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工业消声器的声学性能CAE建模与仿真
Soohong Jeon1，Daehwan Kim1，Chinsuk Hong2和Weuibong Jeong3
1韩国釜山釜山国立大学机械工程研究所
2韩国蔚山蔚山学院机械工程学院
3釜山国立大学机械工程学院，韩国釜山
摘要：本文研究了船舶广泛使用的工业消声器的噪声传播性能基于CAE建模和仿真。 由于工业消音器内部结构非常复杂，常规的传输矩阵法（TMM）的使用有限。 因此，CAE建模和仿真需要结合商业软件：用于几何建模的CATIA，用于FE网格的MSC / PATRAN和LMS /SYSNOISE进行分析。本研究的主要困难来源于复杂的无功元素安排，穿孔墙和吸收材料。 反应元素和吸收材料由模型化应用阻抗给出的边界条件。 通过应用传递阻抗来对穿孔壁进行建模在重复的节点网格上。本文提出的CAE方法通过与理论比较来验证同心管谐振器的解决方案，适用于工业消声器。
关键词：传输损耗; 工业消音器; 转账准入 声学有限元法 声学性能。
介绍:
消声器用于工业应用，以减少噪音。它们通常具有反应元素，穿孔壁和吸收材料。无功元件由于突然的膨胀和收缩而导致传输损失扩展的入口和出口导致阻抗失配。穿孔墙壁也是一种反应性元件产生阻抗失配。另一方面，吸收材料导致由于能量导致的传输损失吸收同时传播声波。
有几种评估传输损耗的方法主要是基于传输矩阵法（TMM），声学有限元法（FEM）和声学边界元法（BEM）（Bilawchuk和Fyfe，2003）。Munjal（1975）导出了具有平均流量的各种消音器元件的转移矩阵。Gerges等人 （2005）比较从膨胀室的TMM获得的数值预测的实验结果。但是，TMM只能用于具有简单的膨胀室和同心反应元件的简单消声器。常规的因此，用于评估工业消声器的传输损耗的TMM因其使用非常复杂而受到限制内部反应结构。Dude和Sajanpawar（2007）研究了具有穿孔壁和反应性的各种消声器元素使用FEM。 Soenark和Seybert（2000）研究了使用多孔壁实现的同心管谐振器多域BEM。Ju和Lee（2005）计算了复杂三维消音器的传输损耗使用多域BEM。基于FEM和BEM的CAE方法可应用于复杂的工业消声器。然而，复杂消声器的建模尚未得到充分证明。
在本文中，工业消声器的反应元件和穿孔壁的建模技术是使用商业软件MSC / PATRAN详细展示。然后计算消声器的传输损耗使用LMS / SYSNOISE的声学FEM能力。
工业消声器
大多数工业消音器具有反应元件，穿孔壁和吸收材料以减少噪音传输。反应元件可以是膨胀和收缩，扩展的入口和出口以及各种类型的挡板。因此，典型的工业消音器可以如图1所示。它有扩展的入口和出口，穿孔的墙壁和三个隔间由隔板隔开。吸收材料被施加在工业消声器的边界上。
在这种情况下，扩展的入口和出口以及挡板是反应性元件。穿孔墙可以建模为CAE模型的边界条件。它们可以用CAE模型中的边界条件建模。边界条件吸收材料由表面阻抗给出，该阻抗可以基于双麦克风来测量或计算在附录A中简要解释的方法。这种情况下的吸收材料是玻璃棉。边界在这种情况下，反应性壁的扩展入口和出口和挡板的条件由无限阻抗给出
通过创建边界面。穿孔墙的边界条件可以通过转移来定义阻抗。传输阻抗可以用Sullivan和Crocker（1978）提出的实验公式进行评估。该公式基于几何参数，例如孔隙率，壁的厚度和孔的直径。的在这种情况下，穿孔壁具有10％的孔隙率，8mm的孔直径和2mm的厚度。
CAE建模
吸收材料
吸收材料可以用工业消声器的边界上的表面阻抗Za替代，使用双麦克风方法，如附录A所示。数值模型的配置与吸收材料的实验模型和表面阻抗通过双麦克风方法计算，如附录B.然后可以将吸收材料替换为表面阻抗。这种方法的有效性显示在附图B.假设吸收材料仅覆盖工业消声器的边界，如图1所示。因此，通过使用双麦克风方法计算的表面阻抗可以简单地施加在该边界上工业消声器 在使用PATRAN完成FE建模过程之后，与吸收材料接触的面是在SYSNOISE中选择。 然后将表面阻抗施加在所选择的面上。
