無紡布多孔消聲進氣管聲學(xué)特性試驗

肖勁松,郭 榮,朱偉偉

（1.江蘇星辰星汽車附件有限公司，江蘇 225402；2.同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092）

進氣系統(tǒng)的噪聲是汽車最主要的噪聲源之一，該噪聲不僅會傳遞到車廂內(nèi)影響顧客，而且還會輻射到環(huán)境，所以在設(shè)計進氣系統(tǒng)時必須使噪聲既滿足客戶的要求也要達到政府有關(guān)法規(guī)的要求。

無論是對于自然吸氣發(fā)動機還是增壓型發(fā)動機，都需要很好地進氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計。尤其是后者，增壓技術(shù)使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性都上了一個臺階，但增壓型發(fā)動機給汽車進氣系統(tǒng)噪聲帶來了新問題。渦輪增壓器工作時會產(chǎn)生明顯的嘯叫聲，頻率范圍大約為1.5～4 kHz[1，2]，而且頻段較寬，需要有效抑制該噪聲。安裝消聲器是控制不同類型發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲最有效的措施之一。

目前，汽車上解決發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲的措施主要包括布置赫姆霍茲消聲器和若干1/4波長管，但由于它們各自只能消除單一頻帶的噪聲，無法消除寬頻噪聲。而穿孔消聲器雖然消聲頻帶寬，但設(shè)計、制造成本相對較高。因此，本文提出一種無紡布多孔消聲進氣管(如圖1)。

無紡布多孔消聲進氣管內(nèi)壁面材料為無紡布，無紡布或織物屬于薄纖維層，具有如下吸聲特性，即薄纖維層在作為護面材料或緊貼剛壁時吸聲效果接近或幾乎等于零，而在作為簾布層在背后有空腔時吸聲效果極好。因此，本消聲管的管壁并非剛性結(jié)構(gòu)，較軟的管壁結(jié)構(gòu)有利于衰減噪聲。

圖1 無紡布多孔消音管Fig.1 Porous muffler tube with non-woven fabrics

此消聲管除具有良好的減振及降噪功能外，同時進氣導(dǎo)流管柔軟易變，能有效避免與其它部件干涉而產(chǎn)生異響。可替代同類橡膠制品，生產(chǎn)成本低，滿足汽車產(chǎn)品的環(huán)保、低碳要求。

本文主要探討了兩載荷法的原理，并基于此原理構(gòu)建了兩載荷法試驗臺，然后應(yīng)用此試驗臺對無紡布多孔消聲進氣管的傳遞損失進行測量，得到了上下游管內(nèi)的聲壓信號及其傳遞損失，探究得出此消聲管在整個噪聲頻帶范圍內(nèi)具有良好的消聲效果，對拓展進氣系統(tǒng)消聲方案提供應(yīng)用支持。

1 兩載荷法試驗原理

兩載荷法[3]是基于傳遞矩陣方法建立的傳遞損失測量方法，通過改變出口阻抗條件來建立描述待測消聲器入射和反射波幅值關(guān)系的兩個方程組，將求解出的參數(shù)代入計算公式即可得到傳遞損失。采用這種方法可以測得消聲器傳遞損失，以及描述消聲器聲學(xué)特性的4極參數(shù)。

圖2.兩載荷法測量示意圖Fig.2 Sketch of the double-load method

圖2 a和圖2b分別為2種不同的出口阻抗條件Za、Zb。圖2中傳感器1和2、3和4之間為直管段，2和3之間為待測聲學(xué)元件，其相應(yīng)的傳遞矩陣為

式中pi、ui分別為各傳感器處的聲壓和質(zhì)點振速；Ai、Bi、Ci、Di為聲學(xué)元件的四極參數(shù),i為各量的下標(biāo)；下標(biāo)a，b分別代表圖2a和圖2b中兩種不同的出口聲阻抗。

針對圖2a結(jié)構(gòu),可得到此出口阻抗條件下的傳感器2和傳感器3之間四極參數(shù)的關(guān)系式

同理，對于圖2b結(jié)構(gòu)可得傳感器2和3之間四極參數(shù)的關(guān)系式

綜 合（4）、（5）兩 式 ，可 以 解 出A23、B23、C23、D23的具體表達式。由于傳感器1和2，3和4之間是直管，可以得出直管段的四極參數(shù)，代入A23、B23、C23、D23中，即可求出傳感器2和3之間消聲器的四極參數(shù)。

