消声器及穿孔元件声学特性研究

摘要

消声器是控制发动机进、排气噪声的有效装置，其声学性能的计算与分析是消声器设计的基础。由于能改善消声效果和气体流动特性，穿孔元件在消声器中广泛应用，为预测消声器的声学性能，首先需要确定穿孔元件的声学特性。本文针对消声器声学性能的计算方法和穿孔元件的声学特性开展系统研究。
　　 研究并发展了消声器声学性能的计算方法，包括基于平面波理论的传递矩阵法、有限元法和三维时域CFD(计算流体动力学)方法。基于平面波理论推导了考虑流速和热粘效应时典型消声元件的传递矩阵，并利用三维解析方法计算管道的末端修正系数，利用管道末端修正系数的近似公式修正了平面波理论，改善了传递矩阵法的计算精度。发展考虑流动效应时消声器声学计算的有限元法以预测穿孔管消声器的传递损失，研究有限元法计算中的数值误差，比较分析有限元法计算消声器传递损失的声波分解法和四极参数法。发展三维时域CFD方法预测消声器的传递损失，分析时域CFD方法模拟管道内声波传播的数值误差，研究时域CFD法预测消声器传递损失的脉冲法和声波分解法。通过算例分析和总结三种方法预测消声器声学性能的优缺点。
　　 以穿孔板模型为对象，采用数值方法研究穿孔元件的声学特性。无流情况下，采用有限元法研究穿孔板的声阻抗，建立穿孔板声阻抗的有限元模型，分析各种结构参数对穿孔板声学厚度修正系数的影响，并根据计算结果给出穿孔板声学厚度修正系数的近似公式；有流情况下，采用时域CFD方法研究穿孔板的声阻抗，分别建立穿孔板在通过流、掠过流下声阻抗的CFD模型，分析结构参数和气流马赫数对穿孔板声阻和声抗的影响，根据计算结果分别拟合出两种流动形式下穿孔声阻抗的近似公式。综合无流、有流情况下穿孔板声阻抗的近似公式，给出穿孔元件声阻抗新模型。应用本文获得的穿孔声阻抗新模型预测穿孔管消声器的传递损失，预测结果和实验结果吻合很好，验证了本文模型的可用性和准确性，并通过和以往声阻抗模型的比较验证了本文模型的先进性。
　　 设计、搭建消声器声学性能测量实验台，研究消声器声学性能的测量方法。在有流情况下，应用快速正弦扫频和同步时域平均技术以提高信噪比，改善测量结果的精度。应用双负载法在该实验台上测量了无流、有流情况下穿孔管消声器实验件的传递损失，实验测量结果和应用本文穿孔声阻抗新模型的预测结果吻合良好，验证了本文穿孔声阻抗新模型的可用性和准确性。
　　 应用本文穿孔声阻抗新模型预测了不同结构和气流参数下穿孔消声器的传递损失，根据预测结果分析了穿孔元件的各种结构和气流参数对消声器传递损失的影响，为实际消声器的设计提供了有意义的指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题的意义和目的

1.2消声器及穿孔元件的研究现状

1.2.1消声器声学性能的计算方法

1.2.2消声器声学性能的测量方法

1.2.3穿孔元件声阻抗的理论和实验研究

1.3本文的主要研究内容

第2章 消声器声学性能的计算方法

2.1引言

2.2消声器声学性能评价指标

2.3基于平面波理论的传递矩阵法

2.3.1传递矩阵法

2.3.2抗性消声元件的传递矩阵

2.3.3管道末端修正和修正的平面波理论

2.3.4穿孔管消声器的传递矩阵

2.4有限元法

2.4.1静态介质中声场计算的有限元法

2.4.2流动介质中声场计算的有限元法

2.4.3有限元法数值误差

2.4.4传递损失的计算方法

2.5时域CFD方法

2.5.1 CFD基本理论

2.5.2 CFD方法数值误差

2.5.3传递损失的计算方法

2.6计算实例和分析

2.7本章小结

第3章 无流条件下穿孔板的声阻抗

3.1引言

3.2穿孔板的声阻抗模型

3.3穿孔板的有限元模型

3.4穿孔板声阻抗结果及分析

3.4.1均匀穿孔

3.4.2非均匀穿孔

3.4.3无流条件下穿孔声阻抗新模型

3.5穿孔管消声器声学性能计算与分析

3.6本章小结

第4章有流条件下穿孔板的声阻抗

4.1引言

4.2有流穿孔声阻抗模型

4.2.1通过流下的穿孔声阻抗模型

4.2.2掠过流下的穿孔声阻抗模型

4.3 CFD模型和声信号的处理

4.3.1有流穿孔声阻抗的CFD模型

4.3.2声信号的处理

4.4有流穿孔声阻抗结果及分析

4.4.1通过流下的穿孔声阻抗

4.4.2掠过流下的穿孔声阻抗

4.4.3有流条件下穿孔声阻抗新模型及分析

4.5穿孔管消声器声学性能计算和分析

4.6本章小结

第5章 消声器声学性能的实验测量和分析

5.1引言

5.2实验台介绍

5.3双负载法和传声器校准

5.3.1双负载法

5.3.2传声器校准

5.4穿孔管消声器无流传递损失的测量

5.4.1穿孔管消声器实验件

5.4.2无流传递损失的测量结果

5.5穿孔管消声器有流传递损失的测量

5.5.1快速正弦扫频和同步时域平均

5.5.2有流传递损失的测量结果

5.6测量结果与计算结果的比较

5.6.1无流情况

5.6.2有流情况

5.7本章小结

第6章 消声器声学性能计算与分析

6.1引言

6.2通过流穿孔消声器声学性能分析

6.2.1结构参数的影响

6.2.2气流影响

6.3掠过流穿孔消声器声学性能分析

6.3.1结构参数的影响

6.3.2气流影响

6.4组合结构消声器

6.5本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