活塞式空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器聲學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)研究

吳 飛，劉蘇行，丁 軍，程 科

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

活塞式無油空壓機(jī)作為往復(fù)式機(jī)械的一種，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不僅有連桿、活塞等往復(fù)運(yùn)動零部件，而且有轉(zhuǎn)子、軸承、曲軸等旋轉(zhuǎn)部件，進(jìn)排氣系統(tǒng)管路以及閥片等。因此空壓機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理和噪聲源也比較復(fù)雜。研究表明在空壓機(jī)的眾多噪聲組成成分中，氣動噪聲所占的比例最大，而進(jìn)氣口噪聲是氣動噪聲的主要來源。在空壓機(jī)進(jìn)氣過程中進(jìn)氣口周期性的吸入空氣，高速氣流隨著進(jìn)氣閥門間歇性的開啟和關(guān)閉被吸入氣缸，在進(jìn)氣口附近就會產(chǎn)生壓力波動，以聲波的形式從進(jìn)氣口輻射出來，形成進(jìn)氣口噪聲[1]。

柯常忠等[2]對進(jìn)氣口閥片輻射噪聲進(jìn)行了研究和分析，采用數(shù)字分析法優(yōu)化閥片及其相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)，使進(jìn)氣口噪聲得到了一定程度的降低。邊穎娜[3]對某型號的高壓星型空壓機(jī)進(jìn)行了噪聲測試，測試數(shù)據(jù)表明進(jìn)氣噪聲是空壓機(jī)的主要噪聲源，結(jié)合進(jìn)氣噪聲的頻譜特性，設(shè)計了空壓機(jī)進(jìn)氣消聲器，并通過仿真驗(yàn)證了消聲器的消聲性能得到了改進(jìn)。

對于空壓機(jī)的進(jìn)氣口噪聲，降噪最有效的手段是安裝進(jìn)氣口消聲器?？諌簷C(jī)工作過程中的氣流脈動引起的氣動噪聲主要是以中低頻噪聲為主，抗性消聲器對中低頻噪聲有著較好的消聲效果，因此一般采用抗性消聲器[4]?；诖?，筆者在原裝消聲器的基礎(chǔ)上研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲器消聲性能的影響，分別研究消聲器空腔長度l，空腔直徑d，出口管長度b，以及擴(kuò)張腔級數(shù)n對傳遞損失的影響。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)的方式對比兩者的消聲效果，結(jié)果表明改進(jìn)后的消聲器消聲效果得到了明顯改善，進(jìn)氣口噪聲聲壓級明顯降低。

1 消聲器結(jié)構(gòu)

1.1 進(jìn)氣口噪聲測試

設(shè)計消聲器之前，要對空壓機(jī)的進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行測試，通過實(shí)驗(yàn)測試并分析進(jìn)氣口噪聲的主要頻譜特性，為消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

采用NI公司的PXIe-4492動態(tài)信號分析儀和NI公司與G.R.A.S. Sound & Vibration合作開發(fā)的測量級麥克風(fēng)搭建空壓機(jī)聲壓測試平臺。空壓機(jī)進(jìn)氣口噪聲測試是在額定工況下，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，拆卸掉進(jìn)氣口消聲器之后在進(jìn)氣口上方的15 cm處測試進(jìn)氣口噪聲。得到的進(jìn)氣口聲壓時域變化圖和聲壓級1/3倍頻譜分布圖如圖1和圖2所示。

圖1 進(jìn)氣口聲壓時域變化圖

圖2 聲壓級1/3倍頻程分布

由圖2可知，空壓機(jī)進(jìn)氣口噪聲主要分布在1 000 Hz以下，中心頻率在50 Hz、100 Hz、200 Hz、250 Hz、500 Hz和630 Hz時尤為突出，超過1 000 Hz的頻帶噪聲相對較小，高頻噪聲可能是由于氣體脈沖和缸內(nèi)氣柱共振造成的，這里主要關(guān)注進(jìn)氣口噪聲組成成分中的5 000 Hz以下的中低頻噪聲。

1.2 原裝消聲器結(jié)構(gòu)

