CN114021244A - 一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法 - Google Patents

一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，该方法包括如下步骤：S1、针对有流条件下的消声器建立三维有流声场模型，构建消声器内部不同子域的声学有限元方程；S2、建立考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型；S3、求解不同子域的声学有限元方程得到相应的横向模态；S4、利用模态匹配法构建声学连续性方程组，在不同出口边界下求解该方程组得到不同消声单元的传递矩阵，通过传递矩阵求解得到消声器的整体声学特性。与现有技术相比，本发明充分考虑微观流动特性，预测结果准确，计算效率高。

Description

一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法
技术领域
本发明涉及工业降噪技术领域，尤其是涉及一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法。
背景技术
近年来，乘车舒适性愈加被人们所关注。汽车噪声对乘客的主观感受有着直接的影响，改善乘车舒适性势必要实现对车辆行驶时噪声的衰减控制。为保证动力性与经济性兼顾，新型动力汽车开始普遍使用涡轮增压器来实现这一目的。但是电动汽车或者氢燃料电池汽车的动力输出本身不会产生太多的噪声，导致增压进气系统的噪声成为了新的噪声源。因此如何实现对增压进气系统的噪声控制成为了亟待研究的课题。
从目前公开文献和相关资料来看，目前国内外多集中在有流条件下的规则截面消声器声学特性的预测研究。针对于适应狭窄安装空间的非规则截面消声器声学特性预测方法的研究还不够充分，传统的预测方法如基于平面波的传递矩阵法，基于直接积分法、模态匹配法或配点法的三维解析方法无法对非规则截面类型的消声器进行求解。声学有限元仿真方法虽然可以求解任意结构的消声器声学特性，但是计算成本较高，且精度受网格限制较大。
为了有效控制增压进气系统中的噪声，考虑增压进气道内的狭窄空间以及高速气流，减少消声器的开发时间和成本，有必要在已有的理论基础上，提出一种考虑高速气流的非规则多腔穿孔消声器的声学特性预测理论和消声器的结构优化方法，并将其应用于设计一种消声性能好、压力损失低且结构紧凑的消声器，用于增压进气系统的降噪。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，该方法包括如下步骤：
S1、针对有流条件下的消声器建立三维有流声场模型，构建消声器内部不同子域的声学有限元方程；
S2、建立考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型；
S3、求解不同子域的声学有限元方程得到相应的横向模态；
S4、利用模态匹配法构建声学连续性方程组，在不同出口边界下求解该方程组得到不同消声单元的传递矩阵，通过传递矩阵求解得到消声器的整体声学特性。
优选地，步骤S1中消声器内部的不同子域包括消声器穿孔管内部、消声器腔体内部、消声器进出口管道和消声器环形腔。
优选地，消声器穿孔管内部的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000021
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，k＝ω/c＝2πf/c，k为声波波数，f为声波频率，c为声速，M为穿孔管内气流马赫数，kz为声压轴向波数，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，j为虚数单位，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
优选地，消声器腔体内部的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000022
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，j为虚数单位，k为声波波数，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
优选地，消声器进出口管道的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000023
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，kxy1为穿孔管内管道的横向波数，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量。
优选地，消声器环形腔的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000031
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
优选地，步骤S2具体为：利用穿孔声阻抗的理论及仿真计算拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律，进而得到考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型。
优选地，步骤S2中拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律表示为：
Figure BDA0003299102410000032
Figure BDA0003299102410000033
其中，rf为因流动引起的声阻，xf为因流动引起的声抗，St为斯特劳哈尔数。优选地，步骤S2中考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型表示为：
rh＝rn+Mcrf
xh＝xn+kdhxf
其中，rh为穿孔部分的声阻，xh为穿孔部分的声抗，rn为无流情况下的穿孔声阻，xn为无流情况下的穿孔声抗，Mc为小孔处的运流马赫数，k＝2πf/c为波数。
优选地，步骤S4中假设不同的出口边界条件，得到多腔穿孔消声器的每个单腔体的声学特性，进而快速计算整体的声学特性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明结合了数值仿真方法与三维解析方法的优势，在保证计算效率的同时，还可以求解任意截面形状的穿孔消声器的声学特性；
