在船舶動力裝置系統(tǒng)中．通海管路系統(tǒng)通常采取加裝水消聲器的方法來抑制系統(tǒng)中的泵、閥門以及彎頭等所產(chǎn)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(shè)計(jì)制造海水管路消聲器的過程中需要計(jì)算選定結(jié)構(gòu)消聲器的聲學(xué)性能。以往多采用傳遞矩陣、特征線法等在頻域或時域進(jìn)行計(jì)算�，F(xiàn)在多采用商業(yè)聲學(xué)軟件如SYSNOISE等，用有限元或邊界元法進(jìn)行計(jì)算。

    SYSNOISE軟件是基于直接和間接邊界元方法，或者聲學(xué)有限元/無限元的聲學(xué)方程對聲場進(jìn)行計(jì)算分析。本文根據(jù)有限元方法以及SYSNOISE軟件的基本特點(diǎn)，將其應(yīng)用于消聲器的聲學(xué)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，F(xiàn)emGV，SYSTUS，StarCD等。SYSNOISE不僅可以從這些軟件讀取模型數(shù)據(jù)，并且可以從這些軟件讀取模態(tài)、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(jì)算方法相匹配。SYSNOSISE有強(qiáng)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(jié)構(gòu)、以及XY圖線、柱狀圖、聲功率、靈敏度和極坐標(biāo)圖，還包括動畫顯示和聲音回放等。

1 理想流體介質(zhì)中聲場的基本規(guī)律

    理想流體介質(zhì)中的聲場由標(biāo)量聲壓和矢量質(zhì)點(diǎn)振速來描述。在介質(zhì)靜態(tài)、均勻、無損耗假設(shè)下，理想連續(xù)介質(zhì)聲場的基本規(guī)律可用以下幾個方程式表示：

公式1：理想連續(xù)介質(zhì)聲場的基本規(guī)律

2 消聲器傳遞損失TL的計(jì)算

    消聲器的傳遞損失只與本體結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(biāo)。在消聲器進(jìn)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(shù)的選擇

    消聲器的外形結(jié)構(gòu)都很規(guī)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(jié)構(gòu)成軸向?qū)ΨQ，消聲器內(nèi)部的三維聲波傳播問題就轉(zhuǎn)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(xué)空間，如圖1所示。圖2為一矩形環(huán)形微單元，其節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)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(jié)點(diǎn)上對應(yīng)的聲壓分別表示為：P1（x1，y1），P2（x2，y2），P3（x3，y3），P4（x4，y4）。（下標(biāo)1、2、3、4為圖1中的節(jié)點(diǎn)1、2、3、4），Pe（x，y）為單元內(nèi)任意一點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）的聲壓，其值可用形狀函數(shù)Ni（i=1，2，3，4）和各節(jié)點(diǎn)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(yīng)于聲壓的實(shí)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(huán)形微單元

圖3 插管式消聲器結(jié)構(gòu)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(biāo)：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(jìn)行聲場分析的過程

    SYSNOISE軟件具有較強(qiáng)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(dǎo)入，在SYSNOISE前處理程序中進(jìn)行有限元方法設(shè)定，流體特性參數(shù)設(shè)定，定義進(jìn)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?qū)σ呀?jīng)定義分析類型、施加完邊界條件的消聲器模型進(jìn)行求解，得出進(jìn)出口的聲壓值。

    3）利用SYSNOISE后處理的公式編輯器進(jìn)行傳遞損失計(jì)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(dǎo)入到SYSNOISE，最后用SYSNOISE對這些消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能分析。

    1）模型類型的選擇：數(shù)學(xué)方法是用有限元法分析結(jié)構(gòu)-聲場；

    2）模型域的選擇：頻域，對諧函數(shù)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(qū)域是有限的或由結(jié)構(gòu)限制的區(qū)域；

    圖3為典型的插管式消聲器。消聲器的總長為700mm，進(jìn)出口管徑為100mm，消聲器的外徑為350mm。進(jìn)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(jì)算）和SYSNOISE軟件（三維計(jì)算）進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。消聲器傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖4所示。對比可知：僅在低于1500Hz的頻率范圍內(nèi)，一維計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較為吻合，高于1500Hz時一維的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相差極大，無法反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的消聲性能；而全頻率范圍內(nèi)三維計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都較為吻合，這證明采用三維數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行聲學(xué)性能預(yù)測的可靠性是很好的。

圖4 膨脹腔的傳遞損失結(jié)果比較

6 小結(jié)

    本文講述了理想介質(zhì)中聲場的基本規(guī)律，建立了以有限元為基礎(chǔ)的聲波傳播模型。最后聯(lián)合利用四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法計(jì)算消聲器的傳遞損失，將一維平面波理論結(jié)果和三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了利用聲學(xué)有限元法預(yù)測消聲器內(nèi)部聲場特性的可靠性。SYSNOIS分析計(jì)算求解出的消聲器聲場分布能較直觀地反映出消聲器內(nèi)部各點(diǎn)聲壓隨頻率變化的關(guān)系。在預(yù)測消聲器聲學(xué)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。

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本文標(biāo)題：SYSNOISE軟件在消聲器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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