某柴油機排氣消聲器低頻噪聲優(yōu)化控制

陳國強，劉俊龍，胡亮，孟祥旗，柴洋

濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

發(fā)動機噪聲是整車噪聲的主要噪聲源，排氣噪聲是發(fā)動機的主要噪聲源之一。低頻噪聲的穿透能力強，排氣低頻噪聲對車內(nèi)噪聲的強度、轟鳴、煩躁等主觀聽覺感知特征產(chǎn)生重要影響[1]。因此，有效控制排氣低頻噪聲尤為重要。目前，為降低排氣噪聲，通常在排氣系統(tǒng)中安裝適當(dāng)?shù)呐艢庀暺?，在不改變發(fā)動機及其零部件的情況下，使排氣噪聲得到大幅衰減[2]。本文中通過優(yōu)化設(shè)計不同抗性消聲元件，提供一種排氣低頻噪聲的消聲器優(yōu)化設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)。

1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖1所示。根據(jù)試驗或性能仿真得到不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下排氣出口處的排氣噪聲頻譜、排氣流量、溫度等參數(shù)；根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的噪聲頻譜，確認主要的消聲頻率及消聲量，進而確定所需要的擴張腔、共振腔等消聲單元的基本參數(shù)[3]，兼顧排氣背壓的要求，通過對不同基本消聲元件組合，獲得所需排氣消聲器的傳遞損失，在噪聲頻域內(nèi)對所需頻率段進行針對性的降噪處理，實現(xiàn)對噪聲的定量控制。

圖1 消聲器設(shè)計流程圖

消聲器的消聲指標(biāo)主要有傳遞損失、插入損失、聲壓差等[4]，其中插入損失、聲壓差為時域參數(shù)，其結(jié)果是綜合聲源特性、消聲器消聲能力后的時域結(jié)果。為評估消聲器的頻域特性，采用傳遞損失更為合適。傳遞損失定義為頻域內(nèi)消聲元件入口處的聲功率級與出口處透射聲功率級的差[5]。

根據(jù)消聲原理，消聲器通常包含抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器[6]。1)阻性消聲器主要利用多孔吸聲材料與聲波的摩擦、阻尼等將聲能轉(zhuǎn)換為熱能，達到消聲目的，適用于中高頻，對于低頻噪聲的消聲效果較差[7]，消聲效果受排氣流速影響較大，且由于積碳等因素，長期使用時消聲能力存在不同程度惡化，同時，增加了排氣背壓。2)抗性消聲器是基于管路截面積的變化，通過聲波反射、干涉、共振等方式，改變聲波的傳播特性達到消聲目的的一種消聲元件[8]?？剐韵暺鞑恍枰嗫孜暡牧?，因此，其環(huán)境適應(yīng)性有明顯優(yōu)勢。3)阻抗復(fù)合式消聲器集成了阻性消聲器、抗性消聲器結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)寬頻的消聲能力，通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?？紤]到本柴油機的成本、應(yīng)用、環(huán)境使用要求，本次設(shè)計采用抗性消聲器。

2 抗性消聲器設(shè)計理論

2.1 擴張腔

擴張腔是消聲器應(yīng)用最廣泛的基本消聲單元之一，利用管道截面突變處聲阻抗的變化，引起聲波反射進行消聲。同時，針對截面的突變帶來較大的壓力損失，采用穿孔管消聲器可兼顧消聲性能及改善阻力特性。典型的擴張腔消聲器傳遞損失[9]

(1)

式中：La、Lb分別為擴張腔進、出口插入管的長度，m；k為擴張比，即擴張腔腔體截面積與進排氣管截面積的比；λ為聲波波長，m；L為擴張腔長度，m。

典型的擴張腔結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：D為擴張腔內(nèi)腔直徑，m；d為插入管直徑，m；擴張腔進、出口插入管的長度通常設(shè)置為相同尺寸。

圖2 擴張腔示意圖

擴張腔中心消聲頻率

fa=(2n-1)c/(4L)，

(2)

式中：n為正整數(shù);c為聲速,m/s。

由式(1)可知，影響擴張腔消聲能力的因素主要有擴張比、擴張腔長度、插入管的長度。擴張比影響消聲量，擴張腔長度影響消聲頻率，插入管長度同時影響消聲頻率及幅值。帶內(nèi)插管的擴張腔阻力損失增加較為顯著，最可行的方法是采用穿孔管結(jié)構(gòu)；為兼顧中低頻消聲能力，提升消聲量[10]，一般插入管的長度分別設(shè)置為L/4和L/2，如圖3所示。為避開通過頻率，使擴張腔在較寬的頻率范圍內(nèi)有較高的消聲能力，建議各擴張腔長度比為2/3，如包含3個擴張腔的消聲器，擴張腔長度比例建議為9:6:4。

