消聲元件安裝位置對消聲效果的影響

高東東，呂勤，徐立強(qiáng)，鄭超

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司, 安徽合肥 230601

0 引言

隨著市場發(fā)展，顧客對汽車的品質(zhì)越來越關(guān)注，噪聲、振動與聲振粗糙度(noise vibration harshness,NVH)是決定汽車品質(zhì)感最重要的指標(biāo)[1-2]。在汽車的噪聲組成中，進(jìn)氣噪聲是車輛的主要噪聲源，改善進(jìn)氣噪聲的主要措施是在進(jìn)氣系統(tǒng)中添加消聲元件，以有效衰減進(jìn)氣口噪聲。消聲元件的消聲效果除與消聲元件的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)外，還與其在進(jìn)氣系統(tǒng)上的布置位置有關(guān)，位置不合適可能達(dá)不到預(yù)期效果。因此研究消聲元件安裝位置對消聲效果的影響規(guī)律，對于消聲元件的設(shè)計(jì)和安裝具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

根據(jù)管道聲學(xué)理論，共振消聲元件應(yīng)安裝在系統(tǒng)聲模態(tài)的反節(jié)點(diǎn)處。如果把消聲元件安裝在節(jié)點(diǎn)處，將達(dá)不到消聲效果[5-6]。為了驗(yàn)證上述理論規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用效果，本文中列舉了兩個最為常見的案例，四分之一波長管和赫姆霍茲諧振腔消聲元件，選擇消聲量和管口階次噪聲作為評價(jià)指標(biāo)，通過試驗(yàn)和仿真手段對比消聲元件安裝在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)位置的消聲能力差異。

1 四分之一波長管安裝位置對消聲量的影響

1.1 管道聲模態(tài)

聲波從管道入口端發(fā)射出來，傳播到尾端。管道尾端通常有開口和閉口兩種情況。對于進(jìn)氣系統(tǒng)管口階次噪聲，尾端連接大氣，為開口端。因此，進(jìn)氣系統(tǒng)可以認(rèn)為是開口-開口的管道系統(tǒng)。選擇某一開口-開口的直管道為例，根據(jù)管道聲學(xué)理論，其管道中聲音共振頻率[7]

(1)

式中：n為階次；c為聲速，m/s；L為管道長度，m。

如果管子長度為800 mm，由式(1)可知第2階共振頻率為425 Hz，通過聲學(xué)分析軟件算得對應(yīng)的聲模態(tài)振型如圖1所示，其中幅值為0處為模態(tài)節(jié)點(diǎn)位置，峰值點(diǎn)為反節(jié)點(diǎn)位置。

在該800 mm直管中加入消除425 Hz的消聲元件，將其布置在節(jié)點(diǎn)位置、反節(jié)點(diǎn)位置及其他位置，對比不同位置的消聲效果。消聲效果可以用入口處和出口處的聲壓級差即消聲量來評價(jià)，因?yàn)橄暳靠梢苑从嘲惭b位置對消聲效果的影響。

消聲量的測量和計(jì)算都非常簡單，定義式可表示為：

式中:NR為消聲量，dB；P1和P2分別為入口處和出口處的聲壓，Pa；Lp1和Lp2分別為入口處和出口處的聲壓級，dB。

1.2 消聲量試驗(yàn)

共振頻率為425 Hz的消聲元件可以采用四分之一波長管布置在直管上。試驗(yàn)用樣件選用直徑為18 mm、長度為194 mm的波長管和直徑為32 mm、長度為800 mm的主管道。

四分之一波長管分別布置在主管道的反節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)位置，如圖2所示(圖中長度單位為mm)。

坤二少爺聽罷，心中甚是惱怒。琵琶仙年輕貌美，多情重義，品藝雙馨，是何等冰清玉潔的人物，豈能讓一介土財(cái)主玷污！但是莊大善人住在沙河沿。那是一個偏遠(yuǎn)所在，距油鋪有數(shù)十里山地，坤二少爺從未去過。百里香也未見過莊大善人，對莊府的情況一無所知。坤二少爺閉目沉思片刻，便如此這般交待一番。百里香雖不明個中道理，但也不好多問，只得遵令而行。

本文中借用測量傳遞損失的聲源設(shè)備作為輸入，測量直管上布置四分之一波長管后的消聲量，現(xiàn)場布置如圖3所示，利用傳遞損失測試設(shè)備產(chǎn)生白噪聲，入口和出口處布置麥克風(fēng)，以測量聲壓級差即消聲量。

