雙節(jié)同軸狹縫消聲器設(shè)計(jì)研究

于貴芙，霍東波，畢野，張蒙蒙，韓峰

（1.華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141；2.華晨汽車工程研究院整車部，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

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雙節(jié)同軸狹縫消聲器設(shè)計(jì)研究

于貴芙1，霍東波1，畢野1，張蒙蒙1，韓峰2

（1.華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141；
2.華晨汽車工程研究院整車部，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章根據(jù)赫姆霍茲共振腔相關(guān)聲學(xué)公式制作了雙節(jié)同軸狹縫消聲器的設(shè)計(jì)參數(shù)表格，并依據(jù)該表格設(shè)計(jì)了一款針對(duì)增壓器出口whoose噪聲的消聲器，最后通過(guò)單體噪聲測(cè)試和整車搭載的方法驗(yàn)證該設(shè)計(jì)消聲器的有效性。另外文章也對(duì)該消聲器設(shè)計(jì)方法提出了設(shè)計(jì)順序和經(jīng)驗(yàn)提示，為后續(xù)消聲器設(shè)計(jì)提供理論經(jīng)驗(yàn)。

增壓器whoose噪聲；雙節(jié)同軸結(jié)構(gòu)；狹縫消聲器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.027

CLC NO.: U464.135+.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-77-04

前言

目前國(guó)內(nèi)家用車銷售市場(chǎng)上，匹配增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的家用車越來(lái)越多。究其根源還是目前人們對(duì)家用車燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求不斷提高，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了在同排量發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增大進(jìn)氣量，提高了原發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，但與之伴隨而來(lái)的就是由增壓器帶來(lái)的噪聲問(wèn)題。其中增壓發(fā)動(dòng)機(jī)為了追求在低速時(shí)更好的動(dòng)力輸出表現(xiàn)，越來(lái)越多的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在低速瞬時(shí)加速時(shí)出現(xiàn)加速噪聲。EVEN等人證明了Whoose噪聲產(chǎn)生的原因是因?yàn)樵鰤浩髟谒矔r(shí)加速時(shí)，其工作點(diǎn)過(guò)于接近臨界喘振區(qū)產(chǎn)生[1]。該噪聲通過(guò)進(jìn)氣通道向外輻射，尤其是通過(guò)壓氣機(jī)和中冷之間的管道向外輻射。Trochon通過(guò)對(duì)增壓器噪聲的特性論述得出增壓器出口是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲最主要的貢獻(xiàn)者，而增加管道壁厚或是串聯(lián)消聲器是有效抑制該噪聲的有效方法[2]。當(dāng)然，如果能從源頭消除該噪聲可以一勞永逸解決該噪聲問(wèn)題，但Teng，C.和Homco, S針對(duì)whoose的成因進(jìn)行了一系列試驗(yàn)表明從源頭破壞該噪聲參數(shù)條件并不容易[3]，從國(guó)內(nèi)目前發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀上來(lái)說(shuō)，修改增壓器尺寸來(lái)消除該噪聲的成本及開發(fā)周期遠(yuǎn)超過(guò)通過(guò)抑制噪聲輻射的設(shè)計(jì)方案。因此一款體積較小，布置方便的增壓器壓后消聲器是控制增壓器 whoose噪聲的理想方案，本文參照競(jìng)品狹縫消聲器對(duì)其設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，并通過(guò)模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)理論。

1、增壓器whoose特性

目前汽車行業(yè)對(duì) whoose噪聲沒(méi)有統(tǒng)一的定義和識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠整車駕駛過(guò)程中依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行該噪聲的判斷[4]。這種判斷方法比較主觀，Anderson等人通過(guò)試驗(yàn)得出增壓器工作點(diǎn)靠近喘振線時(shí)（如圖1），增壓器進(jìn)口溫度會(huì)隨之提升，Soh等人在研究瞬時(shí)減速產(chǎn)生的whoose噪聲時(shí)，使用增壓器進(jìn)口溫度來(lái)定義增壓器喘振，如試驗(yàn)條件允許，使用熱電偶在增壓器入口位置檢測(cè)入口溫度也是一種可行的監(jiān)控手段[5][6]。

