某叉車排氣消聲器設計研究

安徽合力股份有限公司 白迎春

文章首先基于有限元法分析比較三款消聲器的傳遞損失、尾管噪聲，然后分別測試三款消聲器裝配到某叉車后在不同工況下的插入損失、排氣阻力。仿真和測試結果為叉車選配消聲器提供依據，有很高的工程應用價值。

一、引言

排氣噪聲在叉車整車噪聲中占據了重要分量，如何降低排氣噪聲是叉車噪聲控制中的重要課題。通過設計排氣消聲器可以衰減和阻礙聲能向外傳播以達到降噪目的，所以消聲器性能的優劣直接關系到降噪效果和發動機功率損失，如何平衡消聲器聲學性能和空氣動力學性能，設計出綜合性能較好的消聲器是一難題。在分析聲學性能方面，有限元法在設計前期具有較強的優勢，可用于預測其傳遞損失、尾管噪聲；而試驗測試方法則可以更直接地比較不同消聲器的性能，為叉車選配消聲器提供實際依據。本文首先介紹消聲器分析和試驗的基本原理；其次結合某叉車排氣噪聲頻譜特點，設計和分析三款消聲器；然后將試制出的三款消聲器裝配到某叉車上，比較它們在不同工況下的插入損失、排氣阻力；最后綜合比較消聲器的聲學和空氣動力學性能，為該叉車選配合適的消聲器。

二、消聲器分析和試驗的基本原理

1.消聲器分析原理

有限元法計算消聲器傳遞損失可以參考文獻[1]，文中詳細介紹邊界條件、吸聲材料、穿孔管的處理以及傳遞損失的計算公式。尾管噪聲的預測綜合了發動機排氣頻譜和消聲器的消聲特性，更接近于實際工況，首先選擇距離發動機排氣尾管500mm、45度角處的測點測量聲壓，進而計算發動機排氣口處聲壓，然后根據聲學原理，把排氣口等效為圓形平面活塞輻射器，計算得到活塞輻射器的振速幅值，其公式如下[2]，最后將計算得到的振速幅值作為有限元的速度邊界條件，就可以分析得到消聲器出口管處噪聲。

其中，Pθm為測點出聲壓、U0m為活塞輻射器的振速幅值、r為發動機排氣口中點到測點距離、s為發動機排氣口面積、0ρ空氣密度、f即頻率、R()θ即方向性函數。

2.消聲器試驗方法

插入損失是指一個系統中插入消聲元件之前和之后，在出口處得到的聲壓級的差值[3]。本文采用LMSTest.Xpress系統，在離發動機排氣口500mm、45度角處測出消聲器裝配到叉車上前后的A計權聲壓級。

排氣阻力測試采用的是公司的內控標準，將發動機前排氣管（接消聲器進氣口）上攻小孔，再連接一個灌水的U型管，并記錄發動機在不同工況下U型兩端的水壓差。

三、消聲器設計與分析

消聲器的設計不僅要考慮內部消聲單元的頻率特性，也要考慮發動機排氣噪聲的頻譜特性。比如赫姆霍茲消聲單元作用于40-200Hz的低頻，三管迷路用于100-500Hz的中頻，阻性消聲單元頻率作用范圍在500Hz以上。對于某叉車所配的四缸發動機排氣尾管噪聲頻譜如圖1所示：其中，中低頻主要成分是2、4和6階，高頻成分在500Hz以上也比較顯著，所以設計的消聲器要兼顧各個頻率段的消聲效果。根據排氣噪聲的頻譜特性，設計出三款消聲器（G、L、W型）依次從左到右如圖2所示，依據有限元法分析得到每個消聲器的傳遞損失如圖3所示。

圖1 某叉車排氣噪聲瀑布圖

圖2三款消聲器三維圖

從傳遞損失曲線圖上可以觀察到，G、L和W型在中低頻（400Hz以下）消聲效果非常好，特別是W型在120Hz和250Hz存在兩個消聲峰值頻率；這三款消聲器在中頻（300-400Hz）附近消聲效果均不理想；在500Hz以上的高頻區域，W型漸漸遜色于G型和L型。

圖3 三款消聲器傳遞損失

圖4 溢流工況時預測消聲器尾管噪聲

叉車在溢流工況下排氣噪聲較大，可以采集該工況下的排氣頻譜，再通過公式（1）計算得到有限元法所需要的入口振動幅值的邊界條件，進而預測比較各消聲器尾管噪聲的大小如圖4所示，圖中W型尾管噪聲遠高于其他二者；L型相比G型在100-400Hz的中低頻較小，而在500-1000Hz的高頻較大。若從A計權總聲壓級的角度考慮，W型最大、G型次之、L型最小。

四、試驗結果分析

有限元分析在產品設計前段，能很好預測產品性能，然而測試結果不但能更真實的反映產品性能，還能驗證CAE分析的準確性。圖5為消聲器裝到此叉車后離排氣口500mm、45度角處測到尾管噪聲瀑布圖，與圖1相比較，中低頻的2、4和6階成分明顯降低，500Hz以上的高頻成分也顯著減少。但綜合比較，L型消聲效果最好，它比G型在300Hz以上消聲效果好，300Hz以下基本相當；比W型500Hz以下的中低頻消聲效果要好很多，但到800Hz以上的高頻區域W型就更占優勢了；G型和W型相比，前者的優勢在中低頻，后者在高頻，這與CAE分析很吻合，也證明有限元法的準確性。

圖5 G、L、W型消聲器尾管噪聲瀑布圖

圖6為不同消聲器尾管噪聲A計權聲壓級與轉速的關系圖，其中空管則表示未裝消聲器時的尾管噪聲，L型在整個轉速條件下比其他消聲效果都好，G型在900-1800rpm轉速下比W型好1-2dB，但到更高轉速時它們基本相當。

圖6 不同消聲器尾管噪聲與轉速關系圖

叉車選配消聲器不僅要考慮聲學性能，也要兼顧空氣動力學性能，表1為三款消聲器在不同工況下的插入損失和排氣阻力，L型消聲器雖然插入損失大，但它的排氣阻力也是最高的，特別是在全速工況下；G型聲學性能略好于W型，尤其在溢流工況下要好2.7dB，但是它們的排氣阻力相差不大。

表1 不同工況下消聲器插入損失和排氣阻力表

五、總結

有限元法和試驗法均是消聲器設計的必要手段，其中有限元法主要應用于設計前期預測聲學性能，這樣可以縮短研發周期和降低設計成本；試驗法則是驗證設計優劣的最直接手段，所以兩者要結合于一起。本文所設計的三款消聲器性能均滿足要求，建議在對噪聲排放控制嚴格的高端車型上選配L型消聲器，在對排氣阻力要求小的叉車上選配W或G型消聲器。