增壓器蝸殼結(jié)構(gòu)的隔聲性能改進(jìn)設(shè)計(jì)

祝勝慧

【摘 要】首先以薄板為對(duì)象，利用吸聲材料吸聲和薄板結(jié)構(gòu)隔聲的原理設(shè)計(jì)5組數(shù)值仿真方案，探討薄板厚度、吸聲材料及其厚度對(duì)隔聲量的影響規(guī)律。再將同類實(shí)驗(yàn)方案的蝸殼與薄板隔聲特性曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證了以薄板模型研究蝸殼包覆層隔聲的可行性。在此基礎(chǔ)上，將蝸殼模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)能量模型的可行性。

【關(guān)鍵詞】增壓器；隔聲；吸聲材料；統(tǒng)計(jì)能量法

一、背景

增壓器標(biāo)況下每分鐘轉(zhuǎn)度高達(dá)16萬轉(zhuǎn)，廢氣在渦輪中膨脹做功會(huì)產(chǎn)生大量噪聲，目前大多數(shù)學(xué)者都在研究渦流噪聲和葉片旋轉(zhuǎn)噪聲的噪聲控制技術(shù)，對(duì)于蝸殼的隔聲幾乎未涉及。蔣國鑫[1]測(cè)得的蝸殼噪聲為115.0dB，已達(dá)人耳痛閾聲級(jí)，嚴(yán)重危害健康。

二、統(tǒng)計(jì)能量法的原理

統(tǒng)計(jì)能量法是一種從統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)密集模態(tài)進(jìn)行研究的分析方法，考慮的是輸入能量與總能量間的關(guān)系[2]，其應(yīng)用對(duì)象為子系統(tǒng)，只反映空間和頻域上的各子系統(tǒng)的平均值，且只適用于解決頻態(tài)數(shù)大于5的高頻區(qū)域問題。模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、激勵(lì)和響應(yīng)是統(tǒng)計(jì)能量分析的幾個(gè)重要參數(shù)。

三、薄板結(jié)構(gòu)隔聲方案設(shè)計(jì)及性能研究

以薄板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，討論各參數(shù)對(duì)隔聲特性曲線的影響規(guī)律，得出最優(yōu)隔聲量對(duì)應(yīng)的各參數(shù)取值，并比較該參數(shù)下薄板的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線。

對(duì)某蝸殼制造公司進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的船用柴油機(jī)增壓器蝸殼結(jié)構(gòu)均采用了隔熱設(shè)計(jì)，一般參數(shù)取值：100mm巖棉+1mm鋼板。以該參數(shù)為參考值，選用礦渣棉（與巖棉物理化學(xué)屬性類似）、玻璃棉、毛氈三種常用的工程吸聲材料，設(shè)計(jì)數(shù)值仿真方案如表1所示。

表1 數(shù)值仿真方案

基于VA one建立平板結(jié)構(gòu)模型[2]，左側(cè)與聲腔耦合的平板設(shè)置為球墨鑄鐵板[3]，中間平板采用不銹鋼板，在不銹鋼板外側(cè)附上吸聲材料，設(shè)置吸聲材料的材料物理屬性[4]，分析頻率范圍取63-64kHz，各方案的仿真結(jié)果如下：

從圖1～圖3可以得出：

1）各方案的隔聲特性曲線總體趨勢(shì)基本相同：63-500Hz的低頻區(qū)內(nèi)，隔聲量波動(dòng)較大；500-2500Hz的中頻區(qū)，隔聲量隨頻率增加而增大；2500-64kHz的高頻區(qū)，隔聲量減小后增大；

2）基本吻合頻率增大一倍頻程，隔聲量提高6dB的規(guī)律；

3）毛氈隔聲效果最差，玻璃棉和礦渣棉趨勢(shì)基本一致；

4）礦渣棉厚度越大，隔聲效果越好，增量越??；毛氈厚度從100mm增大到150mm，隔聲量基本不變；中頻段，玻璃棉隔聲量增量呈“小-大-小”的波峰趨勢(shì)；

綜合上述數(shù)據(jù)可以得出平板結(jié)構(gòu)模型1.2mm不銹鋼板+150mm礦渣棉的隔聲效果最好。在現(xiàn)有蝸殼隔熱尺寸前提下，選擇1.2mm不銹鋼板+50mm礦渣棉的包覆層組合，隔聲量最高可達(dá)15dB，較現(xiàn)有的隔熱設(shè)計(jì)隔聲量提高了5dB。