圖3 穿孔管布置示意圖

2.2 共振式消聲單元

基本共振式消聲器由主管道、連接管道和共振腔構(gòu)成[11]，如圖4所示。聲波進入共振腔內(nèi)，空氣受聲波激勵，由于共振腔的聲阻、聲質(zhì)量的損耗作用，類似于機械系統(tǒng)的動力吸振器，將聲能轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，特別是當(dāng)聲波頻率與共振腔固有頻率相同時，將激起共振腔共振，消耗大量聲能，達到消聲目的。

圖4 共振式消聲器

由于共振式消聲器的消聲帶寬較窄，準(zhǔn)確確定消聲頻率至關(guān)重要。古典共振腔集中參數(shù)模型消聲頻率[12]

(3)

式中：Ac為連接管截面積，m2；lc為連接管長度，m；V為共振腔體積，m3。

共振腔消聲器傳遞損失

(4)

式中：f為頻率，Hz；Am為主管的截面積，m2。

由式(3)(4)可知，影響共振式消聲器消聲頻率和傳遞損失的參數(shù)有V、lc、Ac、Am。

相關(guān)試驗及三維仿真研究表明，古典共振腔集中參數(shù)模型忽略了連接管與共振腔內(nèi)的質(zhì)量分布及聲波運動，計算得到的共振頻率偏差較大，因此，需要對lc進行修正，連接管長度修正量[13]

(5)

式中：dc為連接管直徑，m；h為共振腔深度，m；a為共振腔截面寬邊長度，m。

修正后的連接管長度

(6)

3 消聲器設(shè)計

根據(jù)典型的抗性消聲器基本消聲器單元消聲原理，基于某V型12缸柴油機在實際應(yīng)用工況下的需求進行消聲器設(shè)計，柴油機額定轉(zhuǎn)速為1800 r/min、額定功率為2000 kW、額定轉(zhuǎn)速時排氣管出口溫度為450 ℃。

3.1 排氣噪聲邊界

采集無消聲器狀態(tài)下排氣管出口處噪聲頻譜，明確發(fā)動機排氣噪聲頻率分布，針對性地進行消聲器設(shè)計，測試車輛處于原地定置狀態(tài)，GRAS麥克風(fēng)(靈敏度為47 mV/Pa)位于排氣管出口2 m、斜下方45°處，發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速，使用LMS噪聲測試分析儀測試噪聲。整車狀態(tài)下，實測發(fā)動機排氣口空管噪聲頻率分布(無消聲器狀態(tài))如圖5所示。

a) 低頻 b) 全頻

由圖5可知：排氣噪聲是以頻率為90、180 Hz左右的主要噪聲頻譜，特別是頻率為90 Hz時的排氣噪聲最大。

根據(jù)以上分析，設(shè)計排氣管消聲器，重點提高低頻率段下的消聲能力，同時兼顧中高頻率段的消聲效果。設(shè)計目標(biāo)為：頻率為90 Hz附近噪聲(以A計權(quán))降低15 dB以上，180 Hz附近噪聲降低10 dB以上。

外特性工況，排氣管出口處(消聲器入口)的排氣溫度為450 ℃，此時聲速為540 m/s，空氣密度為0.58 kg/m3；空載工況，排氣溫度為150 ℃，此時聲速為412 m/s，空氣密度為0.83 kg/m3。

3.2 消聲器幾何設(shè)計

消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示?？傮w采用長直管的設(shè)計方案，保證較低的排氣背壓；采用長度不同的擴張腔(L、2L/3、L/2，…)組合，提高中低頻消聲能力；采用漸縮管增大擴張腔的擴張比，提高擴張腔消聲量；采用不同長度的插入管，改變中心消聲頻率，并提高擴張腔消聲效果；采用穿孔管，降低插入管的排氣背壓；采用不同連接管長度、直徑、共振腔體積的共振腔組合，提高低頻消聲能力，保證在低頻下具有較高的消聲能力。基于此方案設(shè)計的消聲器，可通過增加擴張腔-共振腔的方式進行消聲能力的擴展，不改變主體結(jié)構(gòu)，擴展性較好。消聲器漸縮(漸擴)管大徑與小徑的比為1.6，其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，主要消聲頻率如表2所示。

