大型客車怠速進(jìn)氣噪聲控制研究

陳仕捷， 張攀登， 卓建明， 陳海建

(1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

目前公路客車多采用側(cè)置進(jìn)氣的布置，進(jìn)氣口高度與人耳位置相當(dāng)，車輛怠速時(shí)附近人員容易聽到一種類似打鼓的“咚咚”聲，噪聲特性表現(xiàn)極差。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行測(cè)試，分析打鼓聲頻率及來(lái)源，在原進(jìn)氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)擴(kuò)張型消聲器，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的情況下，將原系統(tǒng)消聲效果提高20 dB以上，大幅降低進(jìn)氣口噪聲，解決打鼓聲問(wèn)題。

1 原進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲分析

1.1 原進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲分析診斷

在某客車進(jìn)氣口附近布置傳聲器，通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，在120～280 Hz間存在較高的寬頻段峰值，在280～480 Hz間存在中等的寬頻段峰值，如圖1所示。通過(guò)LMS.Test.Lab 14A中的Audio Replay模塊濾波回放，確定是這兩個(gè)寬頻段的噪聲形成了“咚咚”的打鼓聲。

拆除空壓機(jī)軟管后在空壓機(jī)進(jìn)氣口布置傳聲器，能同樣檢測(cè)到以上兩個(gè)寬頻段噪聲，而整車進(jìn)氣口位置的噪聲消失，因此可以判斷打鼓聲來(lái)源于空壓機(jī)。公路客車一般都采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，空壓機(jī)作為其供能裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)共用進(jìn)氣系統(tǒng)，理論上可以認(rèn)為是由于空壓機(jī)活塞上下運(yùn)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門周期性地開閉，在空壓機(jī)進(jìn)氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)造成壓力脈動(dòng)從而輻射噪聲[1]。

1.2 原進(jìn)氣系統(tǒng)消聲仿真分析

通過(guò)Comsol Multiphysics軟件建立某客車進(jìn)氣系統(tǒng)有限元模型，按照網(wǎng)格尺寸低于最小聲波波長(zhǎng)1/6的原則[2]，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格由37 279個(gè)域單元、8 178個(gè)邊界單元和1 043個(gè)邊單元組成，進(jìn)氣入口為聲學(xué)出口，氣流出口為聲學(xué)入口[3]，如圖2所示。其中，空濾器的濾芯為多孔材料，在低頻段對(duì)聲波影響很小[4]，當(dāng)頻率較低時(shí)，帶有濾紙和不帶濾紙的空氣濾清器具有相同的消聲性能[5]，劃分網(wǎng)格時(shí)忽略濾芯的影響。

圖2 某客車進(jìn)氣系統(tǒng)有限元模型

傳遞損失反映了消聲器自身的固有屬性，不受聲源和出口阻抗的影響，是消聲器研究中最常用的性能指標(biāo)[6]。傳遞損失計(jì)算公式如下：

式中:Win、Wout分別為消聲器輸入和輸出聲功率，W；pin、pout為消聲器輸入和輸出聲壓，Pa；Sin、Sout為消聲器入口和出口截面積，m2[7]。因?yàn)榇蚬穆曋饕嬖谟?00～500 Hz之間，選取20～1 000 Hz為分析區(qū)間，2 Hz 為計(jì)算步長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算可以獲得進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線，如圖3所示，該進(jìn)氣系統(tǒng)僅280～380 Hz之間傳遞損失大于40 dB，其余頻率段內(nèi)傳遞損失均一般。

