直通穿孔管消声器声学特性预测的数值模态匹配法

将数值模态匹配法应用于计算横截面为任意形状的直通穿孔管抗性消声器的声学特性。应用二维有限元法计算横截面的本征值和本征向量,应用模态匹配技术求解模态幅值系数,进而得到所需的声学量。对于圆形和椭圆形直通穿孔管消声器的传递损失,数值模态匹配法计算结果与三维有限元计算结果和相应的实验测量结果吻合良好,表明数值模态匹配法能够精确计算直通穿孔管消声器的声学特性。计算结果表明,穿孔管的偏移影响消声器在中高频段的消声特性,同轴结构消声器的消声性能好于非同轴结构。      

均匀流直通穿孔消声器的声学特性分析

将数值模态匹配法(NMM)扩展应用于计算有均匀流存在时直通穿孔管抗性和阻性消声器的声学特性,编写了相应的计算程序。对于圆形同轴穿孔管抗性和阻性消声器,应用数值模态匹配法计算得到的传递损失结果与实验测量结果吻合良好,从而验证了计算方法和计算程序的正确性。进而应用数值模态匹配法研究了运流效应和穿孔阻抗以及穿孔管偏移对穿孔管抗性和阻性消声器传递损失的影响。研究结果表明,马赫数越高,穿孔管抗性消声器在中高频的消声量越高,阻性消声器在整体频段内的消声性能越差;低马赫数时运流效应对穿孔管抗性消声器的影响可以忽略,马赫数较高时运流效应和穿孔阻抗的影响比较明显;对于穿孔管阻性消声器,穿孔阻抗对消声器声学特性的影响比运流效应的影响小,但是与真实值的差别不可忽略;穿孔管偏移对消声器声学特性的影响与频率和消声器结构均相关。      

均匀流直通穿孔消声器的声学特性分析

将数值模态匹配法(NMM)扩展应用于计算有均匀流存在时直通穿孔管抗性和阻性消声器的声学特性,编写了相应的计算程序。对于圆形同轴穿孔管抗性和阻性消声器,应用数值模态匹配法计算得到的传递损失结果与实验测量结果吻合良好,从而验证了计算方法和计算程序的正确性。进而应用数值模态匹配法研究了运流效应和穿孔阻抗以及穿孔管偏移对穿孔管抗性和阻性消声器传递损失的影响。研究结果表明,马赫数越高,穿孔管抗性消声器在中高频的消声量越高,阻性消声器在整体频段内的消声性能越差;低马赫数时运流效应对穿孔管抗性消声器的影响可以忽略,马赫数较高时运流效应和穿孔阻抗的影响比较明显;对于穿孔管阻性消声器,穿孔阻抗对消声器声学特性的影响比运流效应的影响小,但是与真实值的差别不可忽略;穿孔管偏移对消声器声学特性的影响与频率和消声器结构均相关。     

环状气囊水消声器声学性能的预测与分析

水消声器作为一种有效的噪声控制装置被广泛应用于水管路系统,本文分别使用模态匹配法和有限元法对环状气囊水消声器的声学性能进行仿真计算,分析气囊水消声器声学特性的原理,并研究气囊水消声器不同媒介间的特性声阻抗大小关系对消声性能的影响规律。计算结果表明：由于阻抗失配关系,在气囊水消声器中气体对声波的传递起主要反射作用。随着橡胶的特性阻抗增大,橡胶会对从水中传递过来的声波起到一定的阻碍作用。当气体体积被压缩时,气体对声波的反射衰减效果会逐渐减弱,从而使得气囊水消声器的传递损失曲线整体幅值下降,消声性能减弱。     

