virtual lab叉车排气消声器仿真分析 - 图文

基于virtual lab的内燃叉车排气消声器仿

真分析

Jack

摘要：通过对某型号内燃叉车排气噪声的测量，分析其噪声频率分布并确定消声频段。利用声学有限元仿真软件LMS virtual lab，以传递损失作为评价指标，对该内燃叉车排气消声器进行声学性能的分析，对其不足之处提出改进措施，通过改进前后消声器声学性能的仿真对比，定量的对此消声器的性能进行理论研究，为消声器的设计和优化提供依据。 关键词：消声器；声学；有限元；叉车；传递损失 中图分类号:TB535.2 文献标志码：A

The exhaust muffler Simulation analysis of an internal combustion

forklift based on virtual lab

Jack

Abstract：By measuring the exhaust noise of an internal combustion forklift，figure out the frequency distribution of the noise and determine which frequency to be killed. Using the acoustics FEM software LMS virtual lab，the transmission loss as the evaluation is calculated，to study the acoustics performance of the exhaust muffler in the forklift，and give some optimizations to its inadequacies，by comparing the simulation analysis of acoustic performance of the muffler before and after optimization，give a quantitative conclusion of the muffler performance by theoretical research，and provide a basis for the muffler design and optimization. Key words： muffler；acoustics；FEM；forklift；transmission loss

随着人们对叉车低噪声的要求越来越高，如何降低叉车（尤其是内燃叉车）噪声，提高驾驶员的舒适性，已经成为当今工业车辆行业的重要课题。消声器作为最有效的降噪装置之一，在降低车辆进排气噪声方面扮演着重要角色。消声器的设计主要是其性能评价指标及设计计算。消声器的性能主要有声学性能和空气动力性能，声学性能的评价指标主要有传递损失和插入损失。此处就以传递损失作为消声器的评价指标来分析研究消声器的声学性能。

消声器传递损失的计算方法主要有传递矩阵法、边界元法和有限元法。由于叉车消声器结构往往比较复杂，所以基于平面波假设（一维声场）的传递矩阵法就无法很正确的描述其声场分布[1]；而边界元法则局限于对称消声结构的低频段传递损失计算[2]；有限元法虽然需要较大的计算量，而且还存在网格离散误差，但是经过参数的合理设置，可以得到优良的计算精度。所以，本文就结合一款内燃叉车排气噪声的测量结果，利用声学有限元软件LMS virtual lab计算其消声器的传递损失，分析其特性并有针对性的提出改进方案。

1 叉车内燃机排气噪声测量

根据内燃机排气消声器测量方法[10]，在排气管上方45°方向上布置测点测量其噪声，见图1。叉车排气管穿过隔声墙到达测试房间，测试房间墙面粘贴吸声材料。分别测量了该叉车发动机在怠速和最高速两种工况下的排气噪声。 隔声墙 传感器 排气管

图1 内燃机排气噪声测量现场

Fig.1 Exhaust noise measuring of the internal combustion forklift

80.001.00FSpectrum 45 (A) 700.95 rpm-20.000.00Hz45 (CH1)5120.00AmplitudePadB(A)0.00 图2 叉车内燃机驻车怠速工况排气噪声频谱 Fig.2 Spectrum of the engine exhaust noise at low speed

100.00FSpectrum 45 (A) 2627.9 rpm1.000.000.00Hz45 (CH1)5120.00AmplitudePadB(A)0.00 图3 叉车内燃机驻车高速工况排气噪声频谱 Fig.3 Spectrum of the engine exhaust noise at high speed

从图2和图3看出：在测量频率范围内（0—5120Hz），噪声分布比较均匀，从2500Hz频率开始噪声略有降低的趋势，在2500Hz以下，噪声相对比较强烈，尤其在1000Hz频率以下，可以非常清楚地看到发动机燃烧爆炸声及其谐波噪声（图3中前面的尖毛刺），所以，此处就针对2200Hz以下的排气噪声，做出消声器的优化改进。以上的测量结果也反映出内燃机运行转速提高不仅提高了其总体噪声，其燃烧爆炸声的高次谐波噪声也会明显增强。

