船用进气柴油机消音器性能说明及改进设计要求分析？
 

      为提高某船用进气柴油机消音器的消声性能，利用有限元软件LMSvirtuallab中声学模块对柴油机消音器进行了声学性能仿真研究。分析了柴油机消音器的吸声片间距、直径参数，以及吸声片两侧布置穿孔板对传递损失的影响。结果表明：吸声片间距减小2mm，柴油机消音器的传递损失增加约2.5dB；吸声材料外径增加40mm，柴油机消音器传递损失在大多数频率范围内增加1~2dB；在吸声片两侧布置穿孔板，消声效果在800～1600Hz频率范围内可提高约8dB，该改进设计方案有利于抑制增压器的噪声源峰值。
     进气噪声是增压型发动机的主要噪声源，安装进气柴油机消音器是控制增压器进气噪声的主要措施。国内外对船用排气柴油机消音器研究较多，而对进气柴油机消音器的设计和研究相对较少。Lee和DuJiang等模拟分析了柴油机消音器内部的气流流动，通过优化结构设计提高其声学性能。评价柴油机消音器的声学性能指标，通常采用传递损失和插入损失，而预测柴油机消音器的声学性能计算方法包括基于平面波的传递矩阵法、经验公式法、有限元法、边界元法等。船用柴油机消音器内部结构通常较复杂，当频率较高时内部声场为三维，此时采用一位平面波理论分析有一定误差，通常需要采用三维分析方法计算其声学性能。因此，本文采用有限元法开展船用柴油机消音器的声学性能分析，在此基础上提出了改进设计方案。
1建立柴油机消音器有限元模型
     某船用进气柴油机消音器的气流流道数N=6，吸声片外径R1为628mm，内径R2为270mm，间距H为24mm。依据柴油机消音器的结构参数建立其三维模型如图1所示。图1柴油机消音器几何模型柴油机消音器传递损失的计算频率范围受声学网格大小的影响，通常需要一个声波波长内有6个单元。假设声音在某流体介质中传播速度为c，高计算频率为fmax，则计算网格尺寸L需要满足：将建立的几何模型导入AnsysWrokbench软件中进行网格划分。由于柴油机消音器内部结构复杂，采用四面体声学网格，为满足计算频率达到6300Hz，确定其大网格尺寸为5mm。
2柴油机消音器声学性能分析
     将划分好的柴油机消音器网格导入Virtual.lab中进行仿真设置，包括声学网格的定义、流体材料和吸声材料属性的定义。柴油机消音器内流体为空气，入口条件设置为单位振动速度，出口条件设置为无反射边界。求解起始频率取值100Hz，终止频率取值6300Hz，步长设置为50Hz，计算声学响应后可以得到各个频率对应的声压分布，图2所示为1600Hz时柴油机消音器表面的声压分布云图。
图21600Hz时柴油机消音器内部声场分布图
     在出口和入口界面上分别建立一个计算参考点提取声压值，通过下式计算得到柴油机消音器的传递损失：式中：W1和W2分别为柴油机消音器进口和出口处的声功率，LW1和LW2分别为柴油机消音器进口和出口处的声功率级。由于实际工程中声功率难以直接测量，因此一般通过测量柴油机消音器前后某个截面上的平均声压级，再由下式求得：LW1=LP1+10lgS1，LW2=LP2+10lgS2。(3)(4)式中：LP1和LP2分别为柴油机消音器进口和出口处的平均声压级；S1和S2分别为柴油机消音器进口和出口处的截面积，m2。柴油机消音器的传递损失计算结果如图3所示。
图3柴油机消音器的传递损失频域分布图
     柴油机消音器在100～1000Hz低频率范围内的消声效果较小，平均消声量约12dB。在1600～6300Hz频率范围内的消声效果明显，平均消声量达到25dB左右，峰值分布在2000Hz。
3传递损失实验验证
