基于virtual lab的汽车消声器声学性能优化

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1、基于VirtualLab的汽车消声器声学性能优化摘要：探讨采用声学有限元软件virtuallab分析消声器声学性能的方法，对市面上的一款内部结构复杂的汽车消声器的插入损失和传递损失进行分析，采用对消声器隔板增加穿孔板结构的方法对原消声器进行了改进，尝试对其声学性能进行优化，优化结果表明了改进措施的有效性。abstract:inthispaper,themethodispresentedtoanalyzetheacousticalperformanceofamufflerwithcomplicatedch

2、ambersonthemarketbyusingtheacousticfemsoftwarevirtuallab.insertlossandtransmissionlossofthemufflerarecalculated,andtheoriginalacousticalperformanceisimprovedthroughaddingadditionalperforatedstructure.thecomparisonoftheinsertlossandtransmissionlossofthemo

3、difiedandoriginalmufflersdemonstratestheeffectivenessoftheoptimizationscheme.关键词：有限元；声学分析；消声器；传递损失keywords:fem；acousticsanalysis；muffler；transmissionloss中图分类号：u46文献标识码：a文章编号：1006-4311（2012）11-0045-020引言消声器的声波符合平面波的规律，早从1950年代开始其相关的理论研究。1960年日本igarashij和a

4、raim提出四端网络理论[1]，即每个消声但与采用四极参数矩阵来表示，但该方法仅限于结构简单的低频分析。1973年munjal利用传递矩阵计算预测管道系统的声学性能[2]，随后又推导了无流和有流情况下的几种消声器结构的传递矩阵[3]。1987年美国肯塔基大学seybert采用边界元法研究消声器声场[4]，该方法精度高、数据量少，但是局限于对具有对称结构的消声器在低频段的分析。2005年季振林使用一维解析法和三维子结构边界元法预测直通穿孔管消声器的消声性能，指出一维理论的有效频率范围[5]。1976年加拿

5、大craggsa最早采用有限元方法研究复杂结构的消声器[6]，并证明有限元法在中低频有非常好的精度，随着计算机的发展，该方法在消声器的研究领域里有了长足的发展。尽管有限元方法存在原始数据量大、离散误差等问题，但目前而言它仍不失为分析复杂声场的非常有效的方法。有限元与边界元相比，最大的优势在于可对内部具有复杂穿孔结构的消声器通过阻抗公式进行简化分析，大大减少计算量。关于穿孔结构阻抗公式的研究，康钟绪提出了新的修正参数[7]。本例基于最新版本的virtuallab，建立六面体单元对当前一款量产轿车的消声器的

6、声学性能进行分析。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

7、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

8、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

9、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原方案的消声器三处穿