燃料電池車風(fēng)機(jī)用微穿孔管消聲器優(yōu)化設(shè)計

左曙光，張 珺，吳旭東，張孟浩，相龍洋

ZUO Shu-guang,ZHANG Jun,WU Xu-dong,ZHANG Meng-hao,XIANG Long-yang

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引言

燃料電池汽車由于其高效節(jié)能而又低污染的優(yōu)良特性成為了未來新能源汽車發(fā)展的趨勢。燃料電池汽車的主要噪聲源之一是為燃料電池提供空氣的空氣壓縮機(jī)。本文研究的燃料電池汽車采用的空氣壓縮機(jī)為漩渦風(fēng)機(jī)，其高頻噪聲對車內(nèi)外噪聲貢獻(xiàn)很大[1,2]。消聲器是降低漩渦風(fēng)機(jī)噪聲的有效途徑，本文利用微穿孔管消聲器的清潔、消聲頻帶寬的特征，將其應(yīng)用在燃料電池車用風(fēng)機(jī)的降噪中。

1975年，馬大猷院士創(chuàng)立了微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲理論[3]。2003年，西北工業(yè)大學(xué)王占學(xué)[4]等人對MA60飛機(jī)APU排氣噪聲進(jìn)行了分析，采用了微穿孔管消聲器來降低APU的排氣噪聲，通過試驗，表明采用微穿孔管消聲器降低MA60飛機(jī)APU排氣噪聲的效果非常理想。2010年，武漢理工大學(xué)侯獻(xiàn)軍[5]等針對抽氣泵的排氣噪聲，設(shè)計了一個微穿孔管消聲器，消聲量達(dá)到10dB～20dB。2011年，張德滿[6]提出了面向工程的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。針對某風(fēng)機(jī)噪聲,基于微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)最優(yōu)來進(jìn)行微穿孔管消聲器尺寸優(yōu)化。綜上，前人大都根據(jù)微穿孔板吸聲系數(shù)最優(yōu)來設(shè)計微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)，且消聲器結(jié)構(gòu)都是簡單的微穿孔管消聲器，降噪效果有限，主要是窄帶降噪。本文針對帶隔板三腔微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)，直接基于其目標(biāo)頻帶內(nèi)平均傳遞損失最大進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使其在很寬的頻帶上具有良好的消聲效果。

本文通過漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性測試得到了漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性。通過試驗驗證微穿孔消聲器傳聲損失的數(shù)值計算方法。然后針對漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性，采用遺傳算法對三腔微穿孔管消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得目標(biāo)頻帶下良好的消聲效果。

1 漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測試

漩渦風(fēng)機(jī)是燃料電池汽車的主要噪聲源之一，本文首先進(jìn)行了漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測試的臺架試驗，對漩渦風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行測試和分析。漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測試如圖1所示。風(fēng)機(jī)噪聲測試試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB-2888-91通風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法》進(jìn)行。

圖1 漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測試臺架

利用漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測試臺架，模擬風(fēng)機(jī)在實車上的安裝條件，實車上風(fēng)機(jī)出口管與燃料電池堆相連，入口管與大氣連通，噪聲主要通過入口管輻射到空氣中，所以本實驗測量風(fēng)機(jī)入口管處的噪聲特性。

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。由于葉片數(shù)為55，此頻率為葉片旋轉(zhuǎn)噪聲頻率。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高轉(zhuǎn)速時，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000Hz～3500Hz。

圖2 漩渦風(fēng)機(jī)加速過程中噪聲瀑布圖

通過以上的漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測試和分析可知，風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)窄帶倍頻的特性，并且可以通過在進(jìn)口處安裝消聲器的方式來進(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，不能滿足燃料電池堆清潔性的要求?？剐韵暺饕话阌糜诮档椭械皖l噪聲，且消聲頻帶窄。因此，本文在入口管處采用微穿孔管消聲器用于風(fēng)機(jī)降噪。

2 微穿孔管消聲器傳遞損失數(shù)值計算與測試

本文的研究對象為微穿孔管消聲器，各結(jié)構(gòu)參數(shù)表示如圖3所示（穿孔段長度l、空氣腔厚度D、前后內(nèi)插管長度l1和l2、內(nèi)管管徑D0分別對應(yīng)圖4標(biāo)示；穿孔孔徑d、穿孔層厚度t、穿孔率P未在圖3中標(biāo)示）。簡單介紹其傳聲損失的數(shù)值計算方法。

