穿孔插入管消声器

为了更加深入的研究穿孔插入管消声器的声学特性，本节选取五组消声器结构，基于二维传递矩阵法来分析结构参数的变化对消声器声学性能的影响。其中不变的参数包括腔体的直径D=90mm，穿孔直径hd=3mm，穿孔深度ht=2mm，腔体长度L=90mm。考虑影响参数有进出口管道半径r1和r2，插入管长度li，穿孔插入管长度lm和穿孔率σ，具体参数取值在表6-1中列出，每组结构都各自有一个在区间内变化的参数，并有共30个均匀分布间隔的数据点。表达方式［M∶N］表示该参数变化区间下限为M，上限为N。计算过程中频率间隔为10Hz。声学性能通过0～4000Hz内的三种传递损失目标来表现：第一个共振峰值频率（目标A）；最高峰幅值（目标B）和传递损失超过常用声学性能标准20dB的频带宽度。

表6-1 五组穿孔插入管消声器结构参数

1.进口插入管和穿孔管长度的影响

通过计算第一组消声器的传递损失，图6-28显示了插入管长度对3个声学目标的影响。当插入管长度从5mm升高到50mm时，第一共振峰频率逐渐向低频移动，频率差达到了1700Hz。原因在于，插入管可以看作为一个四分之一波长管单元，其共振频率是随着管道的长度增加而降低的。最高峰幅值和消声频带范围开始均有降低，当插入管长度达到20mm时，这两个声学目标分别达到最低的35dB和100Hz。这是由于进口管共振频率的移动使得该峰值从整个扩张腔基础传递损失峰值处移到了传递损失谷值处。随后，这两个声学目标值开始增加，因为进口管共振峰开始由扩张腔传递损失谷值移向另外一个峰值。当插入管长度超过40mm时，消声频带范围迅速提升到680Hz并且稳定在一个较高的区间，而最高峰幅值基本保持不变。这时由于对于四分之一波长管来说，两个共振峰的频率间距随着管道长度的增加而缩小。所以，消声器传递损失会出现更多的峰值叠加，如图6-29所示。穿孔插入管和插入管有相似的结构特征，所以当穿孔插入管长度增加时，3个声学目标和后者有着相近的变化趋势。然而，从图6-30可以看出，尽管长度变化相同，由于穿孔的存在，第一个峰值频率只降低了850Hz。

图6-28 插入管长度的影响

图6-29 不同插入管长度消声器的传递损失

图6-30 穿孔插入管长度的影响

2.穿孔率的影响

通过第三组消声器的计算可以得到穿孔率对消声器声学特性的影响。如图6-31所示，显然，当穿孔率升高时，第一共振峰值频率向高频移动。当穿孔率增加到10%时，最高峰幅值降低了4dB，几乎可以忽略，但消声频率范围增加了200Hz。这是因为，穿孔单元可以看作是一种赫姆霍兹消声器。穿孔可以看作为管颈，连接着内管和外部共振腔。所以，随着管颈区域面积随着穿孔率的提高而增加，共振频率也随之升高。穿孔部分的传递损失共振峰与膨胀腔的基本峰值叠加，使得消声频率范围有所增加，如图6-32所示。当穿孔率超过10%时，最高峰幅值继续缓缓下降，而消声频带宽度保持不变。实际上，降低插入管的长度能够得到类似的结果。但是，实用穿孔管可以有效地降低消声器的压力损失，这使得穿孔插入管消声器可以成为插入管消声器的替代品。通过合理设计穿孔率，可以实现非常优越的声学性能，尤其是在中高频范围内。

图6-31 穿孔率的影响

图6-32 不同穿孔率消声器的传递损失

3.进出口管道半径的影响

对于穿孔插入管消声器，进口管和出口管的直径是不相关的，所以在设计过程中可以分别进行调整。图6-33和图6-34分别显示了进口管和出口管半径的改变对传递损失的影响。改变半径对第一峰值频率几乎没有影响，然而当半径降低时，最高传递损失幅值有所升高，并且消声频带范围也明显变宽。实际上，这种结果类似于简单扩张消声器，降低进出口的半径会提高膨胀比，进而导致更高的传递损失幅值和更宽的消声频带。共振峰频率几乎不移动是因为其只受腔体长度的影响。同样值得注意的是，改变进口管半径对目标B和目标C的影响更大。主要原因在于穿孔管是连接在进口管上的，所以降低进口管半径会为穿孔区域提供更大的共振腔容积，同样会提高声学性能。这种消声器的特点可以在多腔消声器的设计中考虑在内。

图6-33 进口管半径的影响

图6-34 出口管半径的影响

由于插入管消声器和穿孔插入管消声器具有相似的结构特征，所以下面对这两种结构进行声学性能对比，从而得到两者的区别和优势。同样考虑两种情况，声学长腔和声学短腔，腔体长度分别为L=150mm和L=35mm。

首先是声学长腔型消声器，腔体的外径D=90mm，内管径d=45mm，穿孔直径hd=3mm，穿孔深度ht=2mm，穿孔率σ=5%。为了区分两者参数表示，插入管消声器的参数下标为e，穿孔插入管消声器的参数下标为p。图6-35—图6-37为声学长腔型不同结构参数的消声器传递损失对比。

图6-35 =100mm，=50mm，=0mm；=0mm，=100mm，=50mm

图6-36 =50mm，=100mm，=0mm；=50mm=50mm=50mm

由图6-35可以看出，将插入管换成穿孔插入管之后，消声器的低频峰值消失，但其中频范围内出现较多峰值，相比插入管消声器，峰值频率间隔变得更加密集，中频段的声学性能得到了提升。图6-36是在原本的插入管基础上增加一定长度的穿孔插入管，这使得传递损失第一个峰值频率向左移动一定距离。此外，在中频段2500～3500Hz范围内会额外出现一个传递损失峰值。调节插入管消声器插入管长度使得其传递损失第一个峰值与穿孔插入管传递损失第一个峰值对应，如图6-37所示，可以看到，两者传递损失第一个峰值一致的同时，穿孔插入管消声器在中高频范围内有更多的峰值出现，因此可以认为，对于声学长腔型消声器来说，穿孔插入管的引入可以在保证低频声学性能的同时，一定程度上提高消声器的中高频消声性能，所以这种结构在汽车排气系统消声器中常常被使用。然而，涡轮增压进气系统所用的消声器体积和长度较小，属于声学短腔型，所以，还需要考虑这两种结构在声学短腔情况下的声学性能关系。除了消声器腔体长度L为35mm以外，其他不变参数与上述长腔消声器相同。图6-38为声学短腔型不同结构参数的消声器传递损失对比。

图6-37 =70mm，=80mm，=0mm；=50mm，=50mm，=50mm

图6-38 声学短腔传递损失结果

短腔消声器的传递损失只有一个峰值，可以看出，将插入管换成穿孔插入管之后，峰值频率向高频移动。在插入管基础上添加穿孔插入管，使得传递损失的峰值频率向低频移动。因此，在短腔消声器中穿孔插入管主要作用是改变传递损失峰值频率而并不能提升消声性能。单独改变插入管长度也可以实现相同的效果，调整插入管长度使得其插入管消声器传递损失与穿孔插入管消声器传递损失基本吻合。所以，对于短腔消声器来说，考虑到消声器设计和加工复杂度，一般采用单边插入管消声器单元而不采用穿孔插入管单元。