穿孔段長(zhǎng)度對(duì)微穿孔管消聲器傳遞損失的影響分析

相龍洋，左曙光，吳旭東，龍 國(guó)，張 珺

XIANG Long-yang,ZUO Shu-guang,WU Xu-dong, LONG Guo, ZHANG Jun

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引言

燃料電池汽車的風(fēng)機(jī)為其主要噪聲源之一[1]。風(fēng)機(jī)噪聲特性較為復(fù)雜，且噪聲頻率較高，并隨工況而變化。又因?yàn)槿剂想姵仄噷?duì)清潔性要求較高，故消聲設(shè)備可采用微穿孔管消聲器。

微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)是馬大猷教授于上世紀(jì)60年代提出并發(fā)展起來(lái)的新型共振吸聲結(jié)構(gòu)，具有寬頻高吸聲系數(shù)的特點(diǎn)[2]。后來(lái)有學(xué)者提出將微穿孔板結(jié)構(gòu)用于管道消聲，即微穿孔管消聲器[3]。它由穿孔管和其外的空氣腔組成的腔體類似于多個(gè)亥姆霍茲共振器的并聯(lián)，具有良好的寬頻消聲效果[4]。并且無(wú)多孔材料，無(wú)污染。微穿孔管消聲器在特征頻率處有很好的消聲特性，但在其他頻率處消聲效果較差[5]。

首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)噪聲特性試驗(yàn)，研究風(fēng)機(jī)噪聲特性。然后通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證微穿孔管消聲器傳遞損失的數(shù)值計(jì)算方法，并采用數(shù)值方法分析微穿孔管消聲器的傳遞損失隨穿孔段長(zhǎng)度的變化關(guān)系。

1 風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試

首先進(jìn)行了漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試的臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)漩渦風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析。風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試試驗(yàn)參照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測(cè)試如圖1所示。

下面分析漩渦風(fēng)機(jī)噪聲的頻譜，圖2是風(fēng)機(jī)加速過程中的噪聲瀑布圖。從圖中我們可以看到，漩渦風(fēng)機(jī)噪聲頻譜主要反映為55倍頻窄帶噪聲。由于葉片數(shù)為55，此頻率為葉片旋轉(zhuǎn)噪聲頻率。即為：

其中N為風(fēng)機(jī)葉片數(shù)55。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000Hz～4000Hz。

圖1 風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試臺(tái)架

通過測(cè)試和分析可知，風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)窄帶變頻的特性，并且可以通過在進(jìn)口處安裝消聲器的方式來(lái)進(jìn)行降噪。常用的阻性消聲器雖然可以降低高頻噪聲，但由于進(jìn)氣口消聲器的阻性材料容易受氣流影響而脫落，不能滿足燃料電池車清潔性的要求?？剐韵暺饕话阌糜诮档椭械皖l噪聲，且消聲頻帶窄。因此，可以在進(jìn)口處采用微穿孔管消聲器用于風(fēng)機(jī)降噪。需要分析微穿孔管消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響，為用于風(fēng)機(jī)降噪的微穿孔管消聲器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖2 風(fēng)機(jī)加速工況噪聲

2 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

研究對(duì)象為微穿孔管消聲器，示意圖如圖3所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括內(nèi)管直徑D0，空氣腔厚度D，消聲器總長(zhǎng)L0，微穿孔管長(zhǎng)度L，進(jìn)出口內(nèi)插管長(zhǎng)度 l1和 l2，入口管長(zhǎng)度a 以及微穿孔段管孔徑d，板厚t 和穿孔率p。

圖3 微穿孔管消聲器示意圖

消聲器通常采用傳遞損失來(lái)表示其消聲性能。傳遞損失是指在無(wú)反射條件下，消聲器進(jìn)口處的入射聲功率級(jí)與出口處的透射聲功率級(jí)之差。利用有限元軟件對(duì)微穿孔管消聲器傳聲損失進(jìn)行了數(shù)值求解。有限元仿真模型如圖4所示，包括內(nèi)管流場(chǎng)體網(wǎng)格、擴(kuò)張腔流場(chǎng)體網(wǎng)格以及入口、出口端面面網(wǎng)格和微穿孔管內(nèi)外表面面網(wǎng)格。建模時(shí)不需對(duì)小孔直接劃分有限元網(wǎng)格，而是采用傳遞導(dǎo)納法來(lái)模擬微穿孔管部分，在微穿孔管內(nèi)外表面之間定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系為，

其中z為微穿孔板聲阻抗[2]。

在計(jì)算消聲器的傳遞損失時(shí)，需要設(shè)定入口端面為平面波，出口端面為無(wú)反射端面，經(jīng)過計(jì)算，入口端面與出口端面的聲功率級(jí)之差即為傳遞損失。

圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖

為驗(yàn)證基于微穿孔板聲阻抗理論模型的消聲器傳聲損失有限元數(shù)值計(jì)算方法，采用阻抗管根據(jù)雙負(fù)載法進(jìn)行了消聲器傳遞損失實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。測(cè)量的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：D0=60mm、D=19mm、L0=220mm、d=0.8mm、t=0.5mm、p=3.14%、l1=l2=10mm。

圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)布置

數(shù)值方法計(jì)算得到的傳遞損失與試驗(yàn)測(cè)得的傳遞損失對(duì)比如圖6所示。圖5說(shuō)明，微穿孔管消聲器傳聲損失數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，在消聲器共振頻率處也基本重合，能準(zhǔn)確反映實(shí)際消聲器的消聲性能。故可以利用該數(shù)值方法計(jì)算分析微穿孔管消聲器傳聲損失特性。

圖6 傳聲損失試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

3 穿孔段長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，微穿孔管消聲器在共振頻率處的傳遞損失峰值最高，即在此頻率處具有最好的消聲效果。主要分析在風(fēng)機(jī)噪聲頻段范圍內(nèi)，穿孔段長(zhǎng)度對(duì)微穿孔管消聲器傳遞損失的影響規(guī)律，為進(jìn)一步的降噪工作提供指導(dǎo)。

計(jì)算了8個(gè)不同穿孔段長(zhǎng)度的微穿孔管消聲器的傳遞損失。不同穿孔段長(zhǎng)度的微穿孔管消聲器有限元模型如圖7所示。消聲器的穿孔段長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)i=80+5×(i-1),i=1,2,3,…,8。所研究消聲器無(wú)內(nèi)插管，即l1=l2=0。其他參數(shù)保持不變，分別為D0=50mm、D=15mm、l=220mm、d=0.5mm、t=0.5mm、p=2.5%、l1=l2=0mm，L0=140mm，a=20mm。

圖7 不同穿孔管長(zhǎng)度的微穿孔管消聲器有限元模型

計(jì)算不同穿孔段長(zhǎng)度的微穿孔管消聲器的傳遞損失，如圖8所示。提取將每個(gè)穿孔段長(zhǎng)度消聲器的傳遞損失峰值頻率，如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著穿孔段長(zhǎng)度的增加，傳遞損失峰值頻率向低頻移動(dòng)。

圖8 不同穿孔段長(zhǎng)度的消聲器傳遞損失

表1 不同穿孔段長(zhǎng)度的消聲器共振頻率

將表1中各數(shù)據(jù)作為點(diǎn)的坐標(biāo)畫出各點(diǎn)如圖9所示，發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)基本位于一條直線附近，表明傳遞損失峰值頻率隨穿孔段長(zhǎng)度線性變化。將各點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到一條曲線即擬合模型如圖所示。這就是穿孔段長(zhǎng)度和傳遞損失峰值頻率的關(guān)系。模型公式為：

圖9 穿孔段長(zhǎng)度與共振頻率擬合模型

為了檢驗(yàn)該模型是否準(zhǔn)確，又計(jì)算了樣本外的點(diǎn)，將微穿孔管消聲器的穿孔段長(zhǎng)度分別取為82.5mm，92.5mm,112.5mm。計(jì)算得到的響應(yīng)傳遞損失峰值頻率分別為4420Hz，3960Hz，2880Hz。將峰值頻率代入模型（4）計(jì)算可以得到根據(jù)該模型估計(jì)的穿孔段長(zhǎng)度，對(duì)比如表2所示。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用模型（4）計(jì)算得到的穿孔段長(zhǎng)度與實(shí)際值誤差在1%以內(nèi)，可以認(rèn)為該模型能較為準(zhǔn)確的反應(yīng)穿孔段長(zhǎng)度和傳遞損失峰值頻率之間的關(guān)系，即微穿孔管消聲器的共振頻率與穿孔段長(zhǎng)度呈線性關(guān)系。

表2 穿孔段長(zhǎng)度實(shí)際值與模型估計(jì)值對(duì)比

4 結(jié)論

根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲特性研究微穿孔管消聲特性與穿孔段長(zhǎng)度之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)噪聲呈窄帶變頻的特性。在一定范圍內(nèi)，微穿孔管消聲器的傳遞損失峰值頻率與穿孔段長(zhǎng)度成正比。對(duì)于風(fēng)機(jī)噪聲中需要重點(diǎn)關(guān)注的頻率成分，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)穿孔段長(zhǎng)度的微穿孔管消聲器。該文研究為微穿孔管消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意義。

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