基于傳遞矩陣的內(nèi)燃機(jī)電站排氣消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳曉紅，林曉軍

（蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，蘭州 730050）

0 引言

內(nèi)燃機(jī)電站是一種廣泛應(yīng)用于郵電、通訊、賓館、醫(yī)院、邊防、野外、施工等領(lǐng)域的發(fā)電設(shè)備。然而，由于其運(yùn)轉(zhuǎn)中的噪聲頻帶寬、聲壓級(jí)高，嚴(yán)重污染周圍的環(huán)境，在某些場(chǎng)合限制了它的使用。作為降低噪聲源的一種有效途徑，消聲器特別是抗性消聲器得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但由于抗性消聲器工作狀態(tài)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，進(jìn)行模擬計(jì)算較為困難，所以抗性消聲器的設(shè)計(jì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即根據(jù)國(guó)內(nèi)外較成功的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有資料推薦的參數(shù)，制成若干個(gè)不同類型的消聲器，然后進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)，選出較優(yōu)的方案。這種方法由于缺乏嚴(yán)密的設(shè)計(jì)理論，聲學(xué)性能差，消聲量低，周期長(zhǎng)、成本高，很難滿足現(xiàn)行的環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。為此我們將優(yōu)化算法與傳遞矩陣法相結(jié)合，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)電站排氣消聲器計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 排氣消聲器的設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)消聲器設(shè)計(jì)必須滿足三個(gè)要求：一是在各個(gè)頻帶上要有足夠的消聲量，二是要有良好的空氣動(dòng)力性能，三是要保證消聲器的結(jié)構(gòu)性能。上述三個(gè)要求中，消聲量是衡量消聲器性能優(yōu)劣最為主要的指標(biāo)。本文以30 kw內(nèi)燃機(jī)電站為設(shè)計(jì)研究對(duì)象，為了確定消聲器消聲量，我們首先對(duì)該內(nèi)燃機(jī)未加消聲器時(shí)的噪聲進(jìn)行了測(cè)量，得到其排氣口測(cè)的排氣噪聲為100.98dB(A)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)電站的設(shè)計(jì)要求，此次設(shè)計(jì)的消聲器消聲量應(yīng)在25～30dB(A)。依據(jù)相關(guān)資料本次設(shè)計(jì)出的30GTS低噪聲電站廢氣排氣消聲器為兩級(jí)抗性消聲器，該消聲器具有4個(gè)直徑和長(zhǎng)度相等的內(nèi)插管均布在圓周上，內(nèi)插管面積為S5且S0=4S5，如圖1所示。試驗(yàn)測(cè)定該消聲器的消聲量為23.85 dB(A)，接近預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖意圖

2 計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述消聲器的消聲量與預(yù)期的目標(biāo)消聲量25dB(A)僅相差1.15dB(A)，具有較好的消聲結(jié)果。但是，該消聲器是參考有關(guān)資料確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的，并非最優(yōu)值。為確保內(nèi)燃機(jī)電站整 體降噪效果，必須提高消聲器的消聲性能。為避免試制過多結(jié)構(gòu)和參數(shù)的消聲器，我們采用傳遞矩陣法對(duì)設(shè)計(jì)的消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能的預(yù)評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 優(yōu)選模型的建立

消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)要綜合考慮聲學(xué)性能（消聲量和頻譜特性）、空氣動(dòng)力性能（壓力損失）和消聲結(jié)構(gòu)性能等多方面因素。鑒于前述設(shè)計(jì)的消聲器的消聲量接近目標(biāo)消聲量25dB(A)，而其功率損失和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都符合要求，同時(shí)為了克服由于消聲器結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，工況復(fù)雜而造成的優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)上的困難，本次消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)將不改變?cè)暺鞯慕Y(jié)構(gòu)型式，僅僅優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

在消聲器結(jié)構(gòu)型式確定后，其所限制的空氣動(dòng)力性指標(biāo)也相應(yīng)地確定。因此，消聲器的消聲頻率特性是以消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量的函數(shù)。本文就以消聲器的消聲指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)。

在采用消聲指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)時(shí)存在多點(diǎn)尋優(yōu)的問題，本文中采用符合目前噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的A計(jì)權(quán)合成聲壓級(jí)，將多點(diǎn)尋優(yōu)轉(zhuǎn)化成單點(diǎn)尋優(yōu)，以經(jīng)過消聲器后的內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲的A計(jì)權(quán)合成聲壓級(jí)最小為目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的排氣噪聲倍頻程聲壓級(jí)為L(zhǎng)i，各個(gè)頻程上的A計(jì)權(quán)系數(shù)為Ai，合成后的A計(jì)權(quán)合成聲壓級(jí)為[2,3]：

通常采用插入損失IL來評(píng)價(jià)消聲器的消聲性能，為獲得消聲器的插入損失IL，可以用一段等長(zhǎng)的直管代替消聲器，并設(shè)管道系統(tǒng)在消聲器裝置安裝前后的四端子參數(shù)分別為A′、B′、C′、D′和A、B、C、D，管道尾管的輻射聲阻為R，則利用消聲器傳遞矩陣法可得消聲器插入損失的表達(dá)式為：