2 消声器几何模型和有限元模型

此消声器的几何模型见图4，消声器左端为进气管，右端为出气管，内燃机排出的气体通过中间管在消声器中绕了一圈，最后排出。实际中，从发动机出来到消声器进气管，以及消声器出气管到外界大气都有一段比较长的弯曲的管路，此处只针对排气系统的消声结构，即消声器本体进行研究，所以简化了多余的管路，得到图4的模型。

图4 原消声器几何模型 Fig.4 The original muffler

将此消声器导入ANSYS软件，对其空气域进行离散，划分六面体网格[3]，再导入LMS virtual lab软件最终得到图5所示的声学有限元模型。

图5 消声器有限元模型

Fig.5 The finite element model of the muffler

3 穿孔管的传递导纳

分析图4所示的消声器结构，主要有三部分组成：1.小孔消声，即进气管的末端穿孔区域；2.共振消声，即进气管的中间开孔区域以及中间管的中间开孔区域，中间的腔体即为共振腔；3.扩张腔消声，最左端和最右端的两个大扩张腔。

由于很多小孔的存在，给消声器的网格划分带来了很大的困难，若保留这些小孔，那么小孔附近的空气区域将会分成非常细的网格，而远离小孔空气区域的网格尺寸会很大，这两处的网格差异很大，难以保证网格质量，若是将远离小孔区域处的网格也划分的和小孔区域处一样细致，那整个消声器模型将会建立上百万以致上千万的网格数量，如此庞大的数据量根本无法用普通计算机来完成计算。所以，这里就基于Joseph W. Sullivan和Malcolm J.Crocker的研究结论[4-5]，通过定义穿孔管内外表面之间的传递导纳来模拟穿孔管的消声特性。此消声器总共有三处穿孔区域，下面一一定义其传递导纳。 3.1 传递导纳理论

图6 穿孔管/板结构

Fig.6 Structure of the perforated pipe/plate

穿孔管/板的结构如图6所示。声阻抗的数学表示为：

Zp??pV?Rp?jXp （1）

式中：?p为声波在穿孔管/板前后的声压差；V为小孔处的质点平均振动速度；l为穿孔管/板的厚度。当穿孔管/板的厚度远小于孔径的2倍时（l??4a），有：

Rp?1?8???0(1?l) （2） 2aXp?1???0(l?2?l) （3）

式中：??2?f（角频率）；?为流体动力粘度（0.000017Pa?s）；?0为流体密度（1.225kg/m）；?为穿孔管/板的穿孔率，即穿孔面积与总的穿孔区域面积之比；?l为修正项，主要和孔径、孔间距有关。实际中，圆孔的排列方式主要有矩形排列和六边形排列，次消声器穿孔管采用的是矩形排列，如图7所示。其穿孔率为：

3?a2 （4） ??d1d2修正项?l计算公式为：

?a0.85a(1?2.34)?d1d2??l???0.668a(1?1.9a)?d1d2???0.25?d1d2?? （5）

a0.25??0.5??d1d2?0?a式中：a为圆孔半径（m），d1、d2分别为两个方向上的孔间距（m）。

图7 圆孔的矩形排列

Fig.7 Rectangular arrangement of circles

在LMS virtual lab中，采用一个矩阵来定义穿孔管/板的传递导纳，该矩阵为：

?????K????? （6） K??式中：K为考虑穿孔管的壁厚引起的两侧面积不同，而对传递导纳的影响系数，K?D1；D2D1、D2分别为穿孔管的内外直径；??1Zp。

由于对于不同频率的声波，其传递导纳是不同的，所以必须建立一系列的数值导入到virtual lab软件中，穿孔管/板两侧的质点振动速度和声压的传递导纳关系如下：

???1?2??p1???3?Vn1??????????? （7） Vn2????4?5??p2???6?

