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消声器声学近期进展
M. L. Munjal
Facility for Research in Technical Acoustics (FRITA), Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore — 560 012, India
(Received 23 December 2011; Accepted 14 November 2012)
发动机排气噪声一直是汽车噪音的主要来源。消声器设计的挑战对尺寸，背压，当然还有成本的限制。设计足够的插入损耗发动机起火频率和前几次谐波一直是最大的挑战。设计中的大部分进步的高效消声器是由线性平面波理论引起的，利用传递矩阵法。这个评估论文涉及评估未被混合的预测所需的近似源特征进气和排气噪声，利用电声学类比。在过去几年里，取得了重大进展对产品的可变性进行分析，对螺旋体进行横断面分析以及圆形室，双调谐膨胀室和同心管谐振器，催化转化器，柴油颗粒过滤器，空气净化器等。可以使用的长链纤维材料的开发没有粘合剂的热排气系统导致在排气系统中使用组合消声器。突破已经实现了从椭圆形和圆形消声器壳体的突破噪声的预测和控制以及典型消音器的端板。柴油颗粒过滤器和进口空气净化器也被建模声学上这些最新进展中的一些是本评论文件的主题。
1.介绍
消音器本质上是低通声学滤波器。 分别通过连接管道（或管道）和室（或增压室）在消声器中表现出电声学类比，电波滤波器的集总电感和耦合电容。 声学的亥姆霍兹共振器在孔洞谐振器的形式中也发现了它们的对应物。 虽然管道声学科学和超声波技术已经有150多年的历史了，但Davis等报道了第一次内燃机消声器分析与设计综合实验研究。 在一个方向上进行波浪移动的经典1-D或平面波理论导致了传输矩阵法（TMM）的发展，这是理想的适合构成典型自动机构的级联元件的声学建模消声器。
TMM利用驻波变量从级联中的一个元素移动到下一个元素。 在计算上，转移矩阵的连续乘法要快得多，同时对大量线性代数方程同时进行。 实际上，传递矩阵乘法的启发式研究成为处理用户友好代数算法的开发，从而有助于合理合成1-D声滤波器和隔振器。
Morfey关于平均流量的声音产生和传播感应的工作表明，平均流量的对流效应是增加前向波的流声功率并减小向后（或反射）波的流声功率。 对于在经典（状态介质）状态变量（p，v）中线性相关的对流（或流声）状态变量（p c，v c）的定义。（p，v）与（p c，v c）的替换产生与不可压缩平均流量的消声器的插入损耗（IL）相似的表达式。（p，v）和（p c，v c）之间的转换关系使经典状态变量中的传递矩阵能够使用移动介质转换为对流状态变量中的对应关系，反之亦然。
亥姆霍兹谐振器在其抗扰度频率下引入了尖峰。然而，设计汽车消音器需要宽带圆顶。因此，设计人员将使用开放成环形空洞的延长穿孔。所产生的同心管谐振器首先由Sullivan和Crocker模拟，利用1-D控制体积方程。我们通过将环形圆柱形腔中的声场作为两端满足刚性边界条件的自然模式的求和来解决的结果耦合等式。沙利文跟踪了分段方法，适用于甚至三个相互作用的管道的配置。 Munjal，NarayanaRao和Sahasrabudhe开发了这种穿孔元件配置的广义去耦合方法。随后，Peat的特征值分析得到了很好的体现，该分析特别针对数字计算量身定制，我们可以利用标准子程序或库函数。 Munjal，Krishnan和Reddy的参数研究，通过三个相互作用的管道相对流动声学性能的浓度共振器，塞塞消声器和腔室。对于所有三种类型的穿孔元件消声器配置的停滞压降的实证表达式是根据穿孔的开放面积比得出的。
在接下来的十年中，大量研究报告了复杂穿孔元件的声学分析，特别是往复式内燃机的排气和进气系统的开放式流向反转元件和声学特性。
汽车发动机是变速发动机，因此消声器必须充当具有足够宽带IL的低通滤波器。 由于声压级（SPL）的反对数加法的原因，从与发动机空转速度相对应的发射频率开始，在发射损耗（TL或IL）曲线中，如果有的话，可能会严重影响整个消声器。 大多数未排气排气噪声与发动机的前几个（例如10个）速度相关联，因此消声器的平面波或1-D分析将会起作用。 对于大型消声器和/或更高的频率，高阶模式将开始不衰减，然后严格的3-D分析可能是必需的。 此外，来自消声器外壳和终板的突发噪音将限制净IL。 本文回顾了以下几个方面的进展情况：
（1）双调谐膨胀室，
（2）扩展同心管谐振器的调谐，
（3）端室横向平面波分析，
（4）发动机的源特性，
（5）多重连接消音器，
（6）消声器外壳和端板的突发噪音，
（7）柴油颗粒过滤器和入口空气净化器。
在本评论文件中，作者及其前学生和社会人士的研究工作存在着不可避免的偏见。 然而，参考了全球当代研究人员的突出贡献。
2.双重扩张
简单膨胀室的TL谱是char-由周期性的高峰和低谷组成。 TL的高峰叶片取决于扩张区域的简单扩张室的宽度和叶的宽度取决于长度房间。 室长度槽出现在kL =mpi;，m = 0,1,2,3，....