空壓機(jī)的原裝消聲器實(shí)物如圖3所示，消聲器外殼為塑料材質(zhì)，中間為圓柱狀空腔，夾有紙質(zhì)空氣濾芯，過濾空氣中的灰塵等雜質(zhì)，有效減小空壓機(jī)內(nèi)部機(jī)械零部件的摩擦磨損，同時對消聲降噪也有一定的作用，在保留空氣濾芯的前提下，對消聲器內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計優(yōu)化，以提高消聲器聲學(xué)性能。

圖3 消聲器實(shí)物圖

空壓機(jī)的原裝消聲器是由一個膨脹腔和空氣濾芯組成的抗性消聲器，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。其中l(wèi)為空腔長度，d為空腔直徑，n為擴(kuò)張腔級數(shù)，a為隔板位置，b為出口管插入長度。

圖4 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)空壓機(jī)的進(jìn)氣噪聲頻譜可知，重點(diǎn)要降低50～1 000 Hz和2 000～5 000 Hz頻段的噪聲，主要為中低頻噪聲，依據(jù)消聲器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的消聲原理和消聲頻率，采取在原有抗性消聲器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)。由于安裝位置和尺寸的限制，空壓機(jī)進(jìn)氣口消聲器的部分尺寸已經(jīng)被限制：入口管長度為18 mm，入口管直徑為10 mm，出口管直徑為7.5 mm，出口管插入長度b≤80 mm，空腔長度l≤80 mm，空腔直徑d≤80 mm。

2 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.1 空腔長度l

原有消聲器的空腔長度l為50 mm，空腔直徑d為52 mm，保留其他尺寸不變，同時考慮到安裝尺寸的限制，研究空腔長度l對消聲器傳遞損失的影響，分別取l為50、65、80，建立對應(yīng)尺寸的消聲器三維模型，導(dǎo)入Virtual. Lab Acoustics采用聲學(xué)有限元(FEM)的方法對消聲器的傳遞損失進(jìn)行聲學(xué)仿真研究，3種空腔長度的消聲器的傳遞損失如圖5所示。

圖5 空腔長度l對傳遞損失的影響

由圖5可知：①傳遞損失為零的頻率稱為通過頻率，即消聲器在此頻率附近消聲性能較差。隨著消聲器空腔長度的增加，其通過頻率數(shù)目增多，且向低頻區(qū)移動；②消聲器的容積V隨著空腔長度l增加而變大，其截止頻率f0和傳遞損失最大值對應(yīng)的頻率向低頻區(qū)移動，對應(yīng)的帶寬變?。虎劭涨婚L度l=50 mm(原有消聲器)，傳遞損失帶寬較寬，但是在低頻段1 000 Hz以下的傳遞損失與空腔長度為65 mm和80 mm相比，傳遞損失相對較小，傳遞損失最大的頻率在2 000 Hz左右，l=65 mm時，傳遞損失最大的頻率在1 300 Hz左右，l=80 mm時，傳遞損失最大的頻率在1 000 Hz和3 200 Hz左右。

結(jié)合空壓機(jī)的進(jìn)氣噪聲的頻譜特性可知，在50～1 000 Hz之間對應(yīng)的聲壓級尤為突出，是消聲降噪關(guān)注的主要頻段，結(jié)合不同空腔長度l對傳遞損失的影響，同時考慮消聲器的安裝尺寸限制，空腔長度l=80的消聲器在主要消聲頻段的消聲效果較好。

2.2 空腔直徑d

原有消聲器的空腔直徑為52 mm，在保留其他尺寸不變的情況下，同樣考慮到安裝尺寸的限制，分別計算d=52 mm、d=66 mm、d=80 mm時對傳遞損失的影響，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 空腔直徑d對傳遞損失的影響

由圖6中數(shù)據(jù)可知：消聲器空腔直徑d發(fā)生變化時，對傳遞損失的影響較大，隨著空腔直徑的增大，在3 400 Hz以下的頻帶內(nèi)，直徑越大，傳遞損失越大，消聲量越大，在超過3 400 Hz的高頻區(qū)域傳遞損失變化較為劇烈，空腔直徑越小，在這個頻段消聲量相對較大。由于消聲器內(nèi)部流通介質(zhì)是確定的，因此可通過改變截面積來改善消聲器的消聲效果，具體措施有：①增大擴(kuò)張腔的直徑，但是擴(kuò)張腔直徑過大，導(dǎo)致消聲器體積過大，給安裝造成較大不便；②減小管道橫截面積，但是管道內(nèi)氣體流速隨著橫截面積的變小而增大，而高速氣體與管道內(nèi)壁相互作用會產(chǎn)生較高的氣體摩擦噪聲。