對測量的入口聲壓級和出口聲壓級進(jìn)行差值計(jì)算得到消聲量，如圖4所示。由圖4可知共振頻率為425 Hz的消聲量大小順序?yàn)椋悍垂?jié)點(diǎn)位置大于其他位置大于節(jié)點(diǎn)位置，節(jié)點(diǎn)位置消聲量最小，試驗(yàn)結(jié)果與理論推測完全吻合。

1.3 消聲量仿真

按照試驗(yàn)測量消聲量的思路，利用LMS Virtual. Lab軟件計(jì)算消聲量，計(jì)算方法為：首先導(dǎo)入有限元模型，模型的聲學(xué)入口處延長40 mm，以穩(wěn)定聲速邊界，定義面板單位振速為1 m/s，模擬噪聲入口；聲學(xué)出口延長兩個單元尺寸，延長部分表面殼單元定義自動匹配聲輻射邊界層，模擬管口大氣邊界，計(jì)算模型如圖5所示。

對模型進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算，提取入口1點(diǎn)和出口2點(diǎn)處的聲壓級結(jié)果如圖6所示。

波長管布置在反節(jié)點(diǎn)處時(shí)，出口聲壓級在425 Hz處有一個明顯波谷，即有顯著消聲效果。將1點(diǎn)處的聲壓級減去2點(diǎn)處的聲壓級，得到消聲量的計(jì)算結(jié)果。反節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)位置的消聲量仿真與測試對比情況如圖7、8所示。

由圖7、8可知，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好，均能反映出目標(biāo)消聲頻段的消聲能力，仿真方法正確可行。

2 諧振腔安裝位置對管口階次噪聲的影響

某發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管口階次噪聲一維仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，進(jìn)氣系統(tǒng)階次總噪聲在4000 r/min時(shí)出現(xiàn)峰值，而且發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管噪聲主要由4階次噪聲引起，對應(yīng)頻率為267 Hz。

計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)如圖10所示(圖中單位為Pa)。由圖10可知，頻率為267 Hz與進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)中第3階聲模態(tài)固有頻率282 Hz最接近。

赫姆霍茲諧振腔是一種最典型的低頻消聲器，由一個消聲容器和一根短管組成，短管與主管道連接，如圖11所示。其利用管道交界面處聲阻抗的變化，使某些頻率的聲波被反射回聲源，從而減少了出射聲波而降低噪聲。267 Hz的噪聲可以通過增加赫姆霍茲諧振腔進(jìn)行消減。

根據(jù)平面波理論，得到赫姆霍茲諧振腔的共振頻率計(jì)算公式[8]為：

(2)

式中：fr為共振頻率，Hz;Sc為連接管截面積， m2；lc為連接管長度，m；V為諧振腔容積,m3。

傳遞損失計(jì)算公式[9]為：

(3)

式中:Sm為主管截面積，m2。

按照式(2)(3)，并考慮連接管與主管道和諧振腔的端部修正[10-11]，計(jì)算得到共振頻率267 Hz的赫姆霍茲諧振腔尺寸為：體積為0.8 L，連接管直徑為30 mm，長度為10 mm。為了驗(yàn)證諧振腔布置位置對消聲效果的影響，分別選擇第3階進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)位置作為諧振腔的布置位置，如圖12所示。

將更新后的模型進(jìn)行一維氣動噪聲計(jì)算，進(jìn)氣管口4階噪聲如圖13所示。由圖13可知，消聲元件安裝在節(jié)點(diǎn)位置和反節(jié)點(diǎn)位置均有效果，但安裝在反節(jié)點(diǎn)位置效果更好，相比于節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)一步降低了24 dB，再一次證明反節(jié)點(diǎn)位置是消聲元件的最佳布置位置。

3 結(jié)論

從試驗(yàn)和仿真角度論證了四分之一波長管安裝位置對消聲量的影響規(guī)律，并從仿真角度驗(yàn)證了諧振腔安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)位置的消聲效果差異。兩個案例的分析結(jié)果充分驗(yàn)證了理論的正確性，即消聲元件最佳安裝位置是在對應(yīng)頻率聲學(xué)系統(tǒng)模態(tài)的反節(jié)點(diǎn)處。