燃料電池車風機用微穿孔管消聲器優化設計

左曙光，張 珺，吳旭東，張孟浩，相龍洋

ZUO Shu-guang,ZHANG Jun,WU Xu-dong,ZHANG Meng-hao,XIANG Long-yang

（同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引言

燃料電池汽車由于其高效節能而又低污染的優良特性成為了未來新能源汽車發展的趨勢。燃料電池汽車的主要噪聲源之一是為燃料電池提供空氣的空氣壓縮機。本文研究的燃料電池汽車采用的空氣壓縮機為漩渦風機，其高頻噪聲對車內外噪聲貢獻很大[1,2]。消聲器是降低漩渦風機噪聲的有效途徑，本文利用微穿孔管消聲器的清潔、消聲頻帶寬的特征，將其應用在燃料電池車用風機的降噪中。

1975年，馬大猷院士創立了微穿孔板結構吸聲理論[3]。2003年，西北工業大學王占學[4]等人對MA60飛機APU排氣噪聲進行了分析，采用了微穿孔管消聲器來降低APU的排氣噪聲，通過試驗，表明采用微穿孔管消聲器降低MA60飛機APU排氣噪聲的效果非常理想。2010年，武漢理工大學侯獻軍[5]等針對抽氣泵的排氣噪聲，設計了一個微穿孔管消聲器，消聲量達到10dB～20dB。2011年，張德滿[6]提出了面向工程的微穿孔板吸聲結構設計方法。針對某風機噪聲,基于微穿孔板結構吸聲系數最優來進行微穿孔管消聲器尺寸優化。綜上，前人大都根據微穿孔板吸聲系數最優來設計微穿孔管消聲器結構，且消聲器結構都是簡單的微穿孔管消聲器，降噪效果有限，主要是窄帶降噪。本文針對帶隔板三腔微穿孔管消聲器結構，直接基于其目標頻帶內平均傳遞損失最大進行結構優化設計，使其在很寬的頻帶上具有良好的消聲效果。

本文通過漩渦風機的噪聲特性測試得到了漩渦風機的噪聲特性。通過試驗驗證微穿孔消聲器傳聲損失的數值計算方法。然后針對漩渦風機的噪聲特性，采用遺傳算法對三腔微穿孔管消聲器進行結構優化，獲得目標頻帶下良好的消聲效果。

1 漩渦風機噪聲特性測試

漩渦風機是燃料電池汽車的主要噪聲源之一，本文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。漩渦風機噪聲特性測試如圖1所示。風機噪聲測試試驗參照國家標準《GB-2888-91通風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》進行。

圖1 漩渦風機噪聲測試臺架

利用漩渦風機噪聲測試臺架，模擬風機在實車上的安裝條件，實車上風機出口管與燃料電池堆相連，入口管與大氣連通，噪聲主要通過入口管輻射到空氣中，所以本實驗測量風機入口管處的噪聲特性。

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。由于葉片數為55，此頻率為葉片旋轉噪聲頻率。由圖中可以發現，當高轉速時，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000Hz～3500Hz。

圖2 漩渦風機加速過程中噪聲瀑布圖

通過以上的漩渦風機噪聲特性測試和分析可知，風機噪聲呈現窄帶倍頻的特性，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，不能滿足燃料電池堆清潔性的要求。抗性消聲器一般用于降低中低頻噪聲，且消聲頻帶窄。因此，本文在入口管處采用微穿孔管消聲器用于風機降噪。

2 微穿孔管消聲器傳遞損失數值計算與測試

本文的研究對象為微穿孔管消聲器，各結構參數表示如圖3所示（穿孔段長度l、空氣腔厚度D、前后內插管長度l1和l2、內管管徑D0分別對應圖4標示；穿孔孔徑d、穿孔層厚度t、穿孔率P未在圖3中標示）。簡單介紹其傳聲損失的數值計算方法。

圖3 微穿孔管消聲器示意圖

本文利用有限元軟件對微穿孔管消聲器傳聲損失進行了仿真求解，模型如圖4所示。建模及仿真過程基于以下條件[7,8]：

1)忽略消聲器內部流固耦合作用，只建立消聲器內部空氣腔模型；

2)不考慮溫度、流速對聲傳播的影響；

3)不建立小孔模型，直接在微穿孔板內外表面（如圖4所示結構2、5）定義傳遞導納關系來模擬微小穿孔，其中的導納與聲阻抗互為倒數關系。傳遞導納關系可以建立起微穿孔管兩側的質點振動速度與聲壓的線性關系，用傳遞導納矩陣[9]表示為：

其中，vi和vo分別是微穿孔管內外表面質點振速，pi和po分別是微穿孔管內外表面聲壓，z是微穿孔管的相對聲阻抗率[10]。微穿孔管相對聲阻抗率為：

其中：

此處，p為微穿孔板穿孔率；c為空氣聲速；J為虛數單位；ω為聲波波動圓頻率；ρ為流體介質密度；t為短管長度；d為短管直徑；μ為運動粘度系數；η為流體切變粘滯系數。微穿孔板聲阻抗根據前述理論模型編程求得。

圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖

為驗證基于前述微穿孔管消聲器傳聲損失的有限元計算方法，應用阻抗管進行了傳聲損失測量實驗。實驗布置如圖5所示，左上角為測量所用的微穿孔管消聲器樣件（結構參數值如表1所示）。

圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測量實驗

表1 微穿孔管消聲器樣件結構參數

給定聲激勵為白噪聲信號，所有測量均在相同條件下重復三次，測量結果取平均值。將微穿孔管消聲器傳聲損失測量結果與傳聲損失有限元數值計算結果對比（如圖6所示）。

圖6 微穿孔管消聲器傳聲損失實驗值與仿真值對比

圖6表明，基于本文所建立聲阻抗理論模型的微穿孔管消聲器傳聲損失數值計算的結果與實驗數據吻合較好，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。故可以利用該數值方法計算微穿孔管消聲器的傳聲損失并進一步進行優化設計。

3 基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結構優化

針對燃料電池車用漩渦風機噪聲特性，可以通過優化設計一款微穿孔管消聲器來進行降噪。

1）優化目標

對消聲器本身而言，其消聲評價指標可以從其傳遞損失曲線進行評價，優化目標選取頻段平均消聲量指標T。

以消聲器主要作用頻率作為統計區域，將參與評價的傳聲損失曲線數據按照公式（4）進行計算，可以得到某個頻段平均消聲量，式中TL(ω)為頻率ω的傳遞損失，ω1和ω2分別為起止統計頻率。

燃料電池車上漩渦風機的轉速范圍為1000r/min～3800r/min，通過對漩渦風機噪聲測試可知，其主要噪聲是旋轉噪聲，而在中高轉速范圍內，其高頻嘯叫更為嚴重。試驗表明，中高轉速對應的葉片通過頻率即主要噪聲頻率大約為2000Hz～3500Hz的范圍，選擇2000Hz～3500Hz作為平均傳遞損失的起止頻率范圍。

2）優化對象

研究發現，與單腔穿孔管消聲器相比，采用多腔可以大大地拓寬消聲頻帶范圍，提高傳遞損失幅值[11]。另外考慮到加工和工藝難度，本文選用三腔消聲器作為漩渦風機進口消聲器[12]，其結構如圖7所示。

圖7 待優化三腔微穿孔管消聲器結構

3）優化參數

由于漩渦風機進口管直徑為50mm，取消聲器內管直徑為50mm；為了使消聲器體積不能過大，膨脹腔內徑為85mm，因此共有16個設計參數待優化，對于每個腔，其它參數取值范圍如表4所示。

最后，設置約束條件，消聲器總長小于0.2m，各腔的進口端和出口端比例之和小于0.8。

4）優化方法

本文利用遺傳算法來進行微穿孔管消聲器的優化設計。

表2 微穿孔管消聲器優化參數及范圍

由于消聲器的設計降噪目標在2000Hz～3500Hz，而消聲器膨脹腔的內徑在85mm，那么利用理論方法計算消聲器傳遞損失的截止頻率為2300Hz左右，在2300Hz～3500Hz范圍內，利用理論計算消聲器傳遞損失將不再準確。因此，必須采用三維有限元法來計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這樣才能準測微穿孔管消聲器在高頻范圍上的傳遞損失。

由此，可得基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結構優化設計整體流程如圖8所示。基于MATLAB編制遺傳算法程序，首先開始產生初始種群，當達到迭代次數，輸出結果，結束算法，否則計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這時調用ANSYS自動建模和網格劃分程序，并將網格信息導入到Actran進行傳遞損失計算，將計算結果輸出到遺傳算法程序，進行下一步選擇、交叉和變異，生成新的種群，并進入下一循環，直至達到迭代次數，算法停止。

圖8 微穿孔管消聲器優化算法流程

整個優化過程需要MATLAB、ANSYS和Actran同時進行聯合仿真。由于每次迭代都需要利用三維有限元法計算微穿孔管消聲器的傳遞損失，計算量大，計算時間較長，優化周期在7天左右。

5）優化方案

由于優化目標頻帶寬，從2000Hz～3500Hz，因此可以把優化目標在優化頻帶上分解。由于待優化消聲器是三腔微穿孔管消聲器，這樣可使每個腔針對一段頻率范圍的傳遞損失最優。取第一腔針對頻率范圍是2500Hz～3000Hz，取第二腔針對頻率范圍是2500Hz～3000Hz，第三腔針對頻率范圍是3000Hz～3500Hz。這樣使得每段消聲器腔優化頻率范圍減小，而整個消聲器的消聲頻帶保持不變。

6）優化結果

利用上述介紹的優化方法，對三腔微穿孔管消聲器進行優化設計。消聲器尺寸參數結果如表3所示。

表3 三腔微穿孔管消聲器優化結果

優化前三腔微穿孔管的初始傳遞損失和優化后微穿孔管消聲器傳遞損失曲線如圖9所示。從圖上可以看出，在頻率范圍2000Hz～3500Hz內，傳遞損失均大于30dB，相比優化前的傳遞損失值有了很大的提高，達到了良好的降噪效果。

圖9 優化后消聲器傳遞損失

4 結論

本文首先進行了燃料電池車用風機噪聲特性測試的臺架試驗，得出風機噪聲呈現窄帶倍頻的特性，并且可以通過在進口處安裝消聲器的方式來進行降噪。基于傳遞導納法建立微穿孔管消聲器的數值模型可以準確的計算其傳遞損失，進而采用數值軟件聯合仿真方法，有效地對微穿孔管消聲器進行優化設計。優化后的微穿孔管消聲器可以滿足漩渦風機中高頻的降噪目標，在2000Hz～3500Hz內的頻率范圍內消聲量基本達到30dB以上。

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