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消声器设计模拟和噪声预测

2022-08-06
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近年来,欧盟对道路车辆的噪声排放实施了更严格的限制。在这些限制下,消声器设计者必须创造更有效的方法来开发和评估设计的消声器的性能。为了实现这一目标,本文分享了一种预测消声器设计中外部噪声的新方法。

建模基于以前的消声器模型

一篇以前的文章通过列出COMSOLMultiphysics®软件中使用汽车消声器几何结构的例子显示了结构效应在纯声学模型中的影响,其中建立了纯压力声学消声器模型和多物理场模型,比较了两种模型的传输损失预测值的影响。

图1。消声器模型包含在声学领域,周围是完美的匹配层。

我们扩展了消声器模型的声学结构耦合,以评估消声器对周围环境的声学泄漏。为了便于评估,我们增加了0的半径.35m,长度为1.4m环绕消声器的圆柱形声学域,位于消声器中心的中心(如图1所示)。厚度为50mm外部域层可以定义完美匹配层(perfectlymatchedlayer,简称PML),这种完美层代表非反射条件。

在COMSOLMultiphysics®模拟消声器设计

消声器的几何结构保留了前一项研究的几何外观,在消声器的几何结构中应用的材料属性和边界条件也保持不变。因此,通过声学领域的消声器的拉伸入口和出口管段的表面被模拟为硬声场边界,如下图所示。平面波辐射边界条件应用于管道的两端,1应用于消声器的入口表面Pa入射平面波。有关示意图,请参见图2。

图2。显示消声器模型的边界条件。

声学域采用20°C建模环境温度下空气的声学特性。这些特性与消声器中空气的声学特性一致。

平面波辐射条件对所有输出压力波(小化反射)引入人工阻尼,因此复制了无界或无界“无限”管道。在以前的研究中,相同的网格尺寸设置被定义并应用于消声器的几何结构,并应用于消声器和研究的声学领域。PML用六个单元扫描整个区域的厚度。声-壳多物理场耦合的设置与之前的研究相似。

传输损耗定义

传输损耗是衡量消声器性能的良好指标。在之前的研究中,从消声器入口到出口的传输损耗TL定义为:

其中,Pin是消声器入口处的声功率,Pout消声器出口处的声功率。

对于当前模型,从消声器入口到目标消声器出口的传输损失,以及从消声器入口到声学领域边界的传输损失对于评估非常重要(图3显示了这些边界)。后者提供了一种评估消声器向周围环境声音泄漏的方法。辐射功率通过外部物理表面(PML积分获得内部声强。

图3。消声器模型和声学领域。图中显示了传输损耗计算中包含的边界。

消声器传输损失模拟结果的比较

目前的模型是针对10到750的Hz频率范围和1mm谐波分析的外壳厚度。下图4包含了传输损耗曲线(橙色点线和灰色虚线)和本研究中计算的传输损耗曲线(橙色实线)。

图4.壳厚为1mm从消声器入口到出口的传输损耗。

正如预期的那样,灰色虚线与橙色实线非常一致,微小的差异是预期的,这是由外壳两侧的空气造成的。计算结果是从消声器入口到消声器出口的传输损失。这两个模型之间的区别是,本研究的模型包含声学领域。这表明,与周围空气域的耦合本质上是单向的。消声器上的外部空气负载不会显著影响传输损耗。如果外部声学领域更硬或更重,它将对传输损耗产生更大的影响。图5显示了本研究中计算的两种传输损耗。

图5。从消声器入口到出口的传输损耗与从消声器入口到声学域边界的传输损耗进行比较。

值得注意的是,在10Hz在计算频率下,从消声器入口到声学边界的传输损耗曲线(灰色实线)达到峰值,低于100Hz在频率范围内继续保持较高的传输损耗,这意味着在这个频率范围内,泄漏到周围区域的声音比计算频率范围的其余部分要少。

但从图5所示的橙色实线可以看出,消声器的性能在100以下Hz与计算频率范围的其余部分相比,传输损耗非常低。这表明,当声音通过消声器时,没有太多的衰减,也没有对消声器外壳的过度激励,导致向周围区域的声音发射非常低。

灰色实线在172Hz和342Hz频率急剧倾斜,在之前的研究中,这两个位置出现了外壳特征模式。因此,在这两个频率下,更多的声音传输到周围区域,尤其是342Hz其中,灰色实线的传输损耗低于橙色实线的传输损耗。这实际上表明,更多的声音被发射到周围的声学领域,而不是通过消声器出口。

386出现了第三处灰色实线的明显下降Hz在之前的研究中,这里出现了声特征频率。值得注意的是,在386Hz下面,从消声器入口到消声器出口几乎没有传输损失。橙色曲线在y=在0轴附近倾斜,但灰色曲线在386Hz传输损失仍高于342Hz传输损耗。这意味着386Hz谐振模式为谐振模式,空气在消声器腔内来回振荡,不会对消声器消声器外壳,也不会导致周围环境发出更多声音。

关注两个下降位置的灰色实线(172)Hz处和386Hz为了更好地了解这两种特征模式如何影响消声器辐射的声音,我们创建了一半的声学领域(soundpressurelevel,简称SPL)等值面图,如下图6所示。

图6.计算模型172Hz(左)和386Hz(右)下表面图和体积图。

172显示在左Hz在壳体模式下,消声器壳体的总位移和声学领域SPL的等值面。172Hz消声器腔的两个短端出现了的壳体位移,这导致了几乎对称的z轴SPL分布。右边是声学领域SPL等值面和386Hz谐振模式下消声器内部的空气SPL图。从图中可以清楚地看到,消声器中的空气来回振荡,产生驻波。因为消声器的右端SPL较高,消声器内的驻波在z轴周围的声学区域产生不均匀的声音发射。

特征频率研究仅指存在特征模式的频率。为了确定特定特征模式下结构的响应,我们需要进行谐波分析,以确定消声器中空气在相关特征频率下的特征或声学模式与壳体模式之间的相互作用,从而生成传输损耗曲线。从消声器入口到消声器出口的传输损耗可以满足这一需求。此外,新定义的从消声器入口到声学区域边界的传输损耗使人们更深入地了解消声器的性能,通过预测泄漏到周围空气中的声音。

思考消声器设计中的声发射预测

本文将消声器模型耦合到周围的声学领域,本文的研究推动了前一篇文章中的研究,并描述了评估消声器性能的新数量,即从消声器入口到周围环境的传输损失。这里描述的新技术使消声器设计者能够更好地预测外部噪声的产生,从而满足强制性噪声排放标准。

请注意,除了简单地改变外壳的厚度外,您还可以通过其他方式进行外壳强化分析。另一种分析外壳刚度的方法是通过模压改变外壳的拓扑结构,然后将模压后外壳的性能与加工前消声器几何结构的性能进行比较。


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