基于Virtual Lab的汽车消声器声学性能优化
http://wWW.LWlm.CoM 引言 1 三维声学有限元理论
若不考虑空气的粘性、热传导性等因素，由有限元声学理论可知，声场的三维波动方程：p-=0 （1） 应用变分原理得到的亥姆霍兹方程为：p+kp=0 （2） 式中为拉普拉斯算子，k0为波数。 先对空气建立离散化模型，再由伽辽金法建立离散化方程 NN+NkNΦdV=0 （3） 式中Φ为所有节点的速度势矩阵。 代入边界条件v=-φ|由v=-φ、p=ρ解算出各节点的速度和压力。 2 建立声学有限元模型 本文对整套消声器的第3号消声器进行分析。消声器的原始几何模型非常复杂，需要对结果影响不大的几何特征作简化。例如倒圆角特征，还有把入口管道和出口管道“化曲为直”，便于后期的建立网格。消声器内部空气的网格模型采用Hypermesh建立。该消声器为双插入管双腔型，入口管带有2处穿孔面，出口管带有1处穿孔面。对大量穿孔建立三维网格单元的模型比较困难，所以本例采用传递导纳的方法，即建立穿孔面板的外表面单元与内表面建立传递导纳关系，相当于使得它们之间处于“部分连通”。出口管的穿孔面由于一小部分与I腔连通，另一部分与出口管的套筒内部空气连通，故在建立网格单元时要分开处理。 Hypermesh无法通过自动生成的方式建立六面体单元，因此必须先建立二维面网格，再通过拉伸、旋转等方法建立三维网格。对于内部结构复杂的消声器采用分块建立三维网格，再把应该完全连接的单元节点等效（equivalence）起来，使之“全连通”。建立网格时还必须注意块与块之间的有机联系，否则到了建模后期局部的网格有可能无法等效。通常需要反复调整分块的方法才能使整体等效。最后还要检验并优化三维网格单元的质量，使质量不良的单元控制在一定的比例之内。 3 确定传递阻抗和边界条件 入口处表面节点的边界速度设置为-1m/s，出口处的表面设置吸收材料，其阻抗特性ρ0c=416.5kg/m2·s。壁面设置为刚性壁面，吸声系数为0。 4 计算结果 4.1 声衰减量 在入口管道和出口管道的中央节点上分别设置入口点，出口点。声衰减量为入口的声压级减去出口的声压级，即： NR=L-L=20log （4） 为提高插入损失，文中采取的主要改进措施是对两腔之间的隔板增加穿孔结构。图4给出了优化前后 4.2 传递损失 传递损失为入口出入射声压级减去出口处透射声压级。这里的出口处由于设置了阻抗特性为ρc=416.5kg/m2·s，没有反射声压，故出口处的声压即为透射声压。而入口出声压由于存在反射声压，因http://wWW.LWlm.CoM此入口节点测得的声压包含了入射声压和反射声压[11]。根据公式：p=p+p （5） ρcu=p-p （6） 消去p得到公式：p=p+ρcu/2 其中u为质点的振动速度，由于消声器声波传递符合平面波的规律，所以其方向平行于管道的中轴线。以上公式的声压均为复数形式。 把入口节点的速度矢量V=V，V，V提取出来，与管道中轴线的单位向量点乘，获得的V在上的速度投影，即为所求的质点振动速度u，该值也是复数形式，代入下式：TL=20log=20log （7）
即可得到各个频率的传递损失。结果如图5。 5 总结 ①三维声学有限元方法是为预测消声器传递损失提供了一个快速而有效的方法，对设计、分析和改进消声器的声学性能提供一定的依据。②六面体网格模型与四面体模型相比，不但精度更高，而且还可以根据四端网络的方法建立传递导纳关系，从而简化了穿孔结构带来的复杂的网格和庞大的计算量。③插入损失总体上小于传递损失，但在某些频率上插入损失有可能大于传递损失。④10B版解算速度比8B版快接近一倍，8B版是双核CPU时代下的产品，而10B版更好支持多核多线程的处理器，充分发挥硬件的优势。⑤该例子忽略了出口管道的部分穿孔面，而该穿孔面塞入了大量玻纤棉吸音材料，还有待对这种阻抗复合型结构的声学性能进行进一步的探索。