评估壳厚度对消音器性能的影响

客座博客作者Linus Fagerberg来自Lightness的设计以前的博客文章讨论辐射声音如何取决于消声器的壳厚度。

在这里，我们讨论了衡量消音器性能的不同实体。一个重要的参数是消声器套管的厚度以及这如何影响其性能。通过执行声学结构互动模拟，我们可以看到壳厚度如何影响消声器的性能。

分析壳厚度如何影响消声器的声学

使用前面博客文章中定义的相同模型设置，我们执行一项参数化研究，以观察不同的壳厚度对消声器的影响。我们从1 mm的基本厚度开始，这是先前研究中使用的原始壳厚度。然后，我们将基本厚度减半并加倍。

消音器模型周围的声学结构域（见下文）为评估不同壳厚度的大气中的声音发射提供了一种良好的手段。

图1.消音器模型和周围声学域的横截面和等距视图。

传输损失：从消声器入口到出口

原始博客文章中定义的传输损失（TL）是从消音器入口到消声器出口的

在哪里p_在是消音器入口处的声音p_出去是消音器出口的声学力量。变量p_在和p_出去取决于入口处的压力，p_在和出口，p_出去， 分别。

在本研究中计算了从入口到出口的TL，用于壳厚度为0.5 mm和2 mm的模拟情况。在下面的图2中比较了这些TL曲线，以及1毫米壳厚度的情况。

图2.从消音器入口到壳厚度出口的传输损失，t，为0.5毫米，1毫米和2毫米。

对于壳厚度为172 Hz的壳模式（壳厚度为1 mm）（从先前的研究中），对于壳厚度为0.5 mm的模型，在180 Hz处发生。在180 Hz的附近，厚度为0.5毫米的模型的曲线中的峰和倾角远比该本本本本特征厚度为1毫米的模型的峰值要深得多。

对于0.5毫米的情况，从峰到DIP的TL的差异约为18 dB，频率扩散为8 Hz，倾角发生在188 Hz时。这是可以预期的，因为压力脉冲令人兴奋，壳板会对厚度较小的板产生更大的影响。因此，对于最大的计算壳厚度为2 mm，在0.5毫米情况下发生这种尖峰的区域中，曲线是光滑的。

TL对于2 mm情况的行为接近纯压力声学模拟，其中消音器的边界被定义为声音硬边界。同样，对于0.5毫米的壳厚度外壳，对于1毫米壳厚度的外壳模式在342 Hz时以338 Hz的形式存在，但在TL曲线中对于2毫米的壳厚度箱不可见。

在所有三个情况下都存在386 Hz的谐音声模式，如以该频率在所有三个曲线中呈尖锐的倾角所指出。

所有三个曲线中的下一个值得注意的峰位于610 Hz至640 Hz之间。随着壳厚度的增加，峰的位置向右移动。频率为614 Hz，632 Hz和638 Hz的壳分别为0.5 mm，1 mm和2 mm。这与以下事实结合在一起，即消音器结构随着厚度的增加而变得更硬，并且该本本本特莫德的频率增加。

尽管厚度增加的频率右移，但1毫米厚度的峰值幅度大于2毫米厚度。可以预期，壳厚度较大的结构比厚度较小的结构会产生更好的TL。但是，在原始博客文章的压力声学案例中指出的一个声学特征频率存在于1毫米壳厚度案例的本本特征附近。这种声学模式可以与1毫米壳厚度的壳本本征相同，而在这种模式下，与其他壳厚度的情况相比，在此模式下，TL的峰值更大。

在所有三种情况下，计算频率范围的最终峰发生在700 Hz附近。与上述本本征的不同厚度相比，此模式的频率间距是不同的壳厚度的微小。峰分别以0.5毫米，1毫米和2 mm的壳厚度在TL曲线中以696 Hz，702 Hz和700 Hz发生。因此，可以推断出这种本本征出来的频率仍然不受壳厚度变化的影响。它很可能是一个声学本征模，其中壳的刚度不会影响消音器内部的空气。

传输损失：从消声器入口到声学域边界

从上一篇博客文章中定义了从消声器入口到声学域边界的传输损失，并且在本研究中也计算出壳厚度为0.5 mm和2 mm的消声器模型（如下图所示）。绘制了两条曲线（固体橙色和固体灰色），以及前图中的TL曲线，该曲线解释了壳厚度为0.5 mm和2 mm（虚线的橙色线和虚线的灰色线）。

图3.与从入口到声学结构域边界的传输损失相比，从入口到出口的传输损失（对于壳厚度）（t）0.5毫米和2毫米。

显然，固体灰色曲线比实心橙色曲线更光滑，倾角和峰值较少。固体橙色曲线中的峰和凹陷比实心灰曲线的峰更明显。此外，在大多数计算的频率范围内，实线曲线的TL高于橙色曲线。考虑到消音器壳的厚度为2 mm，相对于0.5 mm，厚度为2 mm，预计实心曲线中的这些差异。由于其与消音器中空气体积的相互作用，使结构响应更加深刻，从而使壳噪声降低到周围的气氛中。

