船用柴油機進氣消聲器聲學性能研究及改進設計

2018-09-02 11:08:04溫華兵洪良星

艦船科學技術 2018年8期

溫華兵，錢進，洪良星

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江 212003)

0 引言

進氣噪聲是增壓型發動機的主要噪聲源，安裝進氣消聲器是控制增壓器進氣噪聲的主要措施[1-2]。國內外對船用排氣消聲器研究較多，而對進氣消聲器的設計和研究相對較少[3-7]。Lee和Du Jiang等[8-9]模擬分析了消聲器內部的氣流流動，通過優化結構設計提高其聲學性能。評價消聲器的聲學性能指標，通常采用傳遞損失和插入損失，而預測消聲器的聲學性能計算方法包括基于平面波的傳遞矩陣法、經驗公式法、有限元法、邊界元法等。船用消聲器內部結構通常較復雜，當頻率較高時內部聲場為三維，此時采用一位平面波理論分析有一定誤差，通常需要采用三維分析方法計算其聲學性能[10]。因此，本文采用有限元法開展船用柴油機消聲器的聲學性能分析，在此基礎上提出了改進設計方案。

1 建立消聲器有限元模型

某船用進氣消聲器的氣流流道數N=6，吸聲片外徑R1為628 mm，內徑R2為270 mm，間距H為24 mm。依據消聲器的結構參數建立其三維模型如圖1所示。

消聲器傳遞損失的計算頻率范圍受聲學網格大小的影響，通常需要一個聲波波長內有6個單元。假設聲音在某流體介質中傳播速度為c，最高計算頻率為fmax，則計算網格尺寸L需要滿足：

將建立的幾何模型導入Ansys Wrokbench軟件中進行網格劃分。由于消聲器內部結構復雜，采用四面體聲學網格，為滿足計算頻率達到6 300 Hz，確定其最大網格尺寸為5 mm。

2 消聲器聲學性能分析

將劃分好的消聲器網格導入Virtual.lab中進行仿真設置，包括聲學網格的定義、流體材料和吸聲材料屬性的定義。消聲器內流體為空氣，入口條件設置為單位振動速度，出口條件設置為無反射邊界。求解起始頻率取值100 Hz，終止頻率取值6 300 Hz，步長設置為50 Hz，計算聲學響應后可以得到各個頻率對應的聲壓分布，圖2所示為1 600 Hz時消聲器表面的聲壓分布云圖。

圖2 1 600 Hz時消聲器內部聲場分布圖Fig. 2 Sound pressure in silencer of 1 600 Hz

在出口和入口界面上分別建立一個計算參考點提取聲壓值，通過下式計算得到消聲器的傳遞損失：

圖3 消聲器的傳遞損失頻域分布圖Fig. 3 The transmission loss of the original silencer

消聲器在100～1 000 Hz低頻率范圍內的消聲效果較小，平均消聲量約12 dB。在1 600～6 300 Hz頻率范圍內的消聲效果明顯，平均消聲量達到25 dB左右，峰值分布在2 000 Hz。

3 傳遞損失實驗驗證

圖4 實驗現場圖Fig. 4 Experimental site

圖5 實驗裝置示意圖Fig. 5 Experimental setup

為驗證所建立消聲器有限元計算模型的正確性，在消音室開展了傳遞損失實驗，實驗裝置如圖4～圖5所示。將B&K4292無指向性聲源置于10 mm厚的圓柱管道內，模擬入射平面波的聲源。在管道外側包裹隔聲阻尼板防止管道內的聲泄漏。2個B&K4187傳聲器分別布置在消聲器入口和出口處，以分別測出入口聲壓級及出口聲壓級根據式（2）～式（4）可得到消聲器的傳遞損失。

圖6為消聲器從入口到出口表面的傳遞損失計算結果。由圖6可以看出傳遞損失的仿真與實驗結果趨勢基本一致，在大部分頻率處的計算誤差在3 dB以內。因此驗證了本文建立的消聲器有限元模型的正確性。

圖6 消聲器的傳遞損失對比Fig. 6 Comparison of silencer transmission loss

4 消音性能影響因素分析及改進設計

由于增壓器進氣口噪聲源的聲壓級峰值主要集中在1～5 kHz頻率范圍內[11]，對該頻段范圍內的噪聲進行有效降噪處理，是降低增壓器進氣口噪聲源的關鍵。為分析消聲器的消音性能影響因素，開展了如表1所示的3種改進方案對比研究。

表1 幾種改進設計方案Tab. 1 Improved program

調整吸聲片間距時消聲器的傳遞損失對比如圖7所示。當吸聲片間距減小時，由于氣流通道面積減小，消聲器的傳遞損失增加，吸聲片間距每減小2 mm，消聲器的傳遞損失增加約 2.5 dB。所以在保證進氣氣流流量的情況下，適當減小吸聲片間距，可以有效提高消聲器的傳遞損失。

圖7 吸聲片間距對傳遞損失的影響Fig. 7 The influence of the spans between sound absorption plates on the transmission loss

調整吸聲材料外徑時消聲器的傳遞損失對比如圖8所示。增加吸聲材料外徑，可增加氣流有效吸聲長度，消聲器傳遞損失隨之增加，吸聲材料外徑每增加40 mm，消聲器的傳遞損失在大多數頻率范圍內增加1～2 dB。

圖8 吸聲外徑對傳遞損失的影響Fig. 8 The influence of the diameters of sound absorption plates on the transmission loss

通常在消聲器設計時，為實現減少流體空氣阻力，一般會在消聲器內增加穿孔板，對吸聲片兩側增加穿孔板的設計方案如圖9所示。由于穿孔板孔徑較小，在劃分網格時需要局部細化產生大量網格單元，導致計算量過大甚至無法計算。本文采用在穿孔板兩側建立傳遞導納的關系[12]，以此模擬穿孔板的聲學性能。穿孔板傳遞導納計算參數如表2所示，計算得到穿孔板的聲阻抗如圖10所示。

圖9 加穿孔板示意圖Fig. 9 Add perforated plate

表2 穿孔板的傳遞導納計算參數Tab. 2 Transfer relation admittance parameters of perforated plate

在吸聲片兩側增加穿孔板后，對消聲器的傳遞損失影響對比如圖11所示。在100～4 000 Hz頻率范圍內的消聲效果比原消聲器略有提高，在800～1 600 Hz頻率范圍內的消聲效果提高了8 dB左右。因此，在不改變消聲器的外形結構尺寸情況下，優先選擇在吸聲片兩側增加穿孔板的設計方案，可對船用進氣消聲器達到更加明顯的消聲效果。