汽车排气阶次噪声与气流噪声分析与控制

排气消声器内部产生的气流噪声是尾管辐射噪声的重要来源。对于排气消声器气流噪声的研究，有国外学者采用经验模型去预测消声器内部结构产生的流噪声大小[79]。但是经验模型往往难以揭示流噪声产生的过程和机理，而且预测的局限性较大，仅能根据经验去尝试新的结构形式，带有相当大的盲目性，难以有效指导降低流噪声的新型结构形式的开发与设计。因而另外很多学者从另一种思路出发，选取抗性消声器中最常用也是最基本的结构形式，即简单膨胀腔，进行气流噪声的产生过程和机理的研究，以期有效控制气流噪声。无流情况下，膨胀腔通过扩张以及收缩截面造成阻抗失配从而达到消声目的；而在有流情况下，腔内的扩张与收缩结构会使得腔内流动产生扰动形成湍流，从而使膨胀腔的声学特性发生变化，如图1.10所示。

图1.10　膨胀腔结构示意

腔内的湍流会引发气动噪声，当气流马赫数升高到一定程度时，膨胀腔不再是消声器，而成了发声器。膨胀腔的声学特性可以用式（1.6）[80]来描述。

T+，T-——正向和反向的透射系数；

R+，R-——正向和反向的反射系数；

获取气流噪声声源的大小与分布，是膨胀腔气流噪声分析的关键。Davies等[11]采用声能量流的测试方法，在膨胀腔上下游管道以及腔体上布置传感器进行测量，分析出了膨胀腔内部的流噪声声源位置、频率特征与腔体几何形状之间的关系。Desantes[81]采用k-ε湍流模型计算了直管喷射、收缩截面以及膨胀腔内部的湍动能分布情况，并用低噪声冷流试验台测量了以上三种结构的尾管辐射噪声强度。然后推导了近似公式对试验结果进行拟合，并根据拟合公式的幂次分析了三种结构的流噪声声源的类型。Taskashi[82]采用信号相关分析的方法，通过试验测量得到膨胀腔内流噪声声源产生的具体位置，并与试验拍摄得到的腔体内可视化流场进行了相互印证。Roeck等[80]采用两端参数法对试验测试数据进行处理和分析，得到了膨胀腔内部流噪声的特性。Emmet等[83]采用相关能量流分析的方法，对不同腔体长度在不同流速下的管内声强度进行测量，得到了膨胀腔内气流涡模态与流速以及腔体长度之间的关系。(www.xing528.com)

以上研究多采用试验方法，虽然能获取流噪声的大小、噪声源的位置以及类型，但是难以直观描述膨胀腔内部流噪声产生的过程和机理，因而难以对流噪声的控制提供指导。近年来，流体及声学数值仿真方法得到快速发展，被广泛用来预测流场及声场的形成过程及分布，揭示流体及声学的相互作用机理。Gustavo[84]采用二维大涡模拟方法对膨胀腔内部的流场进行了仿真分析，仿真结果展现了流体和声音的相互作用，仿真得到的共振峰处的声压级与试验结果吻合良好。但是由于是二维流体仿真，并不能得到宽频带的流噪声声压级结果。同时，二维流体仿真结果不能提取出气流噪声声源分布和大小，无法直观展示气流噪声在腔体内的传播过程。因而二维仿真结果也难以对气流噪声的抑制进行有效指导。要分析解决膨胀内部气流噪声问题，应当从三维瞬态流声混合仿真出发，但目前相关研究相对较少。