圖1　增壓器MAP圖

駕駛過(guò)程中該噪聲主要在車輛低檔位從靜止或低速狀態(tài)油門瞬時(shí)加速，發(fā)動(dòng)機(jī)1500rpm~2200rpm時(shí)發(fā)生。該工況與Teng,C.和Homco,S針對(duì)whoose的形成區(qū)間描述位置相符，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)瞬間的大扭矩需求會(huì)導(dǎo)致增壓器運(yùn)行線接近喘振線而引發(fā)渦輪增壓器內(nèi)部氣流紊亂而產(chǎn)生寬頻噪聲。王欽慶在對(duì)渦輪增壓器噪聲及控制中也論述了該噪聲的特性描述及整車測(cè)量噪聲頻譜圖[7]。

2、增壓器whoose噪聲的控制

對(duì)于whoose噪聲，一般的控制策略如圖2所示主要分為源頭控制和路徑控制兩大類。其中源頭控制又分為匹配優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]，但正如前文所說(shuō)，源頭控制對(duì)匹配能力要求較高，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化成本周期較大，介于目前供應(yīng)商能力從源頭控制 whoose噪聲很難取得有效效果，而從噪聲的傳播途徑進(jìn)行控制（路徑控制）是更為有效的控制方法。

圖2　whoose噪聲控制策略圖

如圖3所示增壓器噪聲傳播途徑，以增壓器為噪聲源，空濾、壓前管路、壓后管路、中冷器均為噪聲輻射點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，增壓器入口噪聲主要為 4-8kHz頻率范圍噪聲，增壓器出口主要為1.5-3kHz頻率范圍噪聲。根據(jù)上文所提 whoose噪聲控制策略圖，使用管道隔離方法和消聲器均可以取得控制 whoose的效果，經(jīng)試驗(yàn)證明，控制手段距離噪聲源（增壓器入口、出口）越近，噪聲控制效果越明顯，而且針對(duì)增壓器出口噪聲的控制手段效果明顯高于增壓器入口噪聲的控制效果。因此針對(duì) whoose噪聲的控制主要放在增壓器出口噪聲的控制，而管道隔離的方法只會(huì)使噪聲繼續(xù)后延至中冷器，設(shè)計(jì)一款針對(duì)增壓器出口噪聲頻率的消聲器顯然更能提升該噪聲的控制效果。

圖3　whoose噪聲輻射傳播途徑圖

3、雙節(jié)同軸狹縫消聲器設(shè)計(jì)

一般消聲器主要分為阻性消聲器、抗性消聲器兩種。由于阻性消聲器使用消聲材料存在材料碎屑掉落進(jìn)入燃燒室的風(fēng)險(xiǎn)，故抗性消聲器更適合在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)上使用?？剐韵暺鞣譃閿U(kuò)張式消聲器、共振式消聲器和干涉式消聲器，三種消聲器的區(qū)別在此不做累述，本文參照競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的雙節(jié)同軸狹縫消聲器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

雙節(jié)同軸狹縫消是共振消聲器的一種，其根據(jù)赫姆霍茲共振腔工作原理，基于在管道通過(guò)一個(gè)小孔與管道外的一個(gè)固定容積的封閉空腔相通的結(jié)構(gòu)，由管壁小孔的空氣柱類似活塞具備一定聲質(zhì)量；封閉空腔類似空氣彈簧具有一定聲順，二者組成的共振系統(tǒng)可以將穿至該結(jié)構(gòu)徑口的聲波產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)將一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)消聲效果(如圖4)。