圖3 某客車原進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線

2 進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)及效果

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)氣系統(tǒng)中，一般只使用抗性消聲器[8]。一是因?yàn)榭剐韵暺鲗?duì)中低頻噪聲效果明顯；二是因?yàn)樽栊韵暺髦惺褂玫拿蕖诸惒牧侠匣髸?huì)對(duì)進(jìn)氣不利。在進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣濾清器屬于擴(kuò)張型消聲器，平均有20 dB以上的消聲量，如果繼續(xù)對(duì)空濾器消聲進(jìn)行優(yōu)化，聲學(xué)改善空間不大，同時(shí)還可能影響濾芯的更換和濾清效果[9]。由于打鼓聲來(lái)自于空壓機(jī)，為100～500 Hz間的兩個(gè)寬頻段的中低頻噪聲，因此在空壓機(jī)支管口設(shè)計(jì)安裝一個(gè)擴(kuò)張型消聲器是最理想的方案。另外，擴(kuò)張型消聲器安裝于空壓機(jī)支路，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣路線的影響可以忽略不計(jì)。

擴(kuò)張型消聲器是利用截面的突變引起聲阻抗發(fā)生變化，入射波到達(dá)擴(kuò)張室后，一部分能量被反射回進(jìn)氣管，入射波與反射波互相抵消一部分從而消聲。單腔擴(kuò)張型消聲器消聲量[10-11]為：

式中：m為擴(kuò)張比，l為擴(kuò)張腔長(zhǎng)度。當(dāng)sin22kl=1時(shí)，消聲量R達(dá)到最大值。消聲量最大值對(duì)應(yīng)的中心頻率fc為：

fc=(2n-1)c/4l

式中：n=1，2，3，…；c為聲速，取340 m/s。

由于進(jìn)氣噪聲為120～480 Hz頻段的噪聲，消聲器的消聲范圍需覆蓋這個(gè)區(qū)域，所以選取的中心峰值頻率需大于300 Hz。原空壓機(jī)進(jìn)氣管直徑為21 mm，綜合考慮消聲器性能與裝配空間，最終確定擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為250 mm，直徑為133 mm，此時(shí)擴(kuò)張比m=1332/212=40.11，對(duì)應(yīng)中心峰值頻率fc=340/(4×0.25)=340 Hz。將各參數(shù)代入公式計(jì)算，可以算出在中心頻率340 Hz位置的消聲量R=10lg[1+1/4×(40.11-1/40.11)2×1]=26.05 dB。

設(shè)計(jì)完成后建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，改進(jìn)后的有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。通過(guò)軟件仿真得到傳遞損失曲線，如圖5所示。對(duì)比改進(jìn)前和改進(jìn)后的傳遞損失曲線，可以發(fā)現(xiàn)120～480 Hz間各頻率對(duì)應(yīng)的傳遞損失分別提高了約20 dB，效果顯著。340 Hz位置傳遞損失改進(jìn)前為85.95 dB，改進(jìn)后為111.55 dB，提高了25.60 dB，與計(jì)算得到的R值相吻合。

圖4 某客車進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)后有限元模型

圖5 某客車進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)前后傳遞損失曲線

2.2 改進(jìn)效果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

增加空壓機(jī)擴(kuò)張型消聲器后，在原車上進(jìn)行進(jìn)氣口噪聲測(cè)試，通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)120～280 Hz、280～480 Hz兩個(gè)寬頻段之間的高峰已基本消除干凈，120～480 Hz間各頻率的噪聲幅值分別降低了約20 dB，進(jìn)氣口整體噪聲從88.5 dB(A)降低到77.1 dB(A)，降低了11.4 dB(A)，與仿真結(jié)果相吻合，從主觀感受上打鼓聲也明顯消失。改進(jìn)前后進(jìn)氣日噪聲頻譜如圖6所示。

圖6 某客車進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)前后進(jìn)氣口噪聲頻譜

空壓機(jī)上安裝擴(kuò)張型消聲器后，工作情況測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?，安裝消聲器以后，空壓機(jī)滿足空壓機(jī)廠提供的正常工作的限值。

表1 安裝消聲器后空壓機(jī)工作情況測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一款擴(kuò)張型消聲器，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行消聲處理，能有效提高系統(tǒng)傳遞損失，并在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的情況下降低進(jìn)氣口噪聲，消除進(jìn)氣系統(tǒng)中不舒服的打鼓噪聲問(wèn)題。

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