由于上式參數(shù)大小與頻率有關(guān)，因此，它表示各給定頻率成分的消聲效果。通過的頻率不同，所得的插入損失也就不同，對(duì)于寬頻帶噪聲常使用倍頻程或1/3倍頻程劃分頻帶，故在計(jì)算各頻帶的消聲量時(shí)，需要對(duì)該頻段以頻帶的上下頻率為范圍進(jìn)行積分，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

如果消聲器在各個(gè)頻程上的插入損失計(jì)算值為ILi，則安裝消聲器后各頻程上的噪聲聲壓級(jí)為：

因而得到合成后的A計(jì)權(quán)合成聲壓級(jí)為：

則目標(biāo)函數(shù)為：

2.1.2 設(shè)計(jì)變量

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)除了保證提高消聲器的消聲量，同時(shí)還要保證其功率損失不超過規(guī)定的要求。為此，在消聲器結(jié)構(gòu)形式保持不變的前提下，把主管道的直徑和內(nèi)插管的直徑取為原設(shè)計(jì)中的定值，將各擴(kuò)張室長(zhǎng)度、插入管長(zhǎng)度和擴(kuò)張室直徑作為可變結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得到6個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，各變量含義如圖2所示。

圖2 消聲器簡(jiǎn)化模型

2.1.3 約束條件

考慮到隔聲罩內(nèi)的消聲器安裝空間以及消聲器的小型化，上述各設(shè)計(jì)變量的上限均取為消聲器的原值；設(shè)計(jì)變量下限取值主要考慮內(nèi)插管在消聲器結(jié)構(gòu)上的限制，防止出現(xiàn)尺寸的干涉；同時(shí)考慮插入管擴(kuò)張室消聲器通過頻率的消除，可以得到尺寸約束條件如下：

2.2 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及結(jié)果分析

2.2.1 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)程序是以上述計(jì)算模型為基礎(chǔ)，用VB語言編寫。優(yōu)化計(jì)算子程序采取循環(huán)方式，設(shè)計(jì)變量在給定的取值范圍內(nèi)循環(huán)計(jì)算，尋求目標(biāo)函數(shù)的最小值，優(yōu)化計(jì)算子程序的工作流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算得到的消聲器倍頻程插入損失曲線、消聲器消聲量計(jì)算結(jié)果和消聲器尺寸參數(shù)如圖4所示。從中可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算后的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值為73.147 dB(A)，消聲器的消聲量為27.743dB(A)，比原消聲器消聲量有一定提高。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果顯示界面

3 消聲器優(yōu)化結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證傳遞矩陣計(jì)算的可靠性和確定消聲器的消聲量，將經(jīng)過優(yōu)化后的消聲器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，我們按GB/T4795-1995《內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法》，對(duì)消聲器的插入損失進(jìn)行了測(cè)量，在試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備是聲級(jí)計(jì)和頻譜分析儀。試驗(yàn)中將消聲器安裝在F6L912發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，將柴油機(jī)調(diào)整并穩(wěn)定在標(biāo)定工況下。在試驗(yàn)時(shí)，為減少反射聲的影響，測(cè)點(diǎn)選擇在與排氣管口成45°的方向上，高度為100cm。試驗(yàn)得到倍頻程插入損失為26.39dB(A)，滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，做出消聲器優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)照表如表1所示。

表1 消聲器優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由表1可以看出，消聲器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，第二級(jí)消聲器的尺寸減少0.02m。消聲器的插入損失達(dá)到了26.39dB(A)，消聲量比優(yōu)化設(shè)計(jì)前增加了2.54dB(A)，消聲效果增加明顯，達(dá)到了優(yōu)化目的。

4 結(jié)論

在本次設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中我們得到如下結(jié)論：

1）保持消聲器的空腔直徑不變，減小排氣管的直徑，擴(kuò)張比增大，消聲量增大。但排氣管直徑過小會(huì)引起排氣背壓的增加，降低柴油機(jī)的輸出功率，所以排氣管尺寸的選取要適當(dāng)。

2）除通過消聲器降低柴油機(jī)排氣噪聲外，還應(yīng)注意發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口與消聲器的連接方式，最好采用彈性管和膨脹節(jié)連接，盡量避免排氣系統(tǒng)的脈沖噪聲也是減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的重要措施。

3）利用傳遞矩陣法進(jìn)行消聲器消聲性能的分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，不失為抗性消聲器選型的一條簡(jiǎn)便途徑。

[1] 馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2] 杜揚(yáng),鄭志剛,盧丹,任越光.抗性排氣消聲器插入損失的計(jì)算[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2002(3).

[3] 張世杰.排氣消聲器系統(tǒng)消聲量的傳遞矩陣預(yù)測(cè)[J].汽車研究與開發(fā),1995,(2).