裝載機消聲器設計與測試

黃燕群/HUANG Yan-qun

（廈門廈工機械股份有限公司，福建 廈門 361023）

當前世界上能源危機和環境問題日益突出，節能減排和綠色生活成為全社會發展的主題。噪聲排放就是一種環境污染，影響著人們的生活。裝載機是國內常見的工程機械產品之一，在國內的產能與需求都非常的大。消聲器作為裝載機排氣系統的重要部件，是一種允許氣流通過而使聲能衰減的裝置，如果設計得當，可極大改善空氣動力性噪聲對周邊環境的影響，減少噪聲污染。

1 原消聲器效果驗證

1.1 消聲器測試法

當前對消聲器的效果驗證主要是根據《內燃機排氣消聲器測量方法》（GB/T 4759-2009）[1]在半消聲室內臺架上進行插入損失測試并判斷。但消聲室造價昂貴，且試驗耗時長，同時安裝在實驗室臺架上與安裝在整車上情況也有所差別。

因此我們設計了一種簡易方法處理消聲器（圖1）。在現有消聲器外串連一個大消聲器，使整機排氣噪聲盡可能地被消除。在同一臺裝載機上先后測量配置原消聲器和配置原消聲器串聯大消聲器的整機噪聲。通過對比串聯大消聲器前后的裝載機機外噪聲來判斷原消聲器的降噪空間。采用簡易測試法便捷又簡單經濟，同時實驗周期短，直接體現出消聲器實際效果。

1.2 測試結果對比

圖1 消聲器處理圖

裝載機整機噪聲測試是根據國標“土方機械聲功率級的測定動態試驗條件”（GB/T 25614-2010），采用六點法[2]進行，依次測試整機靜態工況，定置作業循環工況，前進、后退行駛工況。其中點3位于裝載機右后方，是最靠近消聲器的測點。整機測試結果如表1所示。由表中數據可知，串聯大消聲器前后整機靜態噪聲下降1.25dB，總聲功率下降0.9dB。對于整機而言，原消聲器還有一定的可降空間。

表1中總聲功率作為工程機械噪聲國標評判依據，由定置作業循環工況和行駛工況合成計算，計算公式如下：

表1 簡易法整機噪聲測試結果

式中Li—— 第i個工況機外噪聲測試聲功率，dB；

T1——前進行駛時間，s；

T2——后退行駛時間，s。

取最靠近消聲器的測點3作業工況A計權聲壓級頻譜進行分析（圖2），發現串聯大消聲器后在235Hz波峰處噪聲削減非常明顯。已知實驗樣機測試時發動機轉速為2 350r/min，發動機六缸，此頻率恰好為發動機排氣特征6階頻率，由此進一步確定改善消聲器是整機降噪的主要方向。

圖2 點3聲壓級頻譜對比圖

2 新消聲器的計算

2.1 消聲結構的選擇

根據消聲機理，消聲器通常分為6種主要的類型：阻性、抗性、阻抗復合式、微穿孔板式、小孔消聲器和有源消聲器[3]。原消聲器為抗性消聲器，結構簡單，制造方便，具有良好的低頻噪聲消除性能，因此新消聲器仍選擇的抗性消聲器。

共振消聲器作為抗性消聲器一種，適用于消除窄帶的中低頻噪聲。同時通過共振吸聲原理來實現消聲，具有結構簡單，消聲量大等優點，特別是它對氣流的阻力損失很小，能保證排氣順暢，減少排氣背壓。赫爾姆茲共振是車輛進排氣系統中使用最多的一種共振消音方式。圖3為本文采用的同心式赫爾姆茲共振腔的結構示意圖。

2.2 消聲器共振腔設計

新消聲器的設計原則[4]：①盡量利用現有安裝空間加大原消聲器容積，增大消聲器容積與發動機排氣量體積比，從而提高消聲量；②采用赫爾姆茲共振原理設計共振腔。使其消聲特性在中心頻率235Hz處的傳遞損失TL為15dB的消聲量。

圖3 共振腔結構示意圖

由目前安裝空間的大小定下共振腔基本參數D2=250mm，L1=184mm，壁厚t=2mm。未知參數有連通管的直徑D1及管上小孔的直徑d與數量n。

共振腔的共振頻率公式（2），

由共振消聲器的消聲量計算公式(2)可知，當f=fr時，消聲量將無限增大，在偏離共振時，消聲量顯著下降，故式(3)可化為式(4)，

式中C——聲速，340m/s；

G——傳導率，mm；

V——共振腔容積，mm3；

Sp——中間連通管截面積，mm2。

由現有已知量通過求解式（2）、式（4）組成的方程組我們可以算出D1=75mm，G=251.3mm。有傳導率計算如公式(5)

式中d——小孔直徑，mm；

n——開孔數，個；

t——連通管壁厚，2mm。

由式(5)計算可得，連通管上小孔的直徑小與孔的數量之間的表達式關系，考慮到加工工藝問題，最終取小孔直徑d=7.5mm，小孔數n=43個。

3 聲學仿真分析

隨著計算機的發展，特別是數值模擬軟件的應用，給消聲器的聲學特性研究提供了新的路徑。GT-Power是GT-suite系列軟件中最著名的軟件，是基于面向對象的交互式界面，具有良好的仿真模擬性能，并且仿真性能分析的精度可以通過設定模型離散長度來控制[5]。在GEM3D中快速地建立并離散化消聲器的幾何模型，然后調用gt-muffler傳遞損失計算模塊并將離散化后的消聲器模型倒入到gt-ise中，進行插入損失計算[6]。

消聲器材料為Q235，仿真環境溫度20℃，新舊消聲器結構如圖4所示，兩款消聲器都是三腔結構，新消聲器將原消聲器的第二腔改成了赫爾姆茲共振腔。新消聲器與原消聲器相比具有結構簡單，造價便宜，背壓小等優點。

圖4 消聲器結構示意圖

傳遞損失仿真頻譜如圖5所示。由仿真結果可知，新消聲器在中低頻段整體消聲效果更加良好，尤其235hz波峰處上傳遞損失消聲值遠大于原消聲器，共振腔達到了設計的預期效果。

圖5 傳遞損失仿真分析頻譜圖

4 整車噪聲測試對比

由前面的仿真分析對比知道理論上新消聲器在中低頻段尤其是235Hz波峰處有更好的消聲效果，但實際效果還是需要驗證。

由新款消聲器的裝載機機外噪聲測試結果數據（表2）可知安裝新的消聲器后，使得整機的靜態噪聲下降0.61dB，總聲功率下降0.7dB，達到原消聲器串聯大消聲器后78%的水平。

表2 新款消聲器整機噪聲測試結果

5 結 語

通過噪聲測試、理論計算、仿真分析、再噪聲測試的系列過程完成一款更加簡單經濟且消聲性能更好的消聲器的設計。采用新消聲器能夠讓整車機外噪聲下降0.7dB，使得裝載機機外噪聲達標的同時擁有更多的裕量可以減少吸音棉的使用，降低生產成本。