對(duì)薄板結(jié)構(gòu)隔聲量仿真值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析。在半消音室運(yùn)用東方所振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量包覆層隔聲量。將喇叭聲源放置在半混響室圓筒內(nèi)部，圓筒端口包覆吸聲材料，外側(cè)附加不銹鋼板。隔聲包覆層的實(shí)際隔聲量為內(nèi)部聲壓級(jí)與增壓器蝸殼壁隔聲量之差，隔聲量取平均值。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)頻率范圍為63-12.5kHz。薄板結(jié)構(gòu)下1mm不銹鋼板+50mm礦渣棉隔聲量仿真值與實(shí)驗(yàn)值如圖4所示。

總體上看，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，但是平板結(jié)構(gòu)仿真值較實(shí)測(cè)值約大1dB，低頻段預(yù)測(cè)精度低。

四、蝸殼結(jié)構(gòu)隔聲性能研究

將蝸殼及包覆層簡化為雙層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層為蝸殼結(jié)構(gòu)，外層為包覆層的薄板，薄板上附加吸聲材料；建有兩個(gè)聲腔，內(nèi)聲腔和環(huán)聲腔；在蝸殼外圍創(chuàng)建四個(gè)半無限流體場(chǎng)，該結(jié)構(gòu)形成內(nèi)聲腔、內(nèi)層結(jié)構(gòu)（采用球墨鑄鐵材料）、環(huán)聲腔、外層結(jié)構(gòu)（采用不銹鋼材料）及外部半無限流場(chǎng)五個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)五個(gè)SEA子系統(tǒng)。確定該模型材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、吸聲材料特性參數(shù)、平板內(nèi)損耗因子、聲腔內(nèi)損耗因子、激勵(lì)聲壓級(jí)，按照平板模型的設(shè)計(jì)方案分析計(jì)算隔聲量。

各隔聲特性曲線形成圖5，比較相同不銹鋼板下不同厚度的礦渣棉、毛氈、玻璃棉對(duì)隔聲量的影響可以得出，1.2mm不銹鋼板+50mm礦渣棉的包覆層組合隔聲效果最好，最高可達(dá)19dB。

將蝸殼結(jié)構(gòu)和薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：

1、蝸殼模型500Hz處為一隔聲低谷，為“板-空氣-板”的共振形成。

2、蝸殼模型的隔聲量較薄板模型低2-4dB，考慮到內(nèi)損耗因子的計(jì)算值與實(shí)際值有差異；蝸殼簡化為多塊耦合的平板等造成；

對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)隔聲量仿真值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)以某型增壓器蝸殼作為研究對(duì)象，蝸殼壁厚約為12mm，并將喇叭放置在蝸殼內(nèi)部模擬噪聲源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與薄板結(jié)構(gòu)下隔聲量的仿真值和實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)類似：在中高頻區(qū)域，兩者曲線趨勢(shì)基本一致，但是仿真值普遍偏大。

五、結(jié)論

本文分別以薄板和蝸殼為研究對(duì)象，改變薄板厚度、吸聲材料種類、吸聲材料厚度，采用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)包覆層的隔聲性能進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，對(duì)比分析了兩大結(jié)構(gòu)隔聲特性曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)能量模型的正確性，結(jié)論如下：

（1）薄板結(jié)構(gòu)和蝸殼結(jié)構(gòu)的隔聲量仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差約2dB，滿足工程精度要求，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法劃分子系統(tǒng)并預(yù)測(cè)蝸殼隔聲量的方法是可行的。

（2）對(duì)比薄板結(jié)構(gòu)和蝸殼結(jié)構(gòu)的包覆層隔聲量，薄板結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)誤差3dB左右，證明了利用薄板研究蝸殼隔聲的可行性，節(jié)約復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模時(shí)間。

（3）改變吸聲材料及其厚度，得出1.2mm不銹鋼板+50mm礦渣棉組合隔聲性能最優(yōu)，隔聲量提高19dB。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣國鑫.渦輪增壓器的噪聲控制[J].噪聲與振動(dòng)控制，1986（4）：43-47.

[2]彭子龍，溫華兵等.基于統(tǒng)計(jì)能量法的單雙層玻璃窗隔聲量分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014（4）.

[3]盧兆剛.基于混合FE-SEA方法的汽車薄壁件中頻聲學(xué)特性預(yù)測(cè)及優(yōu)化研究[D]. 浙江大學(xué)，2011.

[4]周錦銀.渦輪增壓器殼體材料的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].江蘇冶金，2006，34（5）：1-3.

[5]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.