活性元素
工业消声器的反应元件被认为是刚性壁。这意味着反应元件有声学无限阻抗。为了给反应刚性壁提供无限阻抗边界条件，两面是使用CATIA在几何建模中创建。两个面之间的距离与反应刚性的厚度相同壁。声学FEM中的表面默认为无限阻抗。 这意味着没有必要强加边界情况以一种单独的方式面对面。因此，反应性刚性壁由分离的两个面建模，如图2所示。是的注意到在这种情况下，刚性墙壁上的两个面上的节点不需要匹配。流体域被分离反应壁可独立制作网眼。
穿孔墙
穿孔墙用两面建模，如图3所示。具有转移导纳关系（LMS.SYSNOISErev 5.6，2003a）：
其中vn1和p1分别是第一面上的正常速度和节点处的压力，vn2和p2分别是第二面上的对应节点。式中beta;表示的转移导纳（1）可以通过转让获得由Sullivan和Crocker（1978）给出的零平均流量的阻抗，这取决于孔尺寸，孔隙率，壁面厚度（Munjal，1987）。电阻对于线性情况是恒定的，并且近似为R = 2.4kgm-2s-1和电抗也可以近似为X =rho;ck（t 0.75d）。因此，具体的声阻抗由Sullivan和Crocker撰写（1978）;
其中rho;是空气的密度，c是声音的速度，k是波数，t是壁的厚度，d是孔尺寸sigma;是孔隙度。 注意，转移导纳由...定义;
并且也可以表示为穿孔壁上的压差Delta;p除以平均粒子速度v，即，
转移导纳beta;可以最终获得为Zp的倒数：
现在我们演示建模过程，同时利用分析软件，例如LMS.SYSNOISE。使用这个概念
的方程式给出的转移导纳 （5）中，穿孔表面应用上述两面进行建模。
在实践中通过穿孔彼此连接的两个声域首先用两个分开的模型区域，并且穿孔表面然后被指定为第一面和第二面，如图3所示。 最终分配两面之间的转移导纳关系。假设在表面上均匀穿孔，如图3（a）所示，可以通过穿孔给出转移导纳beta;。要注意的是，每个面上的这对节点应该是在这种情况下，与表面厚度的间隙放置在相同的跨度位置。否则的模型穿孔工作不正确，或包含数字致命错误。在LMS.SYSNOISE中使用节点复制过程可以创建两个面来施加穿孔壁的边界条件。一旦节点重复完成，创建内部自由面，如图4所示。然后通过转移导纳关系将自由面连接起来。自从节点重复意味着在原始节点的相同位置创建新节点（LMS.SYSNOISE rev 5.6,2003b），每个脸部上的节点对自动匹配。
然而，由于困难，节点复制过程不能容易地执行三维问题选择要重复的内部节点。 为了有效解决三维复杂几何的困难，本文提出以下步骤。
为了匹配两个面上的节点对，工业消声器的整体几何形状首先必须分组在一起。其次，需要额外的2D元素来放置在两个面上以有效地遮住面上的节点。三，3D然后基于面上的2D元素的节点创建元素。在这些过程之后，3D元素必须是重新编号为脸部创作。从重新编号过程可以知道和识别3D元素编号。最后，SYSNOISE使用2D元素的标识号创建面部。这个过程很容易实现SYSNOISE使用SYSNOISE命令语言（SCL）。
对于同心四分之一圆柱体的简单情况，解释节点匹配和重新编号的过程。的同心四分之一圆柱体和组如图5（a）所示，首先对两个固体进行分组，以容易地创建四边形固体的每个面上的2D元素如图 5（b）所示，第二次对每个固体进行FE网格划分。后创建具有与四边形2D元素的节点相同位置的四面体3D元素如图5（c）所示，在声学分析之前，必须删除四边形2D元素。固体元素与现在可以重新编号由均匀表面元件创建的面以创建传递阻抗关系的面。的内四分之一圆柱体的实心元件从元件编号1000重新编号，外部元件由元件完成
数字2000. FE模型在SYSNOISE中导入，创建任意面组。该集合被提取并写入SYSNOISE日志文件。在日志文件中，需要知道传输阻抗关系的面数随后写入用户重新编号的元素号，如图6（a）所示，元素编号是已知值，然后可以知道面数。脸部号码再次写入SCL，如图 6（b）所示，通过读取SCL文件，可以独立获得面部集合，如图7所示。最后，独立选择两个面
通过SCL，然后通过传输阻抗关系连接。
模拟
同心管谐振器型号