圖3 微穿孔管消聲器示意圖

本文利用有限元軟件對微穿孔管消聲器傳聲損失進(jìn)行了仿真求解，模型如圖4所示。建模及仿真過程基于以下條件[7,8]：

1)忽略消聲器內(nèi)部流固耦合作用，只建立消聲器內(nèi)部空氣腔模型；

2)不考慮溫度、流速對聲傳播的影響；

3)不建立小孔模型，直接在微穿孔板內(nèi)外表面（如圖4所示結(jié)構(gòu)2、5）定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系來模擬微小穿孔，其中的導(dǎo)納與聲阻抗互為倒數(shù)關(guān)系。傳遞導(dǎo)納關(guān)系可以建立起微穿孔管兩側(cè)的質(zhì)點振動速度與聲壓的線性關(guān)系，用傳遞導(dǎo)納矩陣[9]表示為：

其中，vi和vo分別是微穿孔管內(nèi)外表面質(zhì)點振速，pi和po分別是微穿孔管內(nèi)外表面聲壓，z是微穿孔管的相對聲阻抗率[10]。微穿孔管相對聲阻抗率為：

其中：

此處，p為微穿孔板穿孔率；c為空氣聲速；J為虛數(shù)單位；ω為聲波波動圓頻率；ρ為流體介質(zhì)密度；t為短管長度；d為短管直徑；μ為運動粘度系數(shù)；η為流體切變粘滯系數(shù)。微穿孔板聲阻抗根據(jù)前述理論模型編程求得。

圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖

為驗證基于前述微穿孔管消聲器傳聲損失的有限元計算方法，應(yīng)用阻抗管進(jìn)行了傳聲損失測量實驗。實驗布置如圖5所示，左上角為測量所用的微穿孔管消聲器樣件（結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示）。

圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測量實驗

表1 微穿孔管消聲器樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)

給定聲激勵為白噪聲信號，所有測量均在相同條件下重復(fù)三次，測量結(jié)果取平均值。將微穿孔管消聲器傳聲損失測量結(jié)果與傳聲損失有限元數(shù)值計算結(jié)果對比（如圖6所示）。

圖6 微穿孔管消聲器傳聲損失實驗值與仿真值對比

圖6表明，基于本文所建立聲阻抗理論模型的微穿孔管消聲器傳聲損失數(shù)值計算的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，在消聲器共振頻率處也基本重合，能準(zhǔn)確反映實際消聲器的消聲性能。故可以利用該數(shù)值方法計算微穿孔管消聲器的傳聲損失并進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對燃料電池車用漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性，可以通過優(yōu)化設(shè)計一款微穿孔管消聲器來進(jìn)行降噪。

1）優(yōu)化目標(biāo)

對消聲器本身而言，其消聲評價指標(biāo)可以從其傳遞損失曲線進(jìn)行評價，優(yōu)化目標(biāo)選取頻段平均消聲量指標(biāo)T。

以消聲器主要作用頻率作為統(tǒng)計區(qū)域，將參與評價的傳聲損失曲線數(shù)據(jù)按照公式（4）進(jìn)行計算，可以得到某個頻段平均消聲量，式中TL(ω)為頻率ω的傳遞損失，ω1和ω2分別為起止統(tǒng)計頻率。

燃料電池車上漩渦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1000r/min～3800r/min，通過對漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測試可知，其主要噪聲是旋轉(zhuǎn)噪聲，而在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其高頻嘯叫更為嚴(yán)重。試驗表明，中高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的葉片通過頻率即主要噪聲頻率大約為2000Hz～3500Hz的范圍，選擇2000Hz～3500Hz作為平均傳遞損失的起止頻率范圍。

2）優(yōu)化對象

研究發(fā)現(xiàn)，與單腔穿孔管消聲器相比，采用多腔可以大大地拓寬消聲頻帶范圍，提高傳遞損失幅值[11]。另外考慮到加工和工藝難度，本文選用三腔消聲器作為漩渦風(fēng)機(jī)進(jìn)口消聲器[12]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 待優(yōu)化三腔微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)

3）優(yōu)化參數(shù)