(2)本发明基于穿孔声阻抗和CFD仿真计算得到考虑微观流动的穿孔声阻抗模型，并将其应用到预测方法中；
(3)本发明结合二维传递矩阵法来将多腔体穿孔消声器内部复杂的边界条件单元化，提高计算效率。
附图说明
图1为本发明一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法的流程框图；
图2为本发明一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法的技术路线图；
图3为本发发明穿孔消声器非规则横截面及声学域划分示意图；
图4为本发明一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法的试验验证图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
结合图1、图2，本实施例提供一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，该方法包括如下步骤：
S1、针对有流条件下的消声器建立三维有流声场模型，构建消声器内部不同子域的声学有限元方程；
S2、建立考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型；
S3、求解不同子域的声学有限元方程得到相应的横向模态；
S4、利用模态匹配法构建声学连续性方程组，在不同出口边界下求解该方程组得到不同消声单元的传递矩阵，通过传递矩阵求解得到消声器的整体声学特性。
非规则截面多腔穿孔消声器的横截面及内部声学域划分如图3所示，S1为穿孔管横截面声学域，S2为包含穿孔管扩张腔声学域，L1、L2分别为穿孔管内外包络线，沿穿孔管道方向为z轴，消声器横截面为xy平面，A、E为消声器进出口管道直管单元，B、D为消声器内部环形腔单元，C1为穿孔管内管道，C2为包含穿孔管部分的扩张腔，li、lo分别为环形腔B、D部分长度，lm为穿孔部分长度。
步骤S1中消声器内部的不同子域包括消声器穿孔管内部、消声器腔体内部、消声器进出口管道和消声器环形腔。
建立消声器横截面离散单元的声学有限元方程具体为：
Figure BDA0003299102410000051
其中，
Figure BDA0003299102410000052
为拉普拉斯算子，S为离散截面的积分面，ω＝2πf为角频率，j为虚数单位，un为质点振速，L为穿孔管包络线离散后的积分域。
对于横截面声学域离散后的任意一个节点的声压有：
Figure BDA0003299102410000053
声压控制方程为：
Figure BDA0003299102410000054
消声器壁面为刚性，边界条件为：
Figure BDA0003299102410000055
穿孔管表面两侧的法向声压梯度可表示为：
Figure BDA0003299102410000056
Figure BDA0003299102410000057
结合以上边界条件可得：
Figure BDA0003299102410000058
进而，消声器穿孔管内部的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000059
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，k＝ω/c＝2πf/c，k为声波波数，f为声波频率，c为声速，M为穿孔管内气流马赫数，kz为声压轴向波数，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，j为虚数单位，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
消声器腔体内部的声学有限元方程为：
Figure BDA00032991024100000510
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，j为虚数单位，k为声波波数，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
消声器进出口管道的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000061
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，kxy1为穿孔管内管道的横向波数，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量。
消声器环形腔的声学有限元方程为：
Figure BDA0003299102410000062
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
步骤S2具体为：利用穿孔声阻抗的理论及CFD时域仿真计算拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律，进而得到考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型。
穿孔声阻抗的计算方法为：
Figure BDA0003299102410000063
Figure BDA0003299102410000064
其中，
Figure BDA0003299102410000065
表示在有流条件下的穿孔板一侧的入射声阻抗，需要后续由fluent仿真计算得到，
Figure BDA0003299102410000066
表示在无流条件下的声阻抗，只决定于结构参数的变化。
基于此，拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律表示为：
Figure BDA0003299102410000067
Figure BDA0003299102410000068
其中，rf为因流动引起的声阻，xf为因流动引起的声抗，St为斯特劳哈尔数。进而，考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型表示为：
rh＝rn+Mcrf
xh＝xn+kdhxf
其中，rh为穿孔部分的声阻，xh为穿孔部分的声抗，rn为无流情况下的穿孔声阻，xn为无流情况下的穿孔声抗，Mc为小孔处的运流马赫数，k＝2πf/c为波数。
步骤S4中假设不同的出口边界条件，得到多腔穿孔消声器的每个单腔体的声学特性，进而快速计算整体的声学特性。
二维传递矩阵法构建不同的消声单元，具体为：
设计全反射终端：
Figure BDA0003299102410000071
设计无反射终端：