     为验证所建立柴油机消音器有限元计算模型的正确性，在消音室开展了传递损失实验，实验装置如图4～图5所示。将B&K4292无指向性声源置于10mm厚的圆柱管道内，模拟入射平面波的声源。在管道外侧包裹隔声阻尼板防止管道内的声泄漏。2个B&K4187传声器分别布置在柴油机消音器入口和出口处，以分别测出入口声压级LP1及出口声压级LP2。根据式（2）～式（4）可得到柴油机消音器的传递损失。
图4实验现场图
图5实验装置示意图
图6为柴油机消音器从入口到出口表面的传递损失计算结果。由图6可以看出传递损失的仿真与实验结果趋势基本一致，在大部分频率处的计算误差在3dB以内。
因此验证了本文建立的柴油机消音器有限元模型的正确性。
图6柴油机消音器的传递损失对比
4消音性能影响因素分析及改进设计
     由于增压器进气口噪声源的声压级峰值主要集中在1～5kHz频率范围内[11]，对该频段范围内的噪声进行有效降噪处理，是降低增压器进气口噪声源的关键。为分析柴油机消音器的消音性能影响因素，开展了如表1
所示的3种改进方案对比研究。
调整吸声片间距 增大2mm、减小2mm、减小4mm
调整吸声片外径 增加40mm、增加80mm、减少40mm
     在吸声材料表面添加穿孔板穿孔板厚0.8mm，孔径0.4mm，孔距2mm调整吸声片间距时柴油机消音器的传递损失对比如图7所示。当吸声片间距减小时，由于气流通道面积减小，柴油机消音器的传递损失增加，吸声片间距每减小2mm，柴油机消音器的传递损失增加约2.5dB。所以在保证进气气流流量的情况下，适当减小吸声片间距，可以有效提高柴油机消音器的传递损失。
图7吸声片间距对传递损失的影响
     调整吸声材料外径时柴油机消音器的传递损失对比如图8所示。增加吸声材料外径，可增加气流有效吸声长度，柴油机消音器传递损失随之增加，吸声材料外径每增加40mm，柴油机消音器的传递损失在大多数频率范围内增加1~2dB。
图8吸声外径对传递损失的影响
     通常在柴油机消音器设计时，为实现减少流体空气阻力，一般会在柴油机消音器内增加穿孔板，对吸声片两侧增加穿孔板的设计方案如图9所示。由于穿孔板孔径较小，在划分网格时需要局部细化产生大量网格单元，导致计算量过大甚至无法计算。本文采用在穿孔板两侧建立传递导纳的关系[12]，以此模拟穿孔板的声学性能。穿孔板传递导纳计算参数如表2所示，计算得到穿孔板的声阻抗如图10所示。
图9加穿孔板示意图
表2穿孔板的传递导纳计算参数
Tab.2Transferrelationadmittanceparametersofperforatedplate
参数 数值 参数 数值
壁厚l/mm 8×10–1 动力粘度/Pa.s 1.79×10–5
两孔间距d/mm 2 穿孔率/% 3.6
圆孔半径a/mm 2×10–1 判定条件(a/d<0.25) 1×10–1
流体密度/kg·m-3 1.225 修正项△l 1.3×10–4
系数K 9.58×10–1  
     在吸声片两侧增加穿孔板后，对柴油机消音器的传递损失影响对比如图11所示。     在100～4000Hz频率范围内的消声效果比原柴油机消音器略有提高，在800～1600Hz频率范围内的消声效果提高了8dB左右。因此，在不改变柴油机消音器的外形结构尺寸情况下，优先选择在吸声片两侧增加穿孔板的设计方案，可对船用进气柴油机消音器达到更加明显的消声效果。
     采用有限元法分析了某船用柴油机消音器声学性能的因素影响，并探讨了柴油机消音器的改进设计方案，得到以下结论：
     当吸声片间距减小时，由于气流通道面积减小，柴油机消音器的传递损失增加；吸声片间距每减小2mm，柴油机消音器的传递损失增加约2.5dB。吸声材料外径每增加40mm，柴油机消音器的传递损失在大多数频率范围内可增加1~2dB。在吸声片两侧增加穿孔板对中频段的消声效果明显提高，在800～1600Hz频率范围内的消声效果可提高8dB左右。