圖4　共振消聲器原理圖

此結(jié)構(gòu)消聲器的針對(duì)頻率為f的聲波消聲量LTL可使用公式1進(jìn)行計(jì)算：

式中 S——?dú)饬魍ǖ赖慕孛娣e

V——空腔體積

G——傳導(dǎo)率

fr——為共振吸收頻率

公式中傳導(dǎo)率G和共振吸收頻率fr的計(jì)算方法在抗性消聲器相關(guān)教材中可以查詢到，提別需要指出的是，該公式為一般通用公式，不同形狀的共振式消聲器的傳導(dǎo)率G的計(jì)算方法是不同的，在西北工業(yè)大學(xué)《振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)》中明確給出了針對(duì)不同形狀開孔的共振消聲器 G值得計(jì)算方法，而其中孔的形狀為方形時(shí)，稱為狹縫共振器，其傳導(dǎo)率計(jì)算方法為：

式中 a——條縫長(zhǎng)度

b——條縫寬度

h——條縫的深度

le——條縫深度的修正量。

根據(jù)已有公式使用Excel表格制作參數(shù)設(shè)計(jì)表格并生產(chǎn)消聲量曲線如圖5。

圖5　狹縫消聲器Excel參數(shù)設(shè)計(jì)表格截圖

根據(jù)圖中計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，狹縫共振消聲器所針對(duì)共振吸收頻率fr臨近范圍頻率的噪聲有不錯(cuò)的消聲量，但消聲頻寬遠(yuǎn)小于增壓器出口噪聲頻寬，通過(guò)增加共振吸收頻率 fr的共振腔數(shù)量可以增加消聲器頻寬，在忽略兩個(gè)相近共振腔耦合的基礎(chǔ)上（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量避免不同共振腔有相近的狹縫開口），就可以得到如圖6的消聲頻寬設(shè)計(jì)（共振吸收頻率分別為 1912Hz和2628Hz），為盡量減小消聲器體積，采用同軸腔設(shè)計(jì)就可以得到如圖7所示雙節(jié)同軸狹縫消聲器。

圖6　雙節(jié)狹縫共振腔理論設(shè)計(jì)值

圖7　雙節(jié)同軸狹縫消聲器半剖圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變修改某一參數(shù)所得出設(shè)計(jì)規(guī)律是不科學(xué)的，其設(shè)計(jì)順序更多要從其基本公式(赫姆霍茲共振腔)入手。

（1）首先在設(shè)計(jì)過(guò)程中要明確主要消音頻率范圍和消聲量，根據(jù)消聲頻寬選擇合適的消聲器節(jié)數(shù)（也可增加相同尺寸消聲腔來(lái)提高消聲量），明確后首先可以確定K值范圍；

（2）確定消聲器 K值后可以根據(jù)公式粗略估計(jì)出共振腔（同軸腔部分）體積V和傳導(dǎo)率G；

（3）根據(jù)已有參數(shù)完成其余表格中消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)（如壁厚，孔徑，開口尺寸，數(shù)量等）。

（4）對(duì)消聲器上下限截止頻率進(jìn)行校驗(yàn)，避免高頻失效。

由于目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊利于整機(jī)布置，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先確定外觀尺寸，在可以利用的尺寸空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次由于消聲器會(huì)產(chǎn)生一定壓損，所以消聲器內(nèi)徑應(yīng)不小于原管路內(nèi)徑，設(shè)計(jì)壓損應(yīng)盡量接近所替代原管路壓損值，不對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān)；最后狹縫孔的數(shù)量及形狀（改為圓孔或其他形狀）設(shè)計(jì)應(yīng)考慮未來(lái)產(chǎn)品制造工藝是否可行以及結(jié)構(gòu)可靠性。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩點(diǎn)值得討論：

（1）共振腔開口數(shù)量增加時(shí)，其G值可使用多個(gè)開口的G值和，但前提是各開口間不存在干涉，而干涉時(shí)計(jì)算方法需自行推導(dǎo)；