穿孔管消声器声学长度修正的理论公式

推导出穿孔管消声器声学长度修正以及共振频率的理论公式。证明了在均匀分布情况下,多小孔向膨胀腔声辐射与单个小孔向膨胀腔声辐射的声学长度修正系数是一致的。对于小孔向主管道的声辐射,根据理论公式研究了穿孔率、周向均布数以及亥姆赫兹数对声学长度修正的影响,有限元计算得出在直径比小于0.4的情况下声学长度修正系数理论公式与仿真计算结果吻合良好。并利用理论公式的性质以及仿真结果获得了实用的拟合公式,提升了穿孔管消声器在高频时共振频率的计算精度。      

阻抗复合消声器声学性能有限元预测方法及分析

为计算和分析具有复杂结构的阻抗复合式消声器的宽频消声性能,建立了一种高效声学有限元方法,给出了不同边界条件下的边界积分处理细节,得到有限元全局系数矩阵表达式,设计出计算程序框架以实现这些算法,其求解规模和计算速度与商业软件相比有优势。为计算阻抗复合式消声器的传递损失,通过阻抗管测量和数据拟合得到了吸声材料声学特性的经验公式。计算和测量了两通穿孔阻抗复合式消声器的传递损失,二者良好的吻合验证了声学有限元方法和计算程序的正确性。研究表明,插管长度影响消声器在中高频段的消声特性,右侧隔板上穿孔会消除共振峰,中高频消声性能随着出口管穿孔率的增加而提升。      

穿孔板的声学厚度修正

使用有限元法计算穿孔板的声学厚度修正系数,研究穿孔率、穿孔板厚度、孔径和穿孔排列形式对声学厚度的影响,获得了穿孔率低于40%的穿孔板的声学厚度修正系数.计算结果表明:穿孔板厚度、孔径和排列形式对声学厚度的影响不大;穿孔率对声学厚度影响很大.基于数值计算结果给出了声学厚度修正系数的近似表达式,利用由该表达式形成的穿孔声阻抗公式计算了穿孔管消声器的传递损失,计算结果与实验结果吻合良好,从而验证了应用该表达式预测穿孔管消声器消声性能的准确性.     

双倒易边界元法应用于预测三维势流管道和消声器声学特性

将双倒易边界元法应用于预测具有三维势流存在时管道及消声器的声学特性,阐述了其基本原理与数值过程.与传统边界元方法相比,该方法考虑了声学控制方程中气流马赫数二阶小量的影响,因此适用于具有较高马赫数亚音速流的情况.使用双倒易边界元法预测有气流存在时管道和变截面膨胀腔的四极参数,并与一维解析解和传统边界元法结果进行了比较,从而验证了该方法的正确性.利用双倒易边界元计算并分析了不同结构类型消声器的传递损失,结果表明,三维流对复杂结构的消声器声学性能的影响是不可忽略的.     

消声器传递损失预测的边界元模态展开混合方法

将边界元法和解析方法结合形成一种混合方法用于计算消声器的传递损失,消声器被划分成若干个子结构,解析方法和边界元方法被分别用于计算规则结构和不规则结构的阻抗矩阵,不同子结构之间通过阻抗矩阵连接起来。为减少计算时间,采用一种基于模态配点法的简化方法。对单级膨胀腔、双级膨胀腔和穿孔管阻性消声器的传递损失进行了计算,混合方法计算结果与解析方法和三维数值方法计算结果吻合良好。分析了混合方法的计算效率并与传统子结构方法进行了比较,混合方法能明显节省计算时间。     

消声器传递损失预测的边界元模态展开混合方法

将边界元法和解析方法结合形成一种混合方法用于计算消声器的传递损失,消声器被划分成若干个子结构,解析方法和边界元方法被分别用于计算规则结构和不规则结构的阻抗矩阵,不同子结构之间通过阻抗矩阵连接起来。为减少计算时间,采用一种基于模态配点法的简化方法。对单级膨胀腔、双级膨胀腔和穿孔管阻性消声器的传递损失进行了计算,混合方法计算结果与解析方法和三维数值方法计算结果吻合良好。分析了混合方法的计算效率并与传统子结构方法进行了比较,混合方法能明显节省计算时间。      

