在船舶動力裝置系統中．通海管路系統通常采取加裝水消聲器的方法來抑制系統中的泵、閥門以及彎頭等所產生的流體噪聲，使其不隨海水的吸人和排出從海底門輻射出去。在設計制造海水管路消聲器的過程中需要計算選定結構消聲器的聲學性能。以往多采用傳遞矩陣、特征線法等在頻域或時域進行計算。現在多采用商業聲學軟件如SYSNOISE等，用有限元或邊界元法進行計算。
SYSNOISE軟件是基于直接和間接邊界元方法，或者聲學有限元/無限元的聲學方程對聲場進行計算分析。本文根據有限元方法以及SYSNOISE軟件的基本特點，將其應用于消聲器的聲學性能研究中。SYSNOISE的前處理功能并不十分完整，但是它與其它幾乎所有的著名的有限元軟件有界面程序連接，這些軟件包括：ANSYS，IDEASMSC/NASTRAN，SC/PATRANLMSCADA-X，Hypermesh，ABAQUS，Pro/MECHANICA，FemGV，SYSTUS，StarCD等。SYSNOISE不僅可以從這些軟件讀取模型數據，并且可以從這些軟件讀取模態、表面振動速度等。在SYSNOISE前處理中，能夠自動檢查所建立的模型是否與所選的計算方法相匹配。SYSNOSISE有強大的集成后處理功能，后處理可以畫彩圖、矢量場、變形后的結構、以及XY圖線、柱狀圖、聲功率、靈敏度和極坐標圖，還包括動畫顯示和聲音回放等。
1 理想流體介質中聲場的基本規律
理想流體介質中的聲場由標量聲壓和矢量質點振速來描述。在介質靜態、均勻、無損耗假設下，理想連續介質聲場的基本規律可用以下幾個方程式表示：
公式1：理想連續介質聲場的基本規律
2 消聲器傳遞損失TL的計算
消聲器的傳遞損失只與本體結構有關，而不受源特性和尾管輻射特性的影響，是消聲器研究中最常用的性能指標。在消聲器進出口滿足平面波條件時，傳遞損失可表示為：
公式2：傳遞損失
3 SYSNOISE中單元及插值函數的選擇
消聲器的外形結構都很規則，如：圓柱形、橢圓柱形等。整個軸向剖面的定義域多為矩形。本文采用矩形單元作為有限元單元。由于其結構成軸向對稱，消聲器內部的三維聲波傳播問題就轉化為二維聲波傳播問題。本為主要討論的就是二維聲波傳播問題。軸對稱消聲器的聲學空間，如圖1所示。圖2為一矩形環形微單元，其節點的坐標分別為：（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），其中x1=x3，x2=x4，y1=y2，y3=y4。
在每個節點上對應的聲壓分別表示為：P1（x1，y1），P2（x2，y2），P3（x3，y3），P4（x4，y4）。（下標1、2、3、4為圖1中的節點1、2、3、4），Pe（x，y）為單元內任意一點坐標（x，y）的聲壓，其值可用形狀函數Ni（i=1，2，3，4）和各節點的聲壓表示：Pe（x，y）=N1P1+N2P2+N3P3+N4P4，寫成矩陣形式為：Pe（x，y）=[N]｛P｝T e
其中[N]=[N1 N2 N3 N4]，｛P｝e=[P1 P2 P3 P4]e。
同樣對應于聲壓的實部和虛部有：Pre（x，y）=[N]｛Pr｝T e，Pie（x，y）=[N]｛Pi｝T e。
圖1 軸對稱消聲器空間示意圖
圖2 環形微單元
圖3 插管式消聲器結構圖
其中：｛Pr｝e=[P1r P2r P3r P4r]e，｛Pi｝e=[P1i P2i P3i P4i]。
上述各式中：
Ni=1/4[1+（（x-le）/a）*（（xi-le）/a）][1+（（y-he）/b）*（（yi-he）/b）]（i=1，2，3，4）。
矩形單元x，y方向的形心坐標：le=（x1+x2）/2，he=（y2+y3）/2。
矩形單元x，y方向的半邊長：a=（x2-x1）/2，b=（y3-y2）/2。
4 利用SYSNOISE進行聲場分析的過程
SYSNOISE軟件具有較強的聲場分析能力。對水消聲器的聲場分析過程包括3個主要步驟：
1）利用SYSNOISE-ANSYS接口將消聲器模型導入，在SYSNOISE前處理程序中進行有限元方法設定，流體特性參數設定，定義進出口并施加邊界條件（流速、壓力、阻抗）。
2）求解。利用SYSNOISE求解程序對已經定義分析類型、施加完邊界條件的消聲器模型進行求解，得出進出口的聲壓值。
3）利用SYSNOISE后處理的公式編輯器進行傳遞損失計算。
5 用SYSNOISE仿真典型水消聲器的算例
SYSNOISE的前處理功能并不十分完整，它沒有建模功能。本文采用ANSYS建立水消聲器模型，然后用SYSNOISE-ANSYS接口，將這些模型導入到SYSNOISE，最后用SYSNOISE對這些消聲器進行聲學性能分析。
1）模型類型的選擇：數學方法是用有限元法分析結構-聲場；
2）模型域的選擇：頻域，對諧函數分析采用Helmholz亥姆赫茲方程；
3）模型：耦合——流體模型；
4）聲場或者流場：選擇腔體，流場區域是有限的或由結構限制的區域；
圖3為典型的插管式消聲器。消聲器的總長為700mm，進出口管徑為100mm，消聲器的外徑為350mm。進口插管為總長的1/3，出口插管為總長的1/4。本文對該消聲器分別采用理論公式（一維計算）和SYSNOISE軟件（三維計算）進行計算，并進行了試驗驗證。消聲器傳遞損失計算結果如圖4所示。對比可知：僅在低于1500Hz的頻率范圍內，一維計算結果與試驗值較為吻合，高于1500Hz時一維的計算結果與試驗值相差極大，無法反映實際結構的消聲性能；而全頻率范圍內三維計算結果與試驗結果都較為吻合，這證明采用三維數值計算方法進行聲學性能預測的可靠性是很好的。
圖4 膨脹腔的傳遞損失結果比較
6 小結
本文講述了理想介質中聲場的基本規律，建立了以有限元為基礎的聲波傳播模型。最后聯合利用四端網絡參數法計算消聲器的傳遞損失，將一維平面波理論結果和三維數值計算結果以及實驗結果進行了對比，驗證了利用聲學有限元法預測消聲器內部聲場特性的可靠性。SYSNOIS分析計算求解出的消聲器聲場分布能較直觀地反映出消聲器內部各點聲壓隨頻率變化的關系。在預測消聲器聲學性能方面有很好的效果。有限元對理論研究多種形式的消聲器提供了一種非常有效的方法。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.vmgcyvh.cn/
本文標題：SYSNOISE軟件在消聲器設計中的應用
相關文章
