بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با بهره گیری از نرم افزار Ansys، میرایی آکوستیک یا اتلاف صوت ناشی از انتقال در اگزوزها با خصوصیات هندسی گوناگون مدلسازی گردیده است. در این مطالعه ،گونه ای از اگزوزها مورد بررسی قرار گرفته اند که در آنها انرژی صوت با یک فرکانس مشخص از یک مجرا وارد می گردد و در اثر برخورد با دیواره محفظه اگزوز انرژی آن کاهش می یابد و منجر به میرایی صوت می گردد.
مدل ارائه شده در مقایسه با روش های تئوری اعتبار سنجی شده است، و در پایان اثر نسبت قطر به طول محفظه انبساط اگزوز، بر کارایی اگزوز بررسی شده است. به کارگیری این مدل باعث صرفه جویی در زمان و هزینه های مورد نیاز برای کار آزمایشگاهی می گردد. همچنین اعمال تغییرات در شکل هندسی مدل را می توان به راحتی و در کمترین زمان ممکن انجام داد.
1. مقدمه
یکی از برجسته ترین عوامل ایجاد آلودگی صوتی در محیط شهری، صدای ناشی از احتراق موتور های وسایل نقلیه و دستگاه های مختلف می باشد که در محیط اطراف ما منتشر می شوند. خوشبختانه می توان این صداهای مزاحم را به مقدار کافی و بوسیله طراحی مناسب اگزوز - صدا خفه کن - ، کاهش داد. کار بر روی تحلیل و طراحی اگزوزها به منظور کاهش آلودگی صوتی به سال 1920 باز می گردد.
در حال حاضر انسانها نسبت به محیط کار و زندگی خود هوشیارتر و حساس تر شده اند. اثرات مخرب صوت بر روی سلامت جسمی و روانی افراد جامعه دولت های حاکم در بسیاری از کشورها را بر آن داشت تا بنا بر خواسته مردم، اقدامات گسترده ای به منظور کاهش صدای موتور اتوموبیل ها و دستگاه های صنعتی انجام داده اند.
با پیشرفت تکنولوژی شاهد ظهور موتورهایی با توان بسیار بالا هستیم که تولید صداهای بیشتری می کنند. از این رو توجه به طراحی اگزوزها به منظور کاهش صداهای تولیدی توسط موتورها اهمیت پیدا می کند. شاخصه کلی همه سیستم های اتلاف و کاهش صدای مزاحم، جلوگیری از انتشار امواج صوت در محیط می باشد.در دهه گذشته، مطالعات گسترده ای در زمینه اتلاف صوت ناشی از انتقال انجام گرفته است.
محورهای کلی در تحقیقات انجام گرفته را می توان به این شکل دسته بندی کرد: روش ماتریس انتقال - که از آن به عنوان روش پارامترهای چهار قطبی نیز یاد می شود - پر کاربردترین روش مورد استفاده بر پایه تئوری امواج صفحه ای می باشد3]و2و[1، که برجسته ترین عیب این روش است که تنها برای سیستم یک بعدی مناسب می باشد و برای انتشار امواج در مودهایی با مرتبه های بالاتر قابل استفاده نیست. مودهای با مراتب بالاتر می توانند به شکل چشمگیری کارایی اگزوزهای با محفظه انبساط را تحت تأثیر قرار دهند6]و5و.[4 وجود این مودها به شدت میرایی را در فرکانس های بالاتر از فرکانس انقطاع کاهش می دهند.
در واقع طول محفظه در یک اگزوز صنعتی به اندازه کافی بلند نیست. در نتیجه مودهای سه بعدی به راحتی برانگیخته می شوند وکارایی اگزوز را به طور قابل ملاحظه ای تغییر می دهند. دسته دوم، روش های تحلیلی دو و سه بعدی ارائه شده در مراجع 8]و[7، نیز روش های مفیدی برای حل این گونه مسائل می باشند. به طور اساسی یک روش دقیق می باشد که کوتاه کردن محاسبات سری های نامحدود عددی غیر قابل اجتناب در آن ممکن است.