（2）由于共振式消聲器存在高頻失效問(wèn)題（截止頻率上限），其次在使用設(shè)計(jì)表格過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，共振吸收頻率 fr在 7000Hz以上的消聲器同軸腔會(huì)變的非常窄，其消聲量也不理想，遠(yuǎn)不如使用其他結(jié)構(gòu)消聲器，因此增壓器進(jìn)口whoose噪聲（4-8kHz）應(yīng)使用組合結(jié)構(gòu)消聲器，利用擴(kuò)張式和共振式的復(fù)合結(jié)構(gòu)消聲器（也可使用阻性消聲器，但需慎重選擇消聲材料）。

4、設(shè)計(jì)驗(yàn)證及使用范圍討論

使用已有雙節(jié)同軸狹縫消聲器3D數(shù)模可以使用Virtual Lab進(jìn)行聲學(xué)仿真模擬該結(jié)構(gòu)消聲器消聲頻率及消聲量，也可以使用專用測(cè)量設(shè)備測(cè)試該消聲器消聲頻率范圍及消聲量。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖8，主要消聲頻率范圍為2000-2500Hz，其消聲量約為 15dB左右，該測(cè)量頻率范圍結(jié)果與最初理論計(jì)算值共振吸收頻率1912Hz和2628Hz頻率點(diǎn)基本吻合，但該消聲器設(shè)計(jì)消聲量與實(shí)測(cè)值存在差異，首先在共振吸收頻率fr點(diǎn)沒(méi)有消聲的峰值，這主要和共振腔共振吸收頻率fr點(diǎn)有效范圍非常窄有關(guān)，另外與測(cè)量設(shè)備原理（取值方法）及測(cè)量誤差有關(guān)。

圖8　雙節(jié)同軸狹縫消聲器測(cè)量結(jié)果

將該消聲器臨近增壓器出口安裝，在司機(jī)右耳、增壓器近場(chǎng)進(jìn)行整車駕駛測(cè)量，無(wú)消聲器時(shí) whoose噪聲測(cè)量結(jié)果和安裝雙節(jié)同軸狹縫消聲器測(cè)量結(jié)果如圖9和圖10所示，當(dāng)車輛2000rpm時(shí)明顯有一條寬頻噪聲在圖9圈框中，而在增加消聲器圖10中該噪聲已不明顯；實(shí)際駕駛主觀感受，安裝雙節(jié)同軸狹縫消聲器后 whoose噪聲仍輕微存在，但已明顯不易被察覺(jué)。

圖9　無(wú)消聲器測(cè)量結(jié)果

圖10　安裝雙節(jié)同軸狹縫消聲器測(cè)量結(jié)果

盡管該消聲器在單體消聲測(cè)量中消聲量較理論設(shè)計(jì)值偏小但通過(guò)整車搭載試驗(yàn)結(jié)果仍可證明雙節(jié)同軸狹縫消聲器對(duì)增壓器出口 whoose噪聲效果明顯。因此目前所使用的雙節(jié)同軸狹縫消聲器設(shè)計(jì)表格是具有實(shí)用意義的。

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Research of double coaxial structure slit muffler design

Yu Guifu1, Huo Dongbo1, Bi Ye1, Zhang Mengmeng1, Han Feng2
( 1.Brilliance Auto R&D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141; 2. Brilliance Auto R&D Center The Ministry of vehicle, Liaoning Shenyang 110141 )

s: The according to the Helmholtz resonator acoustic formula made double coaxial slit muffler design parameters table, and design a muffler for supercharger outlet whoose noise according to the table, the noise test and vehicle equipped with method verify the validity of the muffler design. In addition, the design method of the muffler design method is put forward, and the design sequence and experience are suggested.

Turbocharger whoose noise; Double coaxial structure; Slit muffler

于貴芙，就職于華晨汽車有限公司。

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