式中： Vn1、Vn2分别为穿孔管/板两侧的法向振动速度；p1、p2分别为穿孔管/板两侧的声压；系数矩阵???1?2??????????K??45???3?????0??以及?????只和声源有关，此处均为0。

K???0???6?声传递导纳和阻抗呈倒数关系，由于virtual lab中只能定义传递导纳，所以必须把阻抗转化成导纳（阻抗数据导入软件中求倒数即可），有：

??1Zp?RpRpXp1??j? （8） 2222?jXpRp?XpRp?Xp3.2 区域Ⅰ的传递导纳

区域Ⅰ处，即进气管末端的封闭穿孔处，其穿孔结构几何、物理参数见表1：

表1 穿孔区域Ⅰ结构几何、物理参数 Table 1 The parameters of perforated regionⅠ

参数 穿孔管壁厚 穿孔直径 孔间距d1=d2 穿孔管内径D1 穿孔管外径D2 声波传播速度c 空气动力粘度? 空气密度?0 穿孔率?

数值 1 4.5 8 41 43 340 1.7e-5 1.225 29.6

单位 mm mm mm mm mm m/s

Pa?s

kg/m3

%

设置求解频率为20—2100Hz，求解步长为20Hz，计算得到该区域的传递阻抗见下表：

表2 穿孔区域Ⅰ的传递阻抗

Table 2 Transmission impedance of perforated regionⅠ

频率/Hz 20 40 … 2100

实部 0.597449078 0.844920589

… 6.122031287

虚部 1.200130018 2.400260037

… 126.0136519

3.3 区域Ⅱ和Ⅲ的传递导纳

由于区域Ⅱ和Ⅲ处（共振腔穿孔管）的穿孔结构是相同的，具体参数见表3：

表3 穿孔区域Ⅱ和Ⅲ穿孔结构几何、物理参数 Table3 The parameters of perforated region Ⅱ and Ⅲ

参数 穿孔管壁厚 穿孔直径 孔间距d1=d2 穿孔管内径D1 穿孔管外径D2

数值 1 4.5 8 39 41

单位 mm mm mm mm mm

声波传播速度c 空气动力粘度? 空气密度?0 穿孔率?

340 1.7e-5 1.225 30.0

m/s

Pa?s

kg/m3

%

同样，求解频率为20—2100Hz，求解步长为20Hz，计算得到该区域的传递阻抗见下表：

表4 区域Ⅱ和Ⅲ的传递阻抗

Table 4 Transmission impedance of perforated region Ⅱ and Ⅲ

频率/Hz 20

40 … 2100

实部 0.58948309 0.833654981

…

6.040404203

虚部 1.056376892 2.112753784

…

110.9195737

4 边界条件

这里，我们所要求得的目标是消声器的传递损失，所以直接采用virtual lab软件的AML（Automatically Matched Layer Property）[6-7]方法来直接获取目标函数（TL）。需要定义的边界条件主要有：入口处的声功率、出口处的无反射边界（出口处直接到达大气）、穿孔管(板)的内外表面间的传递导纳、消声器其余表面的刚性全反射壁面，此处暂且不考虑温度和气流速度对消声器特性的影响，所以不定义温度和流速。此外，消声器入口包络面网格为入口边界、出口包络面为出口边界。入口处的声功率为1W，即120dB；无反射边界即定义全吸声系数，其传声阻抗为Z??c，其中空气密度??1.225kg/中的传播速度为c?340m/s，阻抗Z?416.5kg/s/

m3，声波在空气

m2。

5 仿真结果分析

消声器的传递损失，即消声器入口声功率Pin（W）与出口声功率Pout（W）的差值，数学描述为：

TL?20log式中：P0为基准声功率10-12PinPP?20logout?20login（dB） （9） P0P0Pout（W）。

由图8的传递损失特性可以看出，此消声器总体的消声效果并不好，尤其是中低频段很差。在1000Hz以下的频段内传递损失大部分都在20dB以下，尤其在500Hz和1000Hz附近，其传递损失接近为0，在1000Hz到1500Hz频段内，消声器消声效果最好，在1500Hz附近出现低谷之后又有所回升。所以此消声器急需改进的是中低频的消声特性，提高中低频段的消声传递损失。结合实验测量数据和仿真结果，分析此消声器的穿孔管穿孔结构可得：