結(jié)合空壓機(jī)的進(jìn)氣噪聲的頻譜特性可知：在50～1 000 Hz之間對應(yīng)的聲壓級尤為突出，是消聲降噪關(guān)注的主要頻段，結(jié)合不同空腔直徑d對傳遞損失的影響，空腔直徑d越大，傳遞損失越大，消聲效果越好，但是考慮消聲器的安裝尺寸限制，空腔直徑d=80的消聲器在主要消聲頻段的消聲效果較好。

2.3 擴(kuò)張腔級數(shù)n

由于所研究的空壓機(jī)的消聲器整體尺寸相對較小，而且擴(kuò)張腔級數(shù)n過多時會給消聲器的加工和成本帶來較大影響，故只對擴(kuò)張腔級數(shù)n=1(中間無隔板)和n=2(中間有一層隔板)時的消聲器傳遞損失進(jìn)行建模和仿真研究。

消聲器空腔直徑為52 mm，長度為100 mm時，在消聲器中間部位增加一個2 mm的隔板，隔板中間的通過直徑為10 mm,與進(jìn)口管相同。分別建立兩者的消聲器聲學(xué)腔體模型，聲學(xué)網(wǎng)格模型如圖7所示，在Virtual. Lab Acoustics采用聲學(xué)有限元的方法[5](FEM),分別計算消聲器傳遞損失擴(kuò)張腔級數(shù)n對傳遞損失的影響如圖8所示。

圖7 消聲器有/無隔板聲學(xué)網(wǎng)格模型

圖8 擴(kuò)張腔級數(shù)n對傳遞損失的影響

由圖8可知：①隨著擴(kuò)張腔級數(shù)增多，消聲器最大消聲量變大；②擴(kuò)張腔級數(shù)為1時，通過頻率為2 100 Hz左右，而擴(kuò)張腔級數(shù)為2時的通過頻率為800 Hz左右，即隨著擴(kuò)張腔級數(shù)增加，通過頻率向低頻區(qū)移動；③擴(kuò)張腔級數(shù)為1時，在200～1 200 Hz區(qū)域，傳遞損失較大，消聲效果較好，而擴(kuò)張腔級數(shù)為2時在1 200 Hz-3 800 Hz區(qū)域，傳遞損失較大，消聲效果較好。

結(jié)合空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜特性可知：在50～1 000 Hz之間對應(yīng)的聲壓級尤為突出，是消聲降噪關(guān)注的主要頻段，結(jié)合擴(kuò)張腔級數(shù)n為1和2時對傳遞損失的影響程度可知，擴(kuò)張腔級數(shù)為1時，對50～1 000 Hz頻段之間的消聲效果更好。擴(kuò)張腔級數(shù)為2時，對1 200～3 800 Hz頻段之間的消聲效果更好，且效果要明顯優(yōu)于擴(kuò)張腔級數(shù)為1時的消聲器。

2.4 進(jìn)/出口管插入長度

為了了解進(jìn)/出口管有無插入長度對傳遞損失的影響[6]，以空腔長度l=50 mm，空腔直徑d=52 mm時，研究進(jìn)/出口管有無插入長度對傳遞損失的影響。有插入長度時對應(yīng)的插入長度分別為：進(jìn)口管插入長度c=25 mm(l/2)，出口管插入長度b=12.5 mm(l/4)，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 入口管插入長度對傳遞損失的影響

由圖9可知：進(jìn)/出口管有無插入長度對于1 000 Hz以下的低頻噪聲的傳遞損失影響較小，兩者傳遞損失基本重合。而對于1 000～3 000 Hz頻段的噪聲傳遞損失影響較大，對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在此頻段中有進(jìn)/出口管插入長度的消聲器的傳遞損失要明顯優(yōu)于無插入管的，傳遞損失平均要高10 dB左右，高于3 000 Hz的頻段有進(jìn)/出口管插入長度的消聲器也要優(yōu)于無插入管的。