为了与Sullivan和Crocker（1978）的数值和实验结果进行比较，在图1所示的工业消声器的模拟之前考虑同心管谐振器。测试的尺寸模型如图8（a）所示，和用于比较分析的有限元模型如图8（b）所示，流量这个分析为零。消声器由有限元模型的两个领域建模，用于穿孔墙的建模如图所示在CAE建模部分。穿孔壁的孔径为2.49mm，穿孔壁的孔径为0.81毫米。 多孔壁的孔隙率为3.8％。从同心管谐振器的孔隙度和尺寸来看，计算转移导纳矩阵。
其中[M]是质量矩阵，[K]是刚度矩阵，[C]是阻尼矩阵，{F}是力矢量，k0是波
数，rho;0是空气的密度。
为了计算传输损耗，在入口和出口施加边界条件。正常给入口的谐波幅度为1 m / s的速度。给出了非反射边界的阻抗出口。出口的阻抗与空气的阻抗相同。
Sullivan和Crocker（1978）用于同心管谐振器的传输损耗如图9（a）所示，及声学测试模型如图 9（b）所示。同心管谐振器的传输损耗与沙利文和克鲁克的结果如图9所示。
CAE建模部分所示的吸收材料如图所示安装在外管的内壁在图 10（a）中，用于该模型的吸收材料的厚度为0.01mu;m。 使用表面阻抗计算数字双麦克风方法如图16所示。 这个分析没有平均流量。图19（a）吸音系数和（b）通过数字两个麦克风方法估计的声阻抗。 在SYSNOISE，表面阻抗用于消声器的吸收壁的边界条件，如图10（b）所示，图11显示同心管谐振器与吸收材料的传输损耗。 因此，吸收材料导致a较高的传输损耗和轻微的转移到较低的频率。 因此CAE建模过程被验证适用用于具有吸收材料的工业消音器，反应元件和穿孔壁。
工业消声器型号
用于分析的工业消声器模型如图12所示。传输阻抗关系的选定面是如图12（a）所示，穿孔墙被建模如图1所示。表面阻抗边界条件为施加在消声器的边界上，如INDUSTRIAL MUFFLER部分所示。
工业消声器型号的最大长度为0.01米。 可靠的频率范围由以下等式计算（LMS.SYSNOISE rev 5.6,2003c）。
其中fmax是合理精度的最大频率，c是声速，lmax是最大长度元素。工业消声器型号的最大频率为5,667Hz，该型号的网眼尺寸合理。
为了评估元件尺寸的收敛性，将本文中使用的工业消声器模型进行了比较具有如图13所示的元件尺寸为0.005mu;m的另一种模型。在这种比较中，不考虑吸收材料。从传输损失的比较来看，两种情况的结果有很好的一致性。它显示使用的元素大小是推荐 利用表面阻抗边界条件，计算工业消声器的传输损耗对于这两种情况。 在第一种情况下不考虑吸收材料。 在第二种情况下，吸收材料是考虑了 两种情况的传输损耗如图14所示。
没有吸收材料的工业消音器的传输损耗用图14中的实线表示。由于分隔的室和穿孔壁，传输损耗具有高的水平。有一个主要的高峰在峰值频率之上出现500Hz和更高阶的声学模式。它显示了合理的功能具有室和穿孔壁的工业消音器的传输损耗。图中的虚线。图14示出了传输用吸收材料损失工业消音器。当吸收材料应用于工业消声器时，传输损耗增加，频谱转移到较低频率。
结论
已经建立了对吸收材料，反应元件和穿孔壁进行建模的技术然后申请工业消音器。吸收材料被模型化为由给出的阻抗边界条件数字双麦克风法。计算出的表面阻抗被施加在工业的吸收边界上围巾。假设反应元件是刚性壁，并施加无限阻抗。穿孔墙使用转移导纳关系建模。 SYSNOISE日志文件和SCL文件用于自动创建转账准入关系。为了验证建立的数值模拟过程，进行了模拟测量的传输损耗可用的同心管谐振器。传输损耗的数值和实验结果相当匹配。基于这些工艺，可以对复杂的工业消声器进行建模和仿真可以更有效地预测声学性能。
参考文献
ASTM International, 1998. ASTM E1050 Standard test method for impedance and absorption of acoustical materials using a
tube, two microphones, and a digital frequency analysis syste
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