根据1-D平面波理论，TL的峰值的扩展入口元件（见图1）在共振时发生频率
. (1)
如果扩展入口元件的长度L a = L / 2，则共振峰将发生在
kL = (2n minus; 1)pi;; n = 1,2,3,...; (2)
其中L是膨胀室的总长度，L a是前 - 倾斜入口长度，L b是扩展出口长度，k是波数字，Y是介质的特征阻抗。因此，在m = 2n-1处将发生波谷的消除。这将导致无效的m = 1,3,5,7，....
类似地，扩展出口元件的TL的峰值发生在以下等式的根处：
(3)
如果延长出口长度L b = L / 4，则共振峰会发生
并且四分之一波共振峰将使m = 2,6,10，...的室长度谷无效。
因此，对于双调谐扩展入口 - 消声器（L a = L / 2和L b = L / 4），除了那些以外的所有槽m = 4,8,12，...被调出。 换句话说，四分之三的槽是无效的，并且是期望的宽带噪声可以实现衰减。 然而，诀窍在于校正ev逝的延伸长度L a和L b模式通过兼容性修正，入口/出口的长度将略大于由于存在相应的几何长度交界处的渐近高阶模式。
为了设计一个双调谐的扩展消声器，我们需要知道精确的末端校正，长度槽正好被四分之一波段延长长度的nance峰。 共振频率 - 简单的1-D分析的结果由-jY cot（kL eff）=给出0，其中有效长度L eff = L g delta;。 因此，第一共振峰由下式给出
因此，
其中f r是通过方法评估的第一共振频率的3-D分析或在实验测量中观察到，L g是延伸管道的几何或物理长度，c 0是环境温度下的声速，delta;是必须添加到几何长度的末端校正。从实验或3-D计算出的末端校正然后在上述等式中使用FEA分析，以便计算有效的延长长度，槽细胞。
将导致1-D模型中壁厚的变化在an-横截面积的微小变化中，因此，面积比例。 这不会导致在四分之一波形谐振器的峰值的横向偏移中。顺便说一下，2-D或3-D模式匹配模型没有考虑到有限（非零）壁厚。 3-D FE分析自动考虑了影响在不连续点处的消逝模式的壁厚因此，得出了集总惯性和结束校正由此。
通过两个方法进行TL测量源位置方法在3-DFE失效
1-D模型的预测与3-D模型的预测相符只有当我们将结束校正添加到几何长度时用于1-D模型，如图1所示。 它表明了1-D曲线的前三个峰与那些完全一致的三维有限元分析，这意味着最终修正是足够准确。
TL对应膨胀室（L g，a = L g，b =0）也显示在图 2为了突出双色，调整对TL的影响。 可以注意到前三个槽（实际上，截止频率范围内所有波谷的四分之三，简单室TL曲线的提高，在双调室的TL曲线中。 其实呢是相当整体提升的TL曲线，使得双重调谐膨胀室是重要的设计选择。
理论估计结束修正已经被经过三维有限元预测验证，静态介质的精神结果，使用程序以确定不同的配置。 相应地，参数研究是通过3-D FEA模型结合了图1所示的壁厚。
进行双变量最小二乘法分析用直径（d）归一化的最终校正的近似公式：
； （7）
其中a0 = 0.005177，a1 = 0.0909，a 2 = 0.537，a 3 =-0.008594，a4 = 0.02616，a5 = -5.425，t w是墙厚度。 在此过程中，显示
- 给定延长长度的结束校正是相同的无论是以前扩张的还是前进的。
（2）长度对结束修正的影响是微不足道的D /dle;3。然而，对于较高的直径比，效果的长度是相当可观的。
- 入口/出口管壁的厚度必须不被忽视; 它对结束有重大影响校正。
3.调整扩展中心 - TRIC管共振器
在入口和出口之间提供穿孔桥梁，延伸管膨胀室的优点空气动力学噪音小，压降最小，机械强度和耐久性增加。 但是，所得扩展同心管谐振器的动作（ECTR）与相应的双重调谐非常不同延长管腔。 点播率分布式空闲率取代由于区域不连续处的集总惯性在相应延长的情况下，管腔。
