矩阵式消声器低频再生噪声仿真

张昊

摘 要：以矩阵式消声器为研究对象，通过流体及声学有限元分析，计算出矩阵式消声器再生噪声，评估再生噪声对矩阵式消声器声学性能影响。

关键词：矩阵式消声器;再生噪声;有限元

1引言

矩阵式消声器是利用截面为方形、长度沿气流方布置的消声元件矩阵排布组成的消声器，近年来逐步开始在地铁车站、航机试车台、燃机试验台等场所广泛使用。在矩阵式消声器使用中，消声器内气体流动产生的再生噪声，降低消声器的降噪效果。随着国内对于包含次声在内的低频噪声日益关注，矩阵式消声器低频再生噪声的影响值得重视。

2仿真方法

本文采用有限元法对矩阵式消声器低频再生噪声进行。消声器再生噪声属于气动噪声，对再生噪聲进行预测需要计算消声器内部气体流动状态，利用气体流动状态计算声源进而获得再生噪声。

仿真步骤如下：1.在矩阵式消声器模型基础上建立流场与声场模型并网格化。2.利用有限元软件FLUENT软件对进行流场计算获得矩阵式消声器稳态流场与瞬态流场。3.在瞬态流场仿真数据基础上，利用FW-H方程，提取再生噪声声源。4.在声场有限元网格中计算再生噪声。

3流场计算

本文仿真模型采用2×2形式的矩阵式消声器，具体信息如下：1.单个矩阵元件尺寸100mm× 100mm×500mm。2.矩阵元件有尾椎，尾椎长度45mm。3.矩阵式消声器截面尺寸为300mm× 300mm，堵塞比约45%。4.各元件间距为50mm。

仿真模型对矩阵式消声器进行了简化，只保留为消声器主体的矩阵元件，不考虑矩阵式消声器安装件、限位件影响。

在矩阵式消声器模型基础上创建流场模型。流场分为外部流场、消声器流场与尾流区。外部流场为图1中左侧方形区域，尺寸为400mm× 400mm×100mm，模拟消声器大气环境;尾流区用于计算经过消声器之后的尾流区域，长度500mm。

对模型进行网格化，全局网格最大尺度不超过50mm，并在消声器入口区域进行网格加密，这些区域网格最大尺度不超过25mm。消声器表面处设置7层边界层网格，第一层边界层网格厚度0.035mm。

利用FLUENT软件进行计算。外部流场区域表面设置为入口，设置入口压力为1个大气压。出口设置为流速为5m/s的速度出口。由于通过消声器时气流的扰动与边界层噪声产生与边界层密切相关，流场稳态计算采用湍流模型为k-ω模型。压力和速度耦合选用SIMPLEC法。为保证声场计算准确性，流场瞬态的计算采用大涡模拟（LES）。

4再生噪声计算

将消声器流场区域作为声源区域，并在声源区域外建立声传播区，声传播区最外侧面网格设为无限远场。为保证声学计算准确性，声场网格最大尺度不超过68mm。

FLUENT中得到瞬态结果作映射到声学计算网格，利用FE-H方程计算得到矩阵式消声器再生噪声源。以此为激励计算辐射声功率频谱曲线。

在5m/s流速下，矩阵式消声器再生噪声在20～500Hz总辐射声率级58.8dB，且在各频带上分布不均匀，声能量几种在几个频带。

5结论

对于矩阵式消声器，在500Hz以下频段，总体再生噪声声功率级较低，对矩阵式消声器降噪效果影响比较有限。但由于再生噪声主要声能量几种在几个较窄频段，这些频段矩阵式消声器降噪效果任受到一定影响。

参考文献

[1]王博.浅谈组合式消声器选型[J].建筑工程技术与设计，2017（11）：5458-5458.

[2]刘丽萍，肖福明，陶莉莉.消声器结构对气流再生噪声的影响[J].农业机械学报，2005，36（4）：48-50.