在船舶动力装置系统中．通海管路系统通常采取加装水消声器的方法来抑制系统中的泵、阀门以及弯头等所产生的流体噪声，使其不随海水的吸人和排出从海底门辐射出去。在设计制造海水管路消声器的过程中需要计算选定结构消声器的声学性能。以往多采用传递矩阵、特征线法等在频域或时域进行计算。现在多采用商业声学软件如SYSNOISE 等，用有限元或边界元法进行计算。
SYSNOISE软件是基于直接和间接边界元方法，或者声学有限元/无限元的声学方程对声场进行计算分析。本文根据有限元方法以及SYSNOISE软件的基本特点，将其应用于消声器的声学性能研究中。SYSNOISE的前处理功能并不十分完整，但是它与其它几乎所有的著名的有限元软件有界面程序连接，这些软件包括：ANSYS, IDEASMSC/NASTRAN, SC/PATRANLMSCADA−X, Hypermesh,ABAQUS, Pro/MECHANICA,FemGV，SYSTUS,StarCD等。SYSNOISE不仅可以从这些软件读取模型数据，并且可以从这些软件读取模态、表面振动速度等。在SYSNOISE前处理中，能够自动检查所建立的模型是否与所选的计算方法相匹配。SYSNOSISE有强大的集成后处理功能，后处理可以画彩图、矢量场、变形后的结构、以及XY图线、柱状图、声功率、灵敏度和极坐标图，还包括动画显示和声音回放等。
1. 理想流体介质中声场的基本规律
理想流体介质中的声场由标量声压和矢量质点振速来描述。在介质静态、均匀、无损耗假设下，理想连续介质声场的基本规律可用以下几个方程式表示：
2. 消声器传递损失 TL 的计算
消声器的传递损失只与本体结构有关，而不受源特性和尾管辐射特性的影响，是消声器研究中最常用的性能指标。在消声器进出口满足平面波条件时，传递损失可表示为：
下标1、2 分别代表进口和出口。假设A1、B1 为消声器进口处的入射波和反射波的声压，A2、B2 为出口端的入射波和反射波的声压，则有： p1 = A1 + B1，U1= A1-B1，p2 = A2 + B2，U2=A2-B2。所以当进出口管的面积相等时，可以得到传递损失的表达式如下：
3. SYSNOISE 中单元及插值函数的选择
消声器的外形结构都很规则，如：圆柱形、椭圆柱形等。整个轴向剖面的定义域多为矩形。本文采用矩形单元作为有限元单元。由于其结构成轴向对称，消声器内部的三维声波传播问题就转化为二维声波传播问题。本为主要讨论的就是二维声波传播问题。轴对称消声器的声学空间，如图1 所示。图2 为一矩形环形微单元，其节点的坐标分别为：（x1,y1）, (x2,y2), (x3,y3), (x4,y4)。其中x1=x3；x2=x4; y1=y2; y3=y4。在每个节点上对应的声压分别表示为：P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)、P4(x4,y4)（下标1、2、3、4 为图1 中的节点1、2、3、4）。Pe( x, y )为单元内任意一点坐标(x,y)的声压，其值可用形状函数Ni(i =1, 2,3, 4)和各节点的声压来表示：
4. 利用 SYSNOISE 进行声场分析的过程
SYSNOISE 软件具有较强的声场分析能力。对水消声器的声场分析过程包括3 个主要步骤：
1）利用SYSNOISE-ANSYS 接口将消声器模型导入，在SYSNOISE 前处理程序中进行有限元方法设定，流体特性参数设定，定义进出口并施加边界条件（流速、压力、阻抗）。
2）求解。利用SYSNOISE 求解程序对已经定义分析类型、施加完边界条件的消声器模型进行求解，得出进出口的声压值。
3）利用SYSNOISE 后处理的公式编辑器进行传递损失计算。
5. 用 SYSNOISE 仿真典型水消声器的算例
SYSNOISE 的前处理功能并不十分完整，它没有建模功能。本文采用ANSYS 建立水消声器模型，然后用SYSNOISE-ANSYS 接口，将这些模型导入到SYSNOISE,最后用SYSNOISE 对这些消声器进行声学性能分析。
1）模型类型的选择：数学方法是用有限元法分析结构-声场；
2）模型域的选择：频域，对谐函数分析采用Helmholz 亥姆赫兹方程；
3）模型:耦合——流体模型；
4）声场或者流场：选择腔体，流场区域是有限的或由结构限制的区域；
图 3 为典型的插管式消声器。消声器的总长为700mm，进出口管径为100mm，消声器的外径为350mm。进口插管为总长的1/3，出口插管为总长的1/4。本文对该消声器分别采用理论公式（一维计算）和SYSNOISE软件（三维计算）进行计算，并进行了试验验证。消声器传递损失计算结果如图4 所示。对比可知：仅在低于1500Hz 的频率范围内，一维计算结果与试验值较为吻合，高于1500Hz 时一维的计算结果与试验值相差极大，无法反映实际结构的消声性能；而全频率范围内三维计算结果与试验结果都较为吻合，这证明采用三维数值计算方法进行声学性能预测的可靠性是很好的。
图 4 膨胀腔的传递损失结果比较
6. 小结
本文讲述了理想介质中声场的基本规律，建立了以有限元为基础的声波传播模型。最后联合利用四端网络参数法计算消声器的传递损失，将一维平面波理论结果和三维数值计算结果以及实验结果进行了对比，验证了利用声学有限元法预测消声器内部声场特性的可靠性。SYSNOIS 分析计算求解出的消声器声场分布能较直观地反映出消声器内部各点声压随频率变化的关系。在预测消声器声学性能方面有很好的效果。有限元对理论研究多种形式的消声器提供了一种非常有效的方法。
|