由于漩渦風(fēng)機(jī)進(jìn)口管直徑為50mm，取消聲器內(nèi)管直徑為50mm；為了使消聲器體積不能過大，膨脹腔內(nèi)徑為85mm，因此共有16個設(shè)計參數(shù)待優(yōu)化，對于每個腔，其它參數(shù)取值范圍如表4所示。

最后，設(shè)置約束條件，消聲器總長小于0.2m，各腔的進(jìn)口端和出口端比例之和小于0.8。

4）優(yōu)化方法

本文利用遺傳算法來進(jìn)行微穿孔管消聲器的優(yōu)化設(shè)計。

表2 微穿孔管消聲器優(yōu)化參數(shù)及范圍

由于消聲器的設(shè)計降噪目標(biāo)在2000Hz～3500Hz，而消聲器膨脹腔的內(nèi)徑在85mm，那么利用理論方法計算消聲器傳遞損失的截止頻率為2300Hz左右，在2300Hz～3500Hz范圍內(nèi)，利用理論計算消聲器傳遞損失將不再準(zhǔn)確。因此，必須采用三維有限元法來計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這樣才能準(zhǔn)測微穿孔管消聲器在高頻范圍上的傳遞損失。

由此，可得基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計整體流程如圖8所示。基于MATLAB編制遺傳算法程序，首先開始產(chǎn)生初始種群，當(dāng)達(dá)到迭代次數(shù)，輸出結(jié)果，結(jié)束算法，否則計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這時調(diào)用ANSYS自動建模和網(wǎng)格劃分程序，并將網(wǎng)格信息導(dǎo)入到Actran進(jìn)行傳遞損失計算，將計算結(jié)果輸出到遺傳算法程序，進(jìn)行下一步選擇、交叉和變異，生成新的種群，并進(jìn)入下一循環(huán)，直至達(dá)到迭代次數(shù)，算法停止。

圖8 微穿孔管消聲器優(yōu)化算法流程

整個優(yōu)化過程需要MATLAB、ANSYS和Actran同時進(jìn)行聯(lián)合仿真。由于每次迭代都需要利用三維有限元法計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，計算量大，計算時間較長，優(yōu)化周期在7天左右。

5）優(yōu)化方案

由于優(yōu)化目標(biāo)頻帶寬，從2000Hz～3500Hz，因此可以把優(yōu)化目標(biāo)在優(yōu)化頻帶上分解。由于待優(yōu)化消聲器是三腔微穿孔管消聲器，這樣可使每個腔針對一段頻率范圍的傳遞損失最優(yōu)。取第一腔針對頻率范圍是2500Hz～3000Hz，取第二腔針對頻率范圍是2500Hz～3000Hz，第三腔針對頻率范圍是3000Hz～3500Hz。這樣使得每段消聲器腔優(yōu)化頻率范圍減小，而整個消聲器的消聲頻帶保持不變。

6）優(yōu)化結(jié)果

利用上述介紹的優(yōu)化方法，對三腔微穿孔管消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。消聲器尺寸參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 三腔微穿孔管消聲器優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前三腔微穿孔管的初始傳遞損失和優(yōu)化后微穿孔管消聲器傳遞損失曲線如圖9所示。從圖上可以看出，在頻率范圍2000Hz～3500Hz內(nèi)，傳遞損失均大于30dB，相比優(yōu)化前的傳遞損失值有了很大的提高，達(dá)到了良好的降噪效果。

圖9 優(yōu)化后消聲器傳遞損失

4 結(jié)論

本文首先進(jìn)行了燃料電池車用風(fēng)機(jī)噪聲特性測試的臺架試驗，得出風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)窄帶倍頻的特性，并且可以通過在進(jìn)口處安裝消聲器的方式來進(jìn)行降噪?；趥鬟f導(dǎo)納法建立微穿孔管消聲器的數(shù)值模型可以準(zhǔn)確的計算其傳遞損失，進(jìn)而采用數(shù)值軟件聯(lián)合仿真方法，有效地對微穿孔管消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的微穿孔管消聲器可以滿足漩渦風(fēng)機(jī)中高頻的降噪目標(biāo)，在2000Hz～3500Hz內(nèi)的頻率范圍內(nèi)消聲量基本達(dá)到30dB以上。

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