進而可求得此消聲元件的傳遞損失

式中Si，S0分別為進口和出口截面積。

2 試驗設(shè)備及設(shè)計要點

試驗在同濟大學(xué)半消聲室中進行，所需的試驗設(shè)備有LMS SCADAS III 305數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖3）、全頻段揚聲器、四個傳聲器、功率放大器、電腦及若干專用導(dǎo)線。此次試驗設(shè)置的采樣頻率為12 000 Hz。

對管道結(jié)構(gòu)，由1階平面波徑向模態(tài)[4]可得

其中λ為波長，2f=c0，上式可表示為

圖3 LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 LMS data acquisition system

對此次試驗，取c0=340 m/s和d=36 mm，代入式(7)，可得f＜553 Hz。所測消聲元件的頻率范圍必須小于此上限值。

此外，根據(jù) ASTM Standard E1050-12[4,5]，一對傳聲器之間的距離和能夠測得的最高頻率之間存在如下的關(guān)系式

在此研究案例中，考慮到消聲元件的最高頻率小于5 000 Hz，根據(jù)式(8)，確定一對傳聲器之間的距離可設(shè)置為30 mm。

利用兩載荷法測量消聲器傳遞損失時要避免出現(xiàn)相似的出口阻抗邊界條件，以防止測得的數(shù)據(jù)相近，造成求解的不穩(wěn)[6]。因此，本次實驗中的兩種邊界條件分別為出口端敞開和出口端塞隔聲棉。

3 試驗結(jié)果分析

將被測無紡布多孔消聲管與測量系統(tǒng)的上，下游管道連接（圖4）。圖4中，在上、下管道上各裝有一對傳聲器，用于測量管內(nèi)的聲壓信號，傳聲器之間的距離嚴(yán)格按照第3節(jié)中規(guī)定的要求。經(jīng)LMS SCADAS III 305數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到的聲壓信號（圖5）。

圖4 無紡布多孔消音管傳遞損失試驗Fig.4 Experiment on transmission loss of the muffler tube

通過比較圖5中管內(nèi)的聲壓信號，可以得出如下結(jié)論：

(1)在此消音管上游的聲壓信號幅值明顯高于消聲管下游的聲壓信號；

圖5 管內(nèi)聲壓時域數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of the sound pressure in the tube

(2)由于噪聲的能量跟聲壓幅值的平方成正比，因此，可以預(yù)測經(jīng)消聲管后，衰減了大部分噪聲能量。

為了探究此無紡布多孔消音聲管的消聲幅頻特性，對所測的兩組聲壓信號進行第2節(jié)所述的處理得到此消聲管的傳遞損失特性曲線（圖6）。

圖6 傳遞損失測試結(jié)果Fig.6 The test result of transmission loss

分析圖6的傳遞損失曲線，可以得出：

1）此無紡布多孔消聲管消噪覆蓋頻帶較寬，具有寬頻消噪特點；

2）此消聲管的傳遞損失幅值均在8 dB以上同時在整個消聲范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動特性，即在某些頻率段消聲效果較好。圖6中存在三個高效的消聲頻率段。

此無紡布多孔消聲管具有消聲頻率范圍寬，能兼顧低、中、高頻率的消聲要求，同時在中低高頻率段的消聲效果均較好，能有效衰減發(fā)動機進氣系統(tǒng)的噪聲，同時具有制造成本低廉等優(yōu)點。

4 結(jié)語

無紡布多孔消聲管具有寬頻消噪特性，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉等優(yōu)點，同時能避免進氣系統(tǒng)管道因干涉而產(chǎn)生異響。能滿足發(fā)動機進氣系統(tǒng)的消聲要求。本文主要進行了對無紡布多孔消聲管的試驗探究，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

(1)闡述了兩載荷法理論，并基于該理論設(shè)計了實驗，為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，詳細討論了傳感器之間的距離和出口阻抗條件對測試結(jié)果的影響；

(2)在無流情況下測定了此消聲管管內(nèi)的聲壓信號及傳遞損失曲線，探究得到此無紡布多孔消聲管消聲頻率寬，同時幅值大小在頻域內(nèi)分布較均衡，消聲效果明顯。

綜上，本文應(yīng)用兩載荷法對無紡布多孔消聲管進行實驗探究，對完善進氣系統(tǒng)聲學(xué)方案設(shè)計具有一定的應(yīng)用價值。

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