汽车工程 2015年(第37卷)第10期 Automotive Engineering 2015202 基于声学模态的椭圆截面扩张腔声学分析米 王伟 ,倪计民 ,李玉琦 ,金(1.奇瑞汽车有限公司发动机工程研究院,芜湖晖 201804) 241009;2.同济大学汽车学院,上海[摘要] 利用马丢函数来求解椭圆双曲柱坐标系下的声波方程,获得声压的解析解,进而求得椭圆柱腔的声 学模态,并利用声源激励法分析椭圆截面扩张腔的传递损失。与同截面积圆型扩张腔相比,椭圆截面扩张腔的传递 损失在(2,1,n)偶阶模态处产生通过频率。将进、出口偏移至长轴(2,1,0)偶阶模态的波节线处,可消除(2,1,n)偶 阶模态的影响;将进、出口偏移至短轴(0,2,0)偶阶模态的波节线处,可消除(0,2,n)偶阶模态的影响。 关键词:椭圆截面扩张腔;声学模态i传递损失;通过频率 Acoustic Analysis on the Expansion Chambers with Elliptical Cross—section Based on Acoustic Modes Wang Wei ,Ni Jimin ,Li Yuqi &Jin Hui 1.Engine Engieerning Research Institute,Chery Automobile Company,Wuhu 241009 2.School ofAutomotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804 [Abstract] Mathieu function is used to solve the sound wave equation under elliptic—hyperbolic cylindrical coordinate with the analytical solutions of sound pressure obtained.The acoustic modes of cylindrical chambers with elliptical cross section are further acquired and sound source excitation method is employed to analyze the transmis— sion loss of expansion chamber.Compared with expansion chamber with round cross section of same area,the trans— mission loss of expansion chamber with elliptical cross section generates passing frequency at even mode(2,1,n). With its inlet and outlet moving onto the nodal line of even mode(2,1,0)on the major axis of expansion chamber, the effects of even mode(2,1, )can be eliminated;while with its inlet and outlet moving onto the nodal line of e— ven mode(0,2,0)on the minor axis of expansion chamber,the effects of even mode(0,2,n)can be eliminated. Keywords:expansion chamber with elfiptical section;acoustic modes;transmission loss;passing fre- quency 本文中建立基于椭圆双曲柱坐标系的声波方 日IJ舌 程,利用初始条件和边界条件求解三维声学模态与 频率,然后利用声源激励和模态叠加法,研究离心率 和进、出口位置对传递损失的影响。 汽车消声器一般布置在汽车下方,它不仅要满 足汽车动力性的要求,也要满足通过性的要求,在布 置空间上受到限制,因此往往采用椭圆截面。对椭 圆柱腔体的研究,最早源于电磁波的传播¨ J。文 献[4]中用有限元来分析椭圆截面扩张腔的声学性 能。国内也有人利用有限元来研究进、出口位置对 1.1椭圆柱腔的声波方程和声学模态 1 椭圆柱腔声学模态与传递损失 为求解椭圆柱腔声波方程,引入椭圆双曲柱坐 标系,如图1所示。基于椭圆双曲柱坐标系的声波 椭圆消声器传递损失的影响 。 国家863计划项目(2008AA11A148)资助。 原稿收到日期为2013年8月29 Et,修改稿收到日期为2013年12月9日。 ・l186・ 汽车工程 2015年(第37卷)第10期 方程 可描述为 2 通过式(6)和式(7)可以求得本征值q…或 h (eosh2 ̄一cos2 ̄) (0a 2p:+ _0叼2_eP_ /+p a02:+ 。2p=。(1) …,对应m阶的第r个固有频率,记为(m,r)。进 一步可计算椭圆柱腔的本征频率: 式中:p为声压;h为半焦距; 。为波数; 为轴向变 量; 为径向坐标,代表共焦椭圆族,0≤ ≤∞; 为 角坐标,代表共焦双曲线族,0≤77≤2丌。 坐标与叼 坐标正交。定义椭圆的离心率e=h/a,o为椭圆长 轴半径,而经推演得e=sech( ̄)。 、\\\ 一 — ://:60一玎。 =30。 15。 ,7=0。 / {= =270。 \ 、 图1椭圆双曲坐标系 利用分离变量法,声压变量可表示为 P( ,'7,z,t)= ( ,77)Z(z)T(t) (2) 式中: 为时间变量; ( ,叼)是 和叼的函数;Z( ) 是轴向变量 的函数;T(t)是时间变量t的函数。 