪效果比較

在圖4中，可以發(fā)現(xiàn)帶孔的消聲器在其降噪曲線上的峰值為221Hz，這與亥姆霍茲諧振器的聲學(xué)性能相對應(yīng)。因此，可以認(rèn)為圖4中的差異是由互連孔的亥姆霍茲聲學(xué)性能引起的?？梢缘贸龅慕Y(jié)論是，排氣管上的連通孔可以改善消音器在中頻范圍（150 Hz以上）的衰減性能，并且會降低消音器在低頻范圍（150 Hz以下）的衰減性能。但是，與中頻范圍的衰減改善相比，低頻范圍的衰減減小很小。因此，所提出的帶有連通孔的消聲器是提高總衰減性能的合理方法。

參見圖5、圖6，尾管噪聲曲線和降噪曲線都表示，互連孔的位置在整個頻率范圍內(nèi)對聲學(xué)性能沒有很大影響，但對共振頻率有影響。當(dāng)互連孔的位置靠近尾管的前端時，其諧振頻率將移至高頻側(cè)。對于帶孔2的樣品消聲器，將互連孔移至尾管的后端，從而降低了共振頻率。當(dāng)尾管的后端附近設(shè)計連接孔時，尾管的長度變短，這導(dǎo)致低頻場的衰減性能降低。因此，帶孔 1樣品的消聲器在 130 Hz以下的范圍內(nèi)具有比其他消聲器更高的衰減性能。因此，建議將尾管設(shè)計得盡可能長，以在低頻場獲得高衰減性能。在當(dāng)前情況下，應(yīng)在尾管的前面設(shè)計連接孔，以便在低頻場獲得較高的衰減性能。

圖5 具有連孔樣品1和2尾管噪音比較

圖6 具有連孔樣品1和2降噪效果比較

在圖7、圖8中，具有孔3的消聲器的亥姆霍茲諧振器比具有孔1的消聲器的亥姆霍茲諧振器具有更高的諧振頻率，也就是說，具有較大互連孔（SF）的消聲器具有較低的諧振頻率。通常，在低頻場范圍內(nèi)期望良好的衰減性能。因此，互連孔的直徑應(yīng)足夠大以獲得良好的性能?？梢哉J(rèn)為互連孔的直徑對應(yīng)于亥姆霍茲諧振器的頸部的直徑。

圖7 具有連孔樣品1和3尾管噪音比較

圖8 具有連孔樣品1和3降噪效果比較

從圖8中可以看出，在低于亥姆霍茲共振頻率（由A表示的區(qū)域）的頻率下，帶孔1的消聲器的衰減性能優(yōu)于帶孔樣品3的消聲器，但在高于切線的頻率處，其衰減性能不如帶孔1的消聲器。低通濾波器的截止頻率（用B標(biāo)記的區(qū)域）。該特性取決于亥姆霍茲諧振器的諧振頻率與包括回流管的低通濾波器的諧振頻率之間的關(guān)系（在當(dāng)前情況下為240 Hz），因?yàn)橄羝髟诤ツ坊羝澲C振器的諧振頻率附近具有良好的衰減性能。關(guān)于亥姆霍茲共振頻率，低通濾波器的截止頻率與衰減性能之間的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)亥姆霍茲共振頻率與低通濾波器的截止頻率之差較大時，消聲器在亥姆霍茲共振頻率處具有較高的衰減性能，而在低通濾波器的截止頻率處具有較低的衰減性能。相反，當(dāng)亥姆霍茲共振頻率接近低通濾波器的截止頻率時，消聲器具有中等衰減性能。因此，可以通過這些關(guān)系來估計消聲器的衰減性能。消聲器（帶孔樣品4和帶孔樣品1）的消聲器的結(jié)果顯示在不同長度的回流管中。

參照圖9和圖10，從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流管的長度加倍時，由互連孔形成的亥姆霍茲諧振器的諧振頻率從241Hz移動到191Hz。因此，共振頻率在高聲壓級的4階3000 r/min和6階2200 r/min左右的范圍內(nèi)匹配，從而導(dǎo)致有效衰減。在由互連孔，對應(yīng)于圖10中的峰值）形成的亥姆霍茲諧振器的諧振頻率中，存在與SB / lB相同的項(xiàng)，因此，在不影響消聲器設(shè)計中的降噪曲線形狀的情況下，可以通過SB / lB的變化將消聲器調(diào)諧到指定頻率。