هرچند که جبر موجود در محاسبات محفظه های نامتقارن، پیچیده و مشکل آفرین است. دسته سوم شامل روش های المان محدود - FEM - ، روش های المان مرزی - BEM - یا ترکیبی از دو روش یاد شده می باشد10]و[9، که این روش ها نیز بر پایه تحلیل آکوستیک سه بعدی و چیزی جز روش های عددی نیستند. با این وجود، این روش همچنان بیشتر از سایر روش ها مشکل آفرین است، زیرا نیازمند زمان زیادی برای انجام محاسبات و کامپیوترهایی با حافظه بالا برای انجام تحلیل در محدوده تمام فرکانس های مورد نظر می باشد.
دسته آخر به عنوان مؤثرترین روش عددی با صرف زمانی کمتر می باشد - برای راحتی رویکرد مش بندی کیفی تعریف می شود - ، که در اصل توسط مونیال گسترش داده شد.[11] این باعث می شود که شرایط سازگاری در نقاط با فاصله یکسان در صفحات متصل به یکدیگر، تعدادی معادله جبری برای ارزیابی شدت های نسبی در مودهای گوناگون که با نرخ انبساط اگزوز متناسب است، تولید کند.
2. بررسی محورهای کلی مطالعات اتلاف صوت ناشی از انتقال محورهای کلی و کارهای انجام گرفته در این زمینه را می توان به شکل زیر دسته بندی کرد:
1,2 روش ماتریس انتقال
در میان روش های مختلف برای ارزیابی کارایی اگزوزها، روش ماتریس انتقال بسیار به کار گرفته می شود. ماتریس های انتقال برای المان های مختلف محفظه انبساط انواع اگزوز با تغییر ساده مساحت و مجراهای ورودی و خروجی، با متغیرهای ایروآکوستیک در المانها، از معادلات خطی پیوستگی جرم، مومنتوم و انرژی بدست می آید.
اتلاف ها در این المانها با کاهش آنتالپی یا فشار رخ می دهد و به طور جداگانه بررسی می شوند. ماتریس های انتقال جدید در پیش بینی های تئوری کاهش نویز در اگزوزهای آزمایشگاهی به کار گرفته شدند و نتایج حاصل انطباق خوبی با مقادیر بدست آمده آزمایشگاهی نشان داده اند. اگزوزهای واکنشی بر پایه جهت حرکت جریان گاز در آنها به دو دسته تقسیم بندی می شوند:
1. اگزوزها با جریان عبوری مستقیم
2. اگزوزها با جریان عبوری برعکس
2,2 بررسی روش های تحلیلی دو و سه بعدی
به طور اساسی یک روش دقیق می باشد که کوتاه کردن محاسبات سری های نامحدود عددی غیر قابل اجتناب در آن ممکن است. هرچند که جبر موجود در محاسبات محفظه های نامتقارن، پیچیده و مشکل آفرین است. با توجه به پیچیده و طولانی بودن محاسبات از پرداختن به جزئیات این روش صرفه نظر شده و مقداری از کارهای انجام شده توسط این روش پرداخته شده است.
از جمله کارهای انجام شده توسط این روش ها می توان به موارد زیر اشاره کرد: روش حل محاسباتی سه بعدی بر پایه روش المان مرزی می باشد. لی وهمکارانش [12]، یک مدل تحلیلی سه بعدی را برای یک محفظه دایروی که یک جریان متوسط از آن عبور می کند، ارائه کردند. نتایج آنها با مقادیر آزمایشگاهی اتلاف ناشی از انتقال برای نسبت طول محفظه به قطر آن - - در محدوده 0,33 تا 1,35 انطباق مناسبی دارد.