Figure BDA0003299102410000072
其中，
Figure BDA0003299102410000073
为各声学域的入射波或反射波的声压幅值系数。
传递矩阵即可表示为：
Figure BDA0003299102410000074
为求解传递矩阵中Tm11、Tm12、Tm21、Tm22，需要根据声学边界条件构建连续性方程组来求解模态幅值系数的方程组。
Figure BDA0003299102410000075
Figure BDA0003299102410000076
Figure BDA0003299102410000077
Figure BDA0003299102410000078
Figure BDA0003299102410000079
Figure BDA00032991024100000710
为了求解各声学域模态幅值系数，需要把无限阶模态截取为N阶，联立以上方程组，方程组中共有6(N+1)个未知数，这些未知数为各声学域的入射波或反射波的声压幅值系数，为计算简便，假设入口声波为平面波，声压幅值为1，即
Figure BDA00032991024100000711
假设出口无反射，即
Figure BDA00032991024100000712
根据以下的计算公式即可得到传递损失：
Figure BDA00032991024100000713
其中，T11,T12,T21,T22为传递矩阵[T]中的相应位置的数值。
基于此预测方法编写程序计算非规则五腔穿孔消声器的传递损失如图4所示，试验数据和理论预测数据在主要消声频率范围内吻合良好，验证了预测方法的准确性。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、针对有流条件下的消声器建立三维有流声场模型，构建消声器内部不同子域的声学有限元方程；
S2、建立考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型；
S3、求解不同子域的声学有限元方程得到相应的横向模态；
S4、利用模态匹配法构建声学连续性方程组，在不同出口边界下求解该方程组得到不同消声单元的传递矩阵，通过传递矩阵求解得到消声器的整体声学特性。
2.根据权利要求1所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，步骤S1中消声器内部的不同子域包括消声器穿孔管内部、消声器腔体内部、消声器进出口管道和消声器环形腔。
3.根据权利要求2所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，消声器穿孔管内部的声学有限元方程为：
Figure FDA0003299102400000011
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，k＝ω/c＝2πf/c，k为声波波数，f为声波频率，c为声速，M为穿孔管内气流马赫数，kz为声压轴向波数，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，j为虚数单位，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
4.根据权利要求2所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，消声器腔体内部的声学有限元方程为：
Figure FDA0003299102400000012
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，j为虚数单位，k为声波波数，ζp为穿孔板声阻抗，[Z11]为穿孔管内包络线区域的整体阻抗矩阵，[Z12]为穿孔管外包络线区域的整体阻抗矩阵，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
5.根据权利要求2所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，消声器进出口管道的声学有限元方程为：
Figure FDA0003299102400000021
其中，[K1]为穿孔管内管道的整体刚度矩阵，[M1]为穿孔管内管道的整体质量矩阵，kxy1为穿孔管内管道的横向波数，pxy1为穿孔管内管道的横向声压分量。
6.根据权利要求2所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，消声器环形腔的声学有限元方程为：
Figure FDA0003299102400000022
其中，[K2]为包含穿孔管的扩张腔的整体刚度矩阵，[M2]为包含穿孔管的扩张腔的整体质量矩阵，kxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向波数，pxy2为包含穿孔管的扩张腔的横向声压分量。
7.根据权利要求1所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，步骤S2具体为：利用穿孔声阻抗的理论及仿真计算拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律，进而得到考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型。
8.根据权利要求7所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，步骤S2中拟合得到因流动产生的部分声阻抗的变化规律表示为：
Figure FDA0003299102400000023
Figure FDA0003299102400000024
其中，rf为因流动引起的声阻，xf为因流动引起的声抗，St为斯特劳哈尔数。
9.根据权利要求8所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，步骤S2中考虑非均匀流的穿孔声阻抗模型表示为：
rh＝rn+Mcrf
xh＝xn+kdhxf
其中，rh为穿孔部分的声阻，xh为穿孔部分的声抗，rn为无流情况下的穿孔声阻，xn为无流情况下的穿孔声抗，Mc为小孔处的运流马赫数，k＝2πf/c为波数。
10.根据权利要求1所述的一种有流条件下非规则多腔穿孔消声器声学特性预测方法，其特征在于，步骤S4中假设不同的出口边界条件，得到多腔穿孔消声器的每个单腔体的声学特性，进而快速计算整体的声学特性。
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