3 消聲器聲學(xué)能數(shù)值仿真

經(jīng)過改進(jìn)的消聲器三維模型和聲學(xué)網(wǎng)格如圖10和圖11所示。

圖10 消聲器三維模型

圖11 消聲器聲學(xué)網(wǎng)格模型

將消聲器聲學(xué)模型導(dǎo)入Virtual. Lab Acoustics，采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm，流體介質(zhì)選擇為空氣，聲速340 m/s，密度1.225 kg/m3，選擇計算頻段為20～5 000 Hz，對消聲器聲學(xué)傳遞損失進(jìn)行仿真[7]。與原裝消聲器傳遞損失結(jié)果對比如圖12所示。

圖12 改進(jìn)后的消聲器與原裝消聲器傳遞損失對比圖

由圖12可知：改進(jìn)后的消聲器的傳遞損失整體要優(yōu)于原裝消聲器，在50～1 000 Hz頻段，平均消聲量達(dá)到30 dB，而原裝的消聲器在此頻段平均消聲量只有17 dB；在1 000～2 000 Hz之間，改進(jìn)后的消聲器平均消聲量達(dá)到43.35 dB，而原裝的消聲器在此頻段平均消聲量只有25.74 dB；在2 120 Hz時消聲器傳遞損失突然下降到13.7 dB左右，可能是激發(fā)了某一階消聲器的聲模態(tài)，導(dǎo)致傳遞損失出現(xiàn)了低谷。在2 200～4 100 Hz之間，改進(jìn)后的消聲器平均消聲量達(dá)到36.94 dB，而原裝的消聲器在此頻段平均消聲量只有18.63 dB；而在超過4 100 Hz的頻段原有消聲器要優(yōu)于改進(jìn)的消聲器，但是此頻段與空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜特性并不相符。因此以進(jìn)氣噪聲的頻譜特性為主要分析對象可知，在50～1 000 Hz之間，改進(jìn)后的消聲器平均消聲量達(dá)到37.94 dB，而原裝的消聲器在此頻段平均消聲量只有17.24 dB。證明優(yōu)化后的消聲器的聲學(xué)性能要明顯優(yōu)于原裝消聲器。

4 實(shí)驗(yàn)對比

以改進(jìn)后的進(jìn)氣口消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)加工消聲器并安裝到空壓機(jī)的進(jìn)氣口。因?yàn)椴迦霌p失反映了消聲器的實(shí)際消聲效果，且現(xiàn)場測量相對比較容易，是消聲器聲學(xué)性能的最終評價指標(biāo)[8-9]。

因此測量安裝了改進(jìn)后的消聲器進(jìn)氣口1/3倍頻程聲壓分布，然后計算其插入損失，并與原裝消聲器插入損失數(shù)對比，結(jié)果如圖13所示。

圖13 插入損失數(shù)對比圖

由圖13可知：改進(jìn)后的消聲器的插入損失平均提高了3 dB，特別是在200～1 000 Hz之間，由于空壓機(jī)的主要噪聲分布在此頻段，改進(jìn)后的消聲器在200～1 000 Hz的插入損失平均提高了4.7 dB左右，消聲效果明顯提高。而對于高頻噪聲消聲效果變化較小，這主要由于抗性消聲器主要用于消除低中頻噪聲，對寬帶高頻噪聲的消聲效果比較差[10]。

5 結(jié)論

(1)空壓機(jī)進(jìn)氣口噪聲在5 000 Hz以下尤為突出，其中800 Hz時最高，達(dá)到96 dB。測試結(jié)果表明進(jìn)氣口噪聲組成成分主要是5 000 Hz以下的中低頻噪聲。

(2)消聲器空腔長度l，空腔直徑d，出口管長度b，以及擴(kuò)張腔級數(shù)n對傳遞損失分別有著不同的影響。分別建立對應(yīng)尺寸的消聲器三維模型，導(dǎo)入Virtual. Lab Acoustics進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失仿真，通過對比仿真結(jié)果得到消聲器合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)對改進(jìn)后的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入Virtual. Lab Acoustics進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失仿真并與原裝消聲器進(jìn)行對比，結(jié)果表明優(yōu)化后的消聲器的聲學(xué)性能要明顯優(yōu)于原裝消聲器。

(4)通過實(shí)驗(yàn)的方式測量和驗(yàn)證優(yōu)化后的消聲器的聲學(xué)特性。對比兩者的插入損失，結(jié)果改進(jìn)后的消聲器在200～1 000 Hz的插入損失平均提高了4.7 dB左右，消聲效果明顯提高。