سلامت و راداویچ [13] تأثیر طول بر روی کارایی میرای آکوستیک محفظه انبساط را بوسیله به کارگیری روش تحلیلی ارائه شده توسط مایلز ، بر پایه روش المان مرزی بدست آوردند. به طور جزئی تر تأثیر شکل هندسی محفظه انبساط بر روی خواص اتلاف صوت ناشی از انتقال را برای انتشار امواج یک بعدی در برابر انتشار چند بعدی مقایسه کردند. همچنین نتایج بدست آمده برای اتلاف صوت ناشی از انتقال بوسیله روش تئوری آکوستیک دو بعدی و روش المان مرزی سه بعدی با نتایج آزمایشگاهی برای 9 محفظه انبساط با نرخ - - در محدوده 0,205 تا 3,525 مقایسه را مقایسه کردند.
2,3 بررسی روشهای FEM و × BEM
دسته سوم شامل روش های المان محدود 1 - FEM - ، روش های المان مرزی 2 - BEM - یا ترکیبی از دو روش یاد شده می باشد، که این روش ها نیز بر پایه تحلیل آکوستیک سه بعدی و چیزی جز روش های عددی نیستند. با این وجود، این روش همچنان بیشتر از سایر روش ها مشکل آفرین است، زیرا نیازمند زمان زیادی برای انجام محاسبات و کامپیوترهایی با حافظه بالا برای انجام تحلیل در محدوده تمام فرکانس های مورد نظر می باشد.
اگزوزهای مورد استفاده امروزی دارای شکل پیچیده و ابعاد گسترده ای می باشند، به کار گیری روش های تحلیلی کار وقت گیر و هزینه بری خواهد بود چرا که این روش ها شامل معادلات جبری پیچیده و گسترده ای با توجه به مشخصات اگزوزهای امروزی می باشند. روش های مستقیم عددی نسبتاً ساده می باشند ولی این روش هم از مشکل محدودیت های جدی ناشی از پیچیدگی های شکلی اگزوز رنج می برد. روش المان محدود یک روش کاملاً کلی می باشد و این امکان را می دهد که همه انواع اگزوز را تحلیل کرد.
روش المان محدود سه بعدی برای تحلیل یک مجموعه کامل اگزوز نیازمند صدها المان وگره می باشد، در نتیجه آماده کردن داده ها و حل کردن مقدار زیادی معادله به صورت هم زمان، خسته کننده و زمان گیر است. محققان با توجه به نیازمند بودن این روش به حافظه زیاد کامپیوتری، عمدتاً در تحلیل دو بعدی و متقارن محدود شده اند.
روش المان مرزی معایب روش المان محدود را ندارد و در پیش بینی کارایی آکوستیک یک اگزوز با شکل هندسی پیچیده قابل استفاده است. پیش بینی کارایی یک اگزوز مثال خوبی برای استفاده از روش المان مرزی در صنعت است. اگرچه که هندسه داخل اگزوز محدود می باشد ولی می تواند کاملاً پیچیده باشد. مدل کردن یک فضای داخلی پیچیده آکوستیک با استفاده از روش المان محدود سه بعدی می تواند بسیاری از مهندسان را به سوی خود جذب کند.
4,2 روش ارائه شده توسط مونیال3
دسته آخر به عنوان مؤثرترین روش عددی با صرف زمانی کمتر می باشد - برای راحتی رویکرد مش بندی کیفی تعریف می شود - ، که در اصل توسط مونیال گسترش داده شد.[11] این باعث می شود که شرایط سازگاری در نقاط با فاصله یکسان در صفحات متصل به یکدیگر، تعدادی معادله جبری برای ارزیابی شدت های نسبی در مودهای گوناگون که با نرخ انبساط اگزوز متناسب است، تولید کند.
اثرات سه بعدی منشأ اصلی اختلاف بین مقادیر اندازه گیری شده کارایی یک اگزوز اتوموبیل و مقادیر پیش بینی شده بوسیله تئوری امواج صفحه ای در فرکانس های بالاتر است. به طور اساسی، روش گسترش تابع ویژه - به شکل کاهش یافته - برای یک محفظه انبساط ساده شامل محاسبات جبری پیچیده ای است، و روش المان محدود نیازمند محاسبات گسترده، زمان و حافظه کامپیوتری است.
