穿孔段長度對微穿孔管消聲器傳遞損失的影響分析

相龍洋，左曙光，吳旭東，龍 國，張 珺

XIANG Long-yang,ZUO Shu-guang,WU Xu-dong, LONG Guo, ZHANG Jun

（同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引言

燃料電池汽車的風機為其主要噪聲源之一[1]。風機噪聲特性較為復雜，且噪聲頻率較高，并隨工況而變化。又因為燃料電池汽車對清潔性要求較高，故消聲設備可采用微穿孔管消聲器。

微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)是馬大猷教授于上世紀60年代提出并發(fā)展起來的新型共振吸聲結(jié)構(gòu)，具有寬頻高吸聲系數(shù)的特點[2]。后來有學者提出將微穿孔板結(jié)構(gòu)用于管道消聲，即微穿孔管消聲器[3]。它由穿孔管和其外的空氣腔組成的腔體類似于多個亥姆霍茲共振器的并聯(lián)，具有良好的寬頻消聲效果[4]。并且無多孔材料，無污染。微穿孔管消聲器在特征頻率處有很好的消聲特性，但在其他頻率處消聲效果較差[5]。

首先進行風機噪聲特性試驗，研究風機噪聲特性。然后通過試驗來驗證微穿孔管消聲器傳遞損失的數(shù)值計算方法，并采用數(shù)值方法分析微穿孔管消聲器的傳遞損失隨穿孔段長度的變化關(guān)系。

1 風機噪聲測試

首先進行了漩渦風機噪聲測試的臺架試驗，對漩渦風機噪聲進行測試和分析。風機噪聲測試試驗參照測試標準進行。漩渦風機噪聲特性測試如圖1所示。

下面分析漩渦風機噪聲的頻譜，圖2是風機加速過程中的噪聲瀑布圖。從圖中我們可以看到，漩渦風機噪聲頻譜主要反映為55倍頻窄帶噪聲。由于葉片數(shù)為55，此頻率為葉片旋轉(zhuǎn)噪聲頻率。即為：

其中N為風機葉片數(shù)55。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當高轉(zhuǎn)速時，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000Hz～4000Hz。

圖1 風機噪聲測試臺架

通過測試和分析可知，風機噪聲呈現(xiàn)窄帶變頻的特性，并且可以通過在進口處安裝消聲器的方式來進行降噪。常用的阻性消聲器雖然可以降低高頻噪聲，但由于進氣口消聲器的阻性材料容易受氣流影響而脫落，不能滿足燃料電池車清潔性的要求。抗性消聲器一般用于降低中低頻噪聲，且消聲頻帶窄。因此，可以在進口處采用微穿孔管消聲器用于風機降噪。需要分析微穿孔管消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲性能的影響，為用于風機降噪的微穿孔管消聲器設計提供指導。

圖2 風機加速工況噪聲

2 數(shù)值計算方法驗證

研究對象為微穿孔管消聲器，示意圖如圖3所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括內(nèi)管直徑D0，空氣腔厚度D，消聲器總長L0，微穿孔管長度L，進出口內(nèi)插管長度 l1和 l2，入口管長度a 以及微穿孔段管孔徑d，板厚t 和穿孔率p。

圖3 微穿孔管消聲器示意圖

消聲器通常采用傳遞損失來表示其消聲性能。傳遞損失是指在無反射條件下，消聲器進口處的入射聲功率級與出口處的透射聲功率級之差。利用有限元軟件對微穿孔管消聲器傳聲損失進行了數(shù)值求解。有限元仿真模型如圖4所示，包括內(nèi)管流場體網(wǎng)格、擴張腔流場體網(wǎng)格以及入口、出口端面面網(wǎng)格和微穿孔管內(nèi)外表面面網(wǎng)格。建模時不需對小孔直接劃分有限元網(wǎng)格，而是采用傳遞導納法來模擬微穿孔管部分，在微穿孔管內(nèi)外表面之間定義傳遞導納關(guān)系為，