1.穿孔区域Ⅰ处的穿孔孔径均为4.5mm，孔径太大，直接导致小孔消声特性降低，小孔

消声结构的孔径减半，可以增加6—9dB的消声量[8]；

2.穿孔区域Ⅱ和Ⅲ处，即共振消声，穿孔率为30%，共振消声器的共振频率正比于穿孔率的方根值，者也是导致中低频消声效果极差的直接原因之一，此外，过高的穿孔率会导致共振消声效果失效[9]，一般推荐的穿孔率在0.5%—10%范围内；

3.穿孔区域Ⅱ和Ⅲ这两个穿孔管共用一个共振腔，这势必会造成共振声波的互相传导，导致各个共振消声结构总的消声效果低于单个共振消声器的消声效果之和；

4.应该充分利用各管道，所以出气管在中间共振腔位置处亦可以开设穿孔结构，增加共振峰值频率，填补存在多个消声低谷这一缺陷。

90原消声器传递损失80706050403020100 02004006008001000120014001600180020002200 传递损失TL频率f图8 原消声器传递损失的频率特性 Fig.8 TL of the original muffler

6 优化改进

图9 改进后消声器结构 Fig.9 The optimized muffler

针对基于以上分析得出的4条结论，对此消声器进行优化改进，改进后的结构见图9。 此消声器主要的改进有两点：1.各个穿孔区域穿孔结构（包括孔径和穿孔率）做一定的改进，并增加一项穿孔结构Ⅳ；2.增加中间隔板，使得共振腔内的空气能更充分的共振，消耗更多的声波能量。改进后的声传递损失见图10。消声器的声压级幅值分布见图11。

120优化后消声器传递损失原消声器传递损失100传递损失TL806040200 02004006008001000120014001600180020002200频率f图10 消声器改进前后的传递损失比较

Fig.10 TL of the original muffler and optimized muffler

图11 消声器声压级幅值分布

Fig.11 Acoustic pressure level distribution of the muffler

优化改进后，各穿孔区域的穿孔结构参数如下表所示：

表5 穿孔区域几何参数

Table 5 The perforated region parameters of optimized muffler

穿孔管壁厚 穿孔直径 孔间距d1=d2

穿孔区域Ⅰ 1mm 2.5mm 7.5mm

穿孔区域Ⅱ 1mm 3mm 26.5mm

穿孔区域Ⅲ 1mm 3.5mm 13.9mm

穿孔区域Ⅳ 1mm 3mm 8.4mm

穿孔管内径D1 穿孔管外径D2 穿孔率?

41mm 43mm 12.7% 41mm 43mm 1% 39mm 41mm 5% 46mm 48mm 10%

7 结论

声学有限元法是一种有效实用的声学计算方法，利用有限元仿真软件virtual lab计算消声器的声学特性为设计和优化消声器提供了依据，对缩短产品的研发周期，提高产品研发的成功率和产品品质有现实的重大意义。

结合实验测量数据和仿真计算分析可得出消声器的薄弱环节，从而可以针对性的提出改进要求，且不探讨计算结果与实际情况的复合程度，仿真计算可以从同一个水平线上来衡量消声器设计的优劣。在消声器设计中，经过对各个不同的消声结构进行合理的设计和排列组合，就可以得到复合使用要求的消声器产品，此处的分析及优化便是最好的证明。

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作者简介：Jack，E-mail：1165330305@qq.com，联系电话：15158130433。

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