锥形颈部赫姆霍兹共振器声学性能预测

锥形颈部赫姆霍兹共振器具有更好的低频消声能力,而其声学性能尚无准确解析预测方法。为了研究其声学性能,在声学长度修正的基础上,利用一维解析方法建立了用于计算传递损失的一维修正模型。运用分割法计算锥形管内部声传播的声学长度修正,并给出了声学修正长度计算公式。采用得到的锥形管声学修正长度和一维修正模型,计算出的锥形颈部赫姆霍兹共振器频率与有限元及实验测试结果偏差在2 Hz以内,明显优于不修正的计算结果。表明锥形管声学长度修正法提高了一维解析方法的精度,从而可以快捷准确的预测锥形颈部赫姆霍兹共振器的消声性能。      

汽车排气消声器的正向设计研究*

本文以实现汽车排气消声器的正向设计为目的,提出消声器的开发思路:首先采用从分析设计目标到确定总体方案,再到具体设计的路线,结合Virtual.Lab Acoustics、GT-Power和Fluent等数值分析软件与发动机台架试验。然后以主消声器的设计为主,副消声器的设计为辅;以声学性能为主,流场及其他性能为辅。再通过对消声频率的分析,逐级设计消声结构并进行组合、验证和改进,并在与企业提供的消声器方案进行对比后初步判断设计方案的可行性。最后通过实验验证了消声器设计方案的综合性能达到设计目标,表明了本文提出的消声器正向开发思路的合理性,在汽车排气消声器的设计开发上具有实用价值。     

声波导管对圆柱型共鸣腔声场扰动的研究

声学共鸣法是目前测量流体热物性、热力学温度和玻尔兹曼常数最精确的方法之一,声波导管为共鸣腔提供声源和气体进入口,但是会破坏共鸣腔的理想表面从而导致腔体内气体介质共鸣频率的偏移(△f)和共鸣峰半宽的增加(g)。本文从一阶声学微扰出发建立了声波导管对共鸣腔声场的扰动模型,分析了导管位置、长度和半径大小对腔体中介质共振频率的影响。进一步测量了52～1763 mm之间六个不同长度的导管在T=332 K和p=50～500 kPa时,圆柱共鸣腔中轴向共鸣模式的共鸣频率和半宽的变化,测量结果与理论计算值吻合较好,证明了理论模型的正确性。     

考虑任意阻抗壁面条件管腔结构声场特性分析

针对任意阻抗壁面条件一维管腔声学系统建模,对系统动力学特性进行预报。为了满足阻抗边界条件对声压一阶导数连续性要求,管腔声压函数通过在标准傅里叶级数端点位置引入边界光滑辅助多项式进行构建。结合壁面阻抗声学边界和管腔声学Helmholtz控制微分方程得到强形式标准特征值问题,获得相应的声学模态信息。在数值仿真中,通过算例给出各种边界条件下管腔声学模态频率、声压振型、声压和质点振速频率响应曲线,与现有文献中相关结果进行对比,充分验证了本文求解方法的正确性和有效性,证明该方法可对任意阻抗壁面条件管腔系统声学特性进行准确预报。     

圆柱声学共鸣腔边界层扰动的二阶修正模型

圆柱声学共鸣法是测量Boltzmann常数和研究声学温度计的重要方法.热边界层和黏性边界层是影响圆柱声学共振频率的最主要因素。目前已有的声学一阶微扰理论已不能满足圆柱声学共鸣法精确测量Boltzmann常数的需求(不确定度小于1×10~(-6)).本文建立了基于声学二阶微扰理论的边界层扰动修正模型,计算结果表明,与一阶修正相比,二阶修正不影响圆柱声学腔的共振频率,但对频率半宽产生不可忽略的影响,且随着圆柱腔内的声学共振模式而变化,压力越低影响越大.对于长度80 mm、半径40 mm的圆柱腔,在273.16 K、50 kPa,二阶修正对Ar的(2,0,0)频率半宽的影响接近7×10~(-6).采用二阶修正模型,更符合真实物理规律,满足精确测量的需求.     