其中z為微穿孔板聲阻抗[2]。

在計算消聲器的傳遞損失時，需要設定入口端面為平面波，出口端面為無反射端面，經(jīng)過計算，入口端面與出口端面的聲功率級之差即為傳遞損失。

圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖

為驗證基于微穿孔板聲阻抗理論模型的消聲器傳聲損失有限元數(shù)值計算方法，采用阻抗管根據(jù)雙負載法進行了消聲器傳遞損失實驗。實驗布置如圖5所示。測量的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：D0=60mm、D=19mm、L0=220mm、d=0.8mm、t=0.5mm、p=3.14%、l1=l2=10mm。

圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測量實驗布置

數(shù)值方法計算得到的傳遞損失與試驗測得的傳遞損失對比如圖6所示。圖5說明，微穿孔管消聲器傳聲損失數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，在消聲器共振頻率處也基本重合，能準確反映實際消聲器的消聲性能。故可以利用該數(shù)值方法計算分析微穿孔管消聲器傳聲損失特性。

圖6 傳聲損失試驗值與仿真值對比

3 穿孔段長度對傳遞損失的影響分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，微穿孔管消聲器在共振頻率處的傳遞損失峰值最高，即在此頻率處具有最好的消聲效果。主要分析在風機噪聲頻段范圍內(nèi)，穿孔段長度對微穿孔管消聲器傳遞損失的影響規(guī)律，為進一步的降噪工作提供指導。

計算了8個不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器的傳遞損失。不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器有限元模型如圖7所示。消聲器的穿孔段長度分別為Li=80+5×(i-1),i=1,2,3,…,8。所研究消聲器無內(nèi)插管，即l1=l2=0。其他參數(shù)保持不變，分別為D0=50mm、D=15mm、l=220mm、d=0.5mm、t=0.5mm、p=2.5%、l1=l2=0mm，L0=140mm，a=20mm。

圖7 不同穿孔管長度的微穿孔管消聲器有限元模型

計算不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器的傳遞損失，如圖8所示。提取將每個穿孔段長度消聲器的傳遞損失峰值頻率，如表2所示。由計算結(jié)果可知，隨著穿孔段長度的增加，傳遞損失峰值頻率向低頻移動。

圖8 不同穿孔段長度的消聲器傳遞損失

表1 不同穿孔段長度的消聲器共振頻率

將表1中各數(shù)據(jù)作為點的坐標畫出各點如圖9所示，發(fā)現(xiàn)各點基本位于一條直線附近，表明傳遞損失峰值頻率隨穿孔段長度線性變化。將各點進行擬合，得到一條曲線即擬合模型如圖所示。這就是穿孔段長度和傳遞損失峰值頻率的關(guān)系。模型公式為：

圖9 穿孔段長度與共振頻率擬合模型

為了檢驗該模型是否準確，又計算了樣本外的點，將微穿孔管消聲器的穿孔段長度分別取為82.5mm，92.5mm,112.5mm。計算得到的響應傳遞損失峰值頻率分別為4420Hz，3960Hz，2880Hz。將峰值頻率代入模型（4）計算可以得到根據(jù)該模型估計的穿孔段長度，對比如表2所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用模型（4）計算得到的穿孔段長度與實際值誤差在1%以內(nèi)，可以認為該模型能較為準確的反應穿孔段長度和傳遞損失峰值頻率之間的關(guān)系，即微穿孔管消聲器的共振頻率與穿孔段長度呈線性關(guān)系。

表2 穿孔段長度實際值與模型估計值對比

4 結(jié)論

根據(jù)風機噪聲特性研究微穿孔管消聲特性與穿孔段長度之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，風機噪聲呈窄帶變頻的特性。在一定范圍內(nèi)，微穿孔管消聲器的傳遞損失峰值頻率與穿孔段長度成正比。對于風機噪聲中需要重點關(guān)注的頻率成分，可以設計相應穿孔段長度的微穿孔管消聲器。該文研究為微穿孔管消聲器的優(yōu)化設計提供了指導意義。

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