圖9 具有連孔樣品1和4尾管噪音比較

圖10 具有連孔1和4降噪效果比較

4 模擬的邊界條件

由于燃燒氣體的運(yùn)動較快，因此消聲器室內(nèi)會形成背壓。它是指運(yùn)動的流體沿障礙物的流動方向施加在障礙物上的壓力。壓力是標(biāo)量，由壓力梯度驅(qū)動的氣流。正是發(fā)動機(jī)產(chǎn)生了足夠高的壓力，以克服排氣系統(tǒng)中的流動障礙。由于廢氣非常熱（溫度為400℃），因此廢氣散布在整個消聲器腔中，消聲器的表面溫度因此而升高。出氣邊界是大氣條件，而進(jìn)氣邊界是發(fā)動機(jī)的排氣管。一些重要的參數(shù)包括廢氣的密度，焓和粘度（隨混合物的變化而變化）。消音器/排氣歧管的進(jìn)氣速度也是另一個重要參數(shù)，它隨幾何形狀的不同而變化。

CFD仿真方法使用Ansys的基于壓力的求解器，并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)仿真，刻度以mm為單位。所有單位均采用國際單位制。之所以使用能量模型，是因?yàn)樵趶U氣混合物與消音器壁之間以及壁與大氣之間會發(fā)生熱傳遞。在這里，流動被認(rèn)為是低速不可壓縮類型。這種情況下的壓力場是通過內(nèi)置的壓力求解器軟件獲得的，該軟件求解相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)性和動量方程。流體路徑的封閉壁被認(rèn)為是無滑動條件且靜止的。將熱條件視為對流，并根據(jù)情況輸入熱系數(shù)值。自由流溫度取為300K。在這里，零擴(kuò)散通量被認(rèn)為是物種邊界條件。參考值是從入口計算的，該方案用于壓力速度耦合。入口速度密度和焓是根據(jù)入口氣體的組成和質(zhì)量流量自動計算的。

背壓增加會導(dǎo)致額外的工作，從而減少熱量的吸收。為此，燃油經(jīng)濟(jì)性由于進(jìn)氣歧管的增壓壓力降低而降低。因此，燃油消耗，PM，CO排放和排氣溫度提高了。同樣，排氣溫度的升高導(dǎo)致排氣門過熱。

真空的存在有助于排氣的更好循環(huán)。消聲器室溫度借助熱電偶可以監(jiān)控內(nèi)燃機(jī)消聲器的廢氣溫度。在行駛中的車輛中，這種連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)可幫助駕駛員注意空燃比。除此之外，稀薄/濃空燃比的排氣溫度也不同。

排氣溫度可能升高/降低。但是可以肯定的是，高溫（900 ℃左右）可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生災(zāi)難性故障。因此，每當(dāng)對消聲器的設(shè)計進(jìn)行修改或選擇發(fā)動機(jī)的替代燃料時，都必須對排氣溫度進(jìn)行詳細(xì)研究。在當(dāng)前分析中。在所有幾何形狀情況下，均為362 ℃。

背壓由于結(jié)構(gòu)變化而顯著變化，并且對消聲器的 NVH方面具有重大影響。這種變化的發(fā)生是由于由于設(shè)置了擋板或管而改變了內(nèi)部腔室的幾何形狀，從而導(dǎo)致了流體路徑的改變。在此分析中，排氣溫度不會因幾何形狀的改變而受到很大的影響。該模型可以適應(yīng)排氣消聲器的幾何修改，以實(shí)現(xiàn)背壓控制。

5 結(jié)語

在本研究中，通過實(shí)驗(yàn)和理論研究了所提出的消聲器的聲學(xué)性能。結(jié)果表明，在排氣管上設(shè)計一個互連孔時，該消聲器具有低通濾波器和亥姆霍茲諧振器的衰減性能。根據(jù)這些結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）為了在低頻場上保持良好的衰減性能，連續(xù)孔應(yīng)盡可能位于尾管上。（2）可以通過調(diào)節(jié)互連孔的直徑來改變由互連孔形成的亥姆霍茲諧振器的諧振頻率與包括回流管的低通濾波器的截止頻率之間的關(guān)系。通常，在低頻場范圍內(nèi)期望良好的衰減性能。因此，連接孔的直徑應(yīng)足夠大以獲得良好的衰減性能。背壓的最大值為0.78 MPa。除此之外，排氣溫度的最大值是362 ℃。這些值在發(fā)動機(jī)安全性的可接受值之內(nèi)。