将式(2)代入式(1),声波方程变为 f 2z /a a .i I + ,l+ dz +\c,f 1 ‘ ̄z1J r( ):0 (3) 假定 ( ,叼)= ( )H(叩),其中 ( )是 的 函数,日(叼)是叼的函数。将 ( ,卵)代入式(3),通 过分离时间t和 轴变量后,可以得到: d2 『/d卵 +(A—q2eos2 ̄)日=0 (4) d2三 d 一(A—qZeosh2 ̄) =0 (5) 式中:A和q是本征值。式(4)称为马丢(Mathieu) 方程,式(5)称为虚宗量马丢方程。 利用马丢方程,结合刚性壁面条件,可以得到周 期方程(或称角频率方程): 竺 : :0 I : (m=0,1,2,3,…) (6) =。 a∈ I 一 式中: 是 的外边界;Ce ( ,g)和se ( , )分别是 第一类m阶虚宗量马丢偶函数和奇函数,q为对应 马丢偶函数本征值,西为对应马丢奇函数的本征值。 . =c0√4g / +(n ̄r/L) (8) go , =Co√4面 / +(n ) (9) 式中:c。为声速;L为柱腔的 轴向长度;n为对应z 轴方向的模态阶数。 下面计算一具体椭圆截面柱腔的声学模态。椭 圆截面长轴半径口=107.5ram,短轴半径6=70ram, 离心率e=0.76,z轴长度L=150ram。利用式(6)和 式(7)计算出偶模态和奇模态本征值,如表1所示。 受篇幅所限,表1中最高本征值仅显示到(2,2)阶。 在表1的基础上,利用式(8)和式(9),计算出偶模 态频率和奇模态频率,如表2所示。 表1本征值 (m,r) g…/m …/m (0,1) 0.000 (0,2) 4.365 (1,1) 0.538 1.182 (1,2) 6.529 9.283 (2,1) 1.752 2.349 (2,2) 9.340 12.245 表2模态频率 .,n/Hz 西 /Hz .(m,r) n=0 n=1 =2 n=0 n=1 n=2 (0,1) 1 133.3 2 266.7 (0,2) 2 676.4 2 906.4 3 507.2 (1,1) 939.6 1 472.2 2 453.7 1 392.6 1 795.5 2 660.2 (1,2) 3 273.1 3 463.7 3 981.3 3 902.9 4 064.1 4 513.3 (2,1) 1 695.4 2 039.2 2 830.5 1 963.2 2 266.8 2 998.6 (2,2) 3 914.9 4 075.6 4 523.7 4 482.6 4 623.7 5 023.1 为理解椭圆截面的声学模态,利用声学有限元计 算出偶、奇模态云图(振型),分别如图2和图3所示。 1.2基于声源激励法的传递损失 所谓点源激励就是在入口设置声源作为激励 源,经过特定的声学空间,在出口获得声压值,利用 出口声压和入口声源强度来计算系统的频率响应函 数。一旦获得椭圆消声器的外形尺寸,那么利用模 态叠加法,就可以获得椭圆腔的声学响应。根据谐 王伟,等:基于声学模态的椭圆截面扩张腔声学分析 ∞ 如 ∞ 如 加 m O 线上,它消除了E(0,2,n)低阶通过频率的影响,同 时还增强O(1,1,n)低阶模态处的消声效果。方案 2对低频通过频率的消除作用明显。 ……鲁 一—…—…方案231 i 鞲 一| f /— { .●l, I 、1 ,-、—.J , .i : 《 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 频率/Hz 图7 出口偏置对传递损失的影响 图8显示了进、出口同时偏置对传递损失的影 响。方案4进口偏移到(2,l,0)阶模态的波节线上, 出口偏移到(0,2,0)阶模态的波节线上。它兼顾了 方案2和方案3的优点,在3 O00Hz范围内,消除了 除E(0,1,n)轴向低阶模态之外其他模态产生的通 过频率。而E(0,1, )轴向低阶模态产生的通过频 率,可通过采用内插管的方式来消除。 耷 § H H8 心 一H 叠 方案2 ——方案4 鼍 啦 0 500 1 000 l 500 2 000 2 500 3 000 频率/Hz 图8进出口偏置对传递损失的影响 3试验分析 利用消声器插入损失试验对前面的模拟结果进 行分析。试验台架系统如图9所示,噪声测试仪器 为ND2型精密声级计。 试验仅对2.2节的方案e 和2.3节的方案1和 方案4进行对比,如图10所示。3个消声器在 器 图9消声器试验台架示意图 1 250Hz以前的中心频率带,插入损失相同。方案1 中,消声器受E(2,1,0)和E(2,1,1)阶模态影响, 1 600和2 000Hz中心频率处消声量降低。方案4 中,提高1 600和2 000Hz中心频率的消声量,达到 圆形截面消声器的水平。另外,方案4消除了传递 损失在2 300~3 000Hz内的通过频率,其插入损失 在2 500Hz的消声量得到提升。 笔 帑 蜒 量蛩星毒意 莩量量萤量蠡量量萤墨  ̄-q m 中心频率/Hz 图10 1/3倍频程频谱对比 4结论 相比圆形截面,基于椭圆截面的扩张腔会产生 更多的通过频率,降低消声性能。但是通过研究声 学模态,如果将进、出口设置在低价通过模态频率的 波节线上,则可消除该模态通过频率的影响。 参考文献 [1]Wang B K,Lam K Y,et a1.Elliptical Waveguide Analysis Using Improved Polynomial Approximation[J].IEEE Proceedings,Mi- crowaves,Antennas and Propagation,1994,141(7):483-488. 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