对于每种厚度的两种类型的TL，也可以在曲线之间进行比较。可以注意的是，对于厚度为0.5毫米的消声器模型，两条橙色曲线彼此一致远远超过灰色曲线。在大多数计算频率范围内，两条灰色曲线（2毫米壳）与两条橙色曲线（0.5毫米壳）相比，彼此相距较远。对于橙色曲线，从消音器入口到声学结构域边界的TL落在TL下方，从入口到180-Hz壳本本特征模式附近的出口。这表明在这种模式下，与通过消音器出口相比，周围气氛更多的声音。

通过将数据排列在1/3八度波段中，可以在图中提供了从消音器入口到声学域厚度的声学域边界的传输损失到声学域边界的更特定于特定的比较。

图4.从消音器入口到声学边界的传输损失，在三个厚度的1/3八度带中绘制。

通过将TL固定在​​分数八度中，代表不同壳厚度的传输损失类似于从声学测量中获得的经验数据所做的事情，以满足已建立的标准。可以从上面的图表清楚地指出，除最后两个频段外，大多数频段的壳厚度为2 mm的消声器表现最佳。可以通过查看本节开头讨论的线图中的实线曲线来验证这，该曲线在600 Hz后开始浸入。

计算消声器效率

除传输损失外，消音器的效率是衡量消音器性能的另一项措施，该效率定义为

在哪里p_在和p_出去消音器入口和出口的声音能力分别是。

下面绘制了三个壳厚度的消音器效率，可以看出，在计算的频率范围内，每种情况的效率都非常相似。

图5.消音器入口到插座的消声器效率不同。

在所有三种情况下，消音器的效率近200 Hz的效率几乎为100％。在所有情况下，唯一的例外是在观察到尖锐的倾角时，处于386 Hz的谐音声学模式。低于85 Hz的计算频率的消音器效率小于60％，而在TL中，从入口到出口的TL也很明显消声器在低频范围内也很明显，在博客文章的开头。

评估标准化的辐射声音

量化消音器性能的第三种手段是声学域边界处的归一化辐射功率，该声音定义为

在哪里p_{out_domain}是声学域边界处的声力。该变量取决于p_{out_domain}，声学域边界的压力。

计算的P*_{out_domain}对于三个具有不同壳厚度的情况中的每一个，在下面的图6中绘制。

图6.壳体厚度的声域边界处的归一化辐射功率。

如预期的那样，对于大多数计算频率范围低于600 Hz，壳厚度为0.5毫米的消声器具有最高的声音辐射到声域中，而厚度为2毫米的消声器的发射声为最低。在188 Hz的实心橙色曲线中急剧下降图2在图6（上图）中的实心橙色曲线中被认为是大尖峰。因此，壳厚度为0.5 mm的消声器辐射出超过5％的入射功率进入180 Hz至188 Hz之间的本本本征的大气中。

尽管这三个曲线中存在其他峰，尤其是在接近本征码的频率下，但对于0.5毫米的情况，这些峰与188 Hz的峰相比是微小的，其中少于1％的入射力辐射到周围的域。

声压水平和消音器壳厚度

在下面，绘制了三个壳厚度中每个壳厚度的归一化辐射功率的峰值的声压水平（如等音表面）。

图7.在188 Hz时的声压水平，t = 0.5 mm。

图8.在342 Hz，t = 1 mm处的声压水平。

图9.在634 Hz，T = 2 mm处的声压水平。

关于壳厚度和消音器性能的结论

已经表明，壳厚度极大地影响了消声器的性能。自然地，厚度越大，结构僵硬。因此，随着厚度的增加，传输损失曲线在纯声学分析中接近硬边界条件（比较图2从以前的博客文章）。

此外，仅通过将壳厚度从0.5 mm增加到1毫米，辐射到周围空气的峰值声音从超过5％降低到小于1％。

除了降低最大辐射音能外，有趣的是注意传输损失曲线图3。结果例证了所述问题的复杂性：更大的传输损失的位置不是恒定的，而是频率和壳厚度的函数。例如，0.5毫米曲线的交点表明，（总）向周围空气的（总）传输损失大于消音器出口处。正如我们可能期望的那样，在周围空气中通常会发生壳厚度的传输损失最大的差异。但是，在某些频率（约630 Hz）下，2毫米壳厚度分析的传输损失甚至在相应的0.5毫米情况下都降低。

总之，ComsolMultiphysics®软件提供了一种非常简单的方法来研究结构元素与气体或流体之间相互作用的影响。这使声学工程师可以轻松确定合适的材料和/或结构参数，以获得组件的所需行为。常见应用包括有关振动，疲劳特性和组件噪声评估的分析。

关于客人作家

Linus fagerberg设计轻巧是经验丰富的顾问，从事模拟支持的产品开发。他拥有KTH皇家技术学院的博士学位，并专门研究复合材料，稳定性和优化的结构力学。Linus认为，数值模拟是一贯提供高质量产品，提高性能和减轻风险的好工具。乐动体育app无法登录Design By Design Lightness是位于瑞典斯德哥尔摩的Comsol认证顾问。