圖6 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 消聲器主要參數(shù) mm

表2 消聲器主要消聲頻率

通過以上控制參數(shù)的選取，可提高消聲器全頻段消聲能力，且具有較低的排氣背壓(長直管為主，本文中不再進行計算評估)，對不同轉(zhuǎn)速、排溫、流速工況均可達到較好的適應(yīng)性。

3.3 傳遞損失計算

消聲器入口采用單位功率平面波邊界，出口采用自動匹配層(automatically matched layer,AML)，基于聲模態(tài)法計算消聲器傳遞損失。由于本模型中采用密集穿孔管，若采用實際結(jié)果進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量巨大，網(wǎng)格質(zhì)量也較差。為解決該問題，在穿孔管區(qū)域兩邊的網(wǎng)格定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系模擬這些小孔。消聲器計算中，傳遞導(dǎo)納關(guān)系的計算式[14]為：

,

(7)

式中：vn1、vn2為穿孔管兩側(cè)的法向振動速度，m/s；p1、p2為穿孔管兩側(cè)聲壓，Pa；K為圓管內(nèi)徑與外徑之比；β為導(dǎo)納，β=1/Zp，Zp為阻抗，Zp=Rp+jXp，其中，Rp為阻抗的實部，Xp為阻抗的虛部。

當(dāng)穿孔管的厚度l比孔的2倍直徑4a小很多時(l<<4a)，阻抗的實部Rp和虛部Xp可表示為：

(8)

(9)

式中：ε為穿孔管孔隙率，即孔的體積與管的體積之比；ω為角頻率，ω=2πf；a為孔的半徑，m；η為流體動力黏度，Pa·s；ρ為流體的密度，kg/m3；Δ(l)為修正項，m；d為孔間距，m。

對于邊長為d的正方形，

ε=πa2/d2，

(10)

(11)

空載及部分負荷工況時，消聲器傳遞損失計算結(jié)果如圖7所示。

a)全頻 b)低頻、排氣溫度為450 ℃ c)低頻、排氣溫度為150 ℃

由圖7可知：空載及部分負荷工況時，排氣溫度降低，低頻消聲頻率由90 Hz降低至70 Hz左右，其他消聲頻率均有不同比例的左移；不同溫度下，消聲器消聲能力可覆蓋70～135 Hz，可以保證90 Hz附近始終有較高的消聲能力。因此，該消聲器可以提升90 Hz消聲的穩(wěn)健性，在90 Hz附近的消聲能力為17～30 dB，180 Hz附近的消聲能力為10 dB以上；同時兼顧提升70～1700 Hz中低頻消聲能力。

3.4 排氣噪聲驗證

采用優(yōu)化設(shè)計的排氣消聲器進行試驗驗證，測試工況及測點布置與采集無消聲器排氣管出口噪測試相同，消聲器消聲效果(1/6倍頻程)如表3所示，有、無消聲器排氣噪聲對比如圖8所示。

表3 消聲器消聲效果(1/6倍頻程)

圖8 排氣噪聲對比

由表3可知：試驗結(jié)果重點關(guān)注的頻率為90、180 Hz附近噪聲明顯降低，頻率為94 Hz時有消聲器的噪聲降低了16 dB，頻率為188 Hz時有消聲器的噪聲降低了12 dB，達到了預(yù)期的降噪效果，有效實現(xiàn)了低頻噪聲的定量控制。由圖8可知：消聲器在全頻段均有不同程度的消聲能力，帶消聲器的排氣噪聲明顯降低，降噪效果顯著。

4 結(jié)語

通過對基本消聲器單元進行理論分析，提出了一種適用于低頻噪聲控制的消聲器設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)；通過采用不同長度擴張腔、不同共振腔組合以實現(xiàn)全頻段消聲能力，兼顧不同流速、溫度下消聲能力。

通過試驗驗證，基于以上方案設(shè)計的消聲器，有效降低了低頻排氣噪聲，達到了預(yù)期降噪效果，有效實現(xiàn)了低頻噪聲的定量控制，達到了90 Hz附近噪聲降低15 dB以上、180 Hz附近噪聲降低10 dB以上的設(shè)計目標(biāo)，并可兼顧負荷變化時排氣溫度對消聲頻率的影響，提高了設(shè)計的可靠性。