这里给出了一个广义的程序来调整同心管谐振器。 首先，通过1-D分析精确计算有效声学长度ECTR。 这些声学长度和四分之一的差异，三波共振长度（即，长度）被称为差分长度。 许多变种随着温度依赖性的增加，调整ECTR所需的长度，因此我们需要使用1-D分析来估计声学长度，从差异长度和结束的物理长度更正。两个长度之间的差异（声学和地球测量）在这里被称为末端校正。 这些都是射孔惯性的后果。
已经开发了以下最小二乘法拟合差分长度相对于内管标准化直径：
； （8）
其中sigma;是穿孔的孔隙度（作为分数）。 等式（8）适用于从0.1到0.27的sigma;。
显示壁厚增加0.5mm或孔直径增加1mm时，差速器长度增加约1毫米 差分长度由方程式 （8）以上特殊孔隙率和内管直径，并且这些被用于估计声学的初始值长度。 有帮助的1-D分析，我们可以增加/减少这些长度室长度槽有效无效。 的末端校正值变化为-1.5 mm至 1.5 mm，因此估计所需的几何长度。
1-D模型的预测与观察到的在这种情况下，最终的修正是几乎为零，如图所示。 特别是前三个1-D曲线的峰值与实验重新匹配完全一致的结果。
因此，我们可以利用1-D分析，校正差分长度和末端校正，倾斜同心管谐振器，以便提升或调出三相表示cor-的TL曲线的所有波谷的四分之三，响应简单的膨胀腔消声器。 这使得调整ECTR是一个可行的设计选项。
4.端板的横向平面波分析
椭圆端室构成了汽车现代化系统的基础。 事实上，目前的一天门静音系统将由两个这样的端部室组成，这两个端室通过均匀的管连接，利用双流逆流和诱导最大阻抗不匹配，并且通过确保设计的紧凑性。 这种系统如图1所示。 在图5中，清楚地示出了端子室（编号1和3）以及充当通管的连接管。 连接管的长度L c大于椭圆形端部L a的长度。
不是耗费时间的FEM过程，哪些运动测量创建，完成（特别是在较高频率下需要存储器），以及使用矩阵求逆程序解决线性系统，已经开发了一种简单的1-D模型。
这种1-D横向平面波方法可以用于获得传递矩阵，这是传递矩阵，它需要与构成复合消声器的前一个和后续元件级联。 横向平面波的方向是沿着椭圆的长轴，其入口和出口下方的空腔被模拟为可变区域调整器。 这种谐振器的阻抗是使用称为矩阵分析方法的非数字技术来发现的。 入口和出口之间的路径被建模为1-D变量区域管道，并且使用成套方法来重新下达下游和上游点的状态变量。这种相当新颖的方法理想地适合于并入平均值的消耗效应 在终端室的交汇处（突然的连续性）流动。
最近，这种半分析方法已被替换为分析方法。 获得了控制横向平面波预测的差分方程的弗罗贝纽斯解。 通过获得足够数量的无限序列，所获得的近似分析解可以显示出高达约1300Hz的良好收敛，并且还涵盖了用于实际的消声器尺寸的大部分范围。 通过这种分析方法计算出的消声器配置的TL性能同样优于用矩阵方法计算，从而提供了更为优雅的替代方法来分析短椭圆形消声器配置。
通过等熵条件和声压场的时间谐波特性的假设，逐渐变化的横截面积（S（x））沿着平面波传播的轴的扰动的连续性和动量方程产生以下 声波传播1-D方程：
没有粘性损失的固定介质（即平均流量M = 0）的假设固有地在等式 （9）。 在短椭圆形室中沿横向传播的横截面面积S（x）给出为
在等式 （10）中，D 2是椭圆形截面的短轴，L是腔室的轴向长度。 坐标x正在从椭圆室的顶部测量，如图所示图 6，而y是x的无量纲对应物。 的感兴趣的区域，我们寻找方程式的解。 （9）为0le;xle;D1，并且以无量纲形式，我们得到0le;yle;1。通过使用公式 （10），我们得到一个无量纲的形式
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