基于扩张室消声器的座便器噪声控制研究

本文以虹吸式座便器为研究对象,将扩张室消声器应用于座便器管道结构设计中,采用CFD (computational Fluid Dynamics)软件对加装不同长度扩张室消声器的座便器模型进行了冲水过程数值模拟。在研究座便器噪声产生机理及扩张室消声器声学性能的基础上,进行座便器冲洗性能试验及噪声测量试验,分别研究了冲水量与冲洗噪声、冲水量与冲洗性能之间的关系。研究表明,安装扩张室消声器,不仅可以提高座便器的冲洗性能,还可以降低冲洗噪声,达到降噪节水的目的。     

基于低频吸声超构材料的复合消声器研究*

针对管道内低频噪声难以抑制的问题，本文基于亥姆霍兹共振腔（HR）阵列吸声板和穿孔管消声器组合，设计了一种复合式宽带消声器。首先利用有限元法仿真分析传统穿孔管消声器，发现中低频消声能力较差，通过嵌入HR阵列吸声板吸收中低频噪声。采用仿真与实验的方式研究吸声板的声学性能：在400-1000 Hz频段内的平均吸声系数达到了0.88。然后对复合式消声器进行数值模拟及3D打印阻抗管实验测试对比：复合式消声器在400-1718Hz频率范围内的平均传递损失为18.15 dB ，最终实现了管道内全频带噪声有效控制。     

膨胀腔消声器声学仿真的一维修正方法

传统一维方法计算消声器声学性能随频率增加误差加大,本文应用管道末端修正系数改善一维方法的计算结果.应用二维轴对称解析方法计算管道末端修正系数,研究结构因素和频率对修正系数的影响规律,研究表明修正系数随截面半径比增加而降低,随频率增加而增加,超过截止频率后修正系数无效.根据计算结果给出修正系数拟合公式并修正传统一维方法,应用一维修正方法计算膨胀腔消声器的传递损失并和实验结果、三维有限元结果进行比较,证明一维修正方法结果精度有明显提高.     

含空腔的功能梯度声学覆盖层水下吸声特性

针对传统的声学覆盖层吸声频带窄的问题,基于功能梯度材料的特点提出了一种含空腔结构的水下功能梯度声学覆盖层结构,引入梯度有限元法建立了功能梯度型声学覆盖层的水下声学计算模型,研究了功能梯度声学覆盖层结构的水下吸声特性。与传统的功能梯度结构声学建模方法相比,在保证计算精度和计算效率的基础上,文中所建立的功能梯度结构声学计算模型可适用于更复杂的功能梯度声学结构声学性能评估。研究结果表明,功能梯度声学覆盖层能够有效改善中高频段的吸声性能,获得较好的宽频吸声效果。此外,空腔形状采用锥型空腔结构或者组合型空腔结构可以有效地拓宽功能梯度声学覆盖层的吸声频带。      

圆柱形光声池结构及环境因素对声学本征频率的影响

以典型的圆柱形光声池为研究对象,建立光声池声学仿真有限元模型,并在此基础上,研究了光声池中谐振腔、缓冲腔、进出气孔结构参数以及温度、湿度因素对其声学本征频率的影响规律.研究结果表明:圆柱形光声池的进、出口孔对其声学本征频率影响极不敏感,设计计算中可以忽略不计,谐振腔的长度影响最为敏感,其次为谐振腔的直径.此外缓冲腔的长度与直径对其亦有一定影响,因而在准确计算时需要加以考虑.温度与湿度对光声池声学本征频率的影响均呈现正线性增长规律,温度的影响随着谐振腔长度的增大而减小,湿度的影响随着温度的升高而增大,仅计算光声池的声学本征频率时,湿度的影响在室温环境下且湿度变动较小的条件下可以忽略.