燃料電池車用寬頻帶多腔體微穿孔消聲器設計及試驗研究

熊云，左曙光，董志亮，陳思越

（1.上海氫雄信息科技有限公司，上海 201805；2.同濟大學，上海 201805）

0 引言

本文提出了一種考慮抑制階次噪聲的多腔體微穿孔消聲器的新型設計方法。以羅茨壓縮機為例，設計并制造了一個消聲器，對消聲器進行了完整的聲學性能與流動性能試驗研究[1]。首先確定空壓機的主要噪聲階次，設計消聲器來抑制這些階次噪聲。對結構參數進行預設計，接著通過有限元法進行驗證及參數微調。最后將消聲器安裝于空壓機試驗臺架，通過試驗研究消聲器裝機的降噪效果與流動壓力損失。

1 燃料電池車空氣壓縮機噪聲試驗

本研究以羅茨壓縮機為例，該空壓機的型號為UQM R410。應用于燃料電池公交車[2]。

試驗測量了C1-C5五個位置的噪聲，結果表明各工況下C1處的噪聲總聲壓級是最高的，因此以該處噪聲為后續的分析重點。

試驗測試了3000-15000RPM范圍內定轉速下的噪聲，轉速間隔為1000RPM，因為這些是空壓機的常用工況。各工況下，羅茨壓縮機在C1處的最大總聲壓級為115 dBA。

最主要的兩個噪聲階次為8階和16階，可以推斷8階次噪聲來源于排氣壓力脈動，而16階次噪聲來源于進排氣壓力脈動。此外，4階次和24階次噪聲也有一定的貢獻量，因此以這四個階次噪聲為降噪目標。

預選70 dB為目標來確定所需要的降噪量，它可以表示為：

2 基于一維TMM的預設計

在下面部分中，介紹了一維傳遞矩陣法。基于一維傳遞矩陣法，確定了最佳腔數，并且預設計了多腔體微穿孔消聲器的結構參數[3]。

2.1 確定最佳腔室數

計算不同腔數消聲器的單位腔數峰值傳遞損失，可以發現，當腔數為1時，單位腔數峰值傳遞損失最高，單腔消聲器的整體聲學性能很差，無法滿足降噪要求。除了單腔消聲器外，當腔數為4時，單位腔數峰值傳遞損失最高，故確定消聲器最優腔數為4個。

2.2 多室微穿孔消聲器的預設計

確定消聲器的腔數后，基于一維傳遞矩陣法研究各結構參數對于傳遞損失的影響，初步確定消聲器結構參數。該消聲器的傳遞損失可以滿足降噪要求。

對于該消聲器尺寸來說，一維傳遞矩陣法的截止頻率為：

該頻率的傳遞損失并不準確，需要通過有限元法計算驗證。

3 基于有限元法的參數驗證與調整

有限元法對各頻率下的傳遞損失都可以準確預測。本文通過商業軟件Actran對微穿孔消聲器的傳遞損失進行有限元計算，計算前利用Hypermesh進行消聲器的幾何建模和網格劃分，

對于穿孔板，傳遞導納為：

根據Mechal公式，其中

最終確定消聲器的四腔穿孔率分別為4.5%、5.2%、5.7%、5.3%。該消聲器的傳遞損失顯然可以滿足降噪目標。

4 傳輸損耗測試

利用阻抗管基于雙負載法測量該消聲器的傳遞損失，兩個負載分別為在阻抗管出口加端蓋與不加端蓋。為了避免外界噪聲對不加端蓋負載的影響，在半消聲室中進行傳遞損失測量試驗，將試驗結果與有限元結果作對比，發現結果基本吻合，因此所設計的消聲器可以滿足降噪要求[4]。

5 安裝消聲器的降噪效果

為了研究微穿孔消聲器實際降噪效果，將消聲器安裝于空壓機排氣出口，接著同樣地按照GB-T 2888-2008標準布置噪聲試驗中的麥克風，安裝消聲器后，為了更加直接地反映消聲器的降噪效果，如圖1所示。可以發現，設計的多腔體微穿孔消聲器具有優越的聲學性能，可以滿足工程要求。

圖1 加權聲壓等級轉速對比圖

6 壓降測量

為了研究微穿孔消聲器對于燃料電池堆進氣的影響，測量了消聲器的壓力降。兩個壓力傳感器布置在消聲器的兩端。壓力傳感器的分辨率為1 kPa。

同樣地對與消聲器長度相同的橡膠直管也進行了測試。可以發現，羅茨壓縮機排氣出口增加微穿孔消聲器幾乎不影響燃料電池堆的進氣，即不會導致燃料電池堆缺氧[5]。

7 結語

本文提出了多腔體微穿孔消聲器的新型設計方法。為了驗證該方法，為羅茨空壓機設計并制造了多腔體微穿孔消聲器，并且試驗測試了該消聲器。通過分析和討論試驗結果可以得到以下結論：

（1）階次噪聲對于空壓機噪聲來說占主導地位。考慮抑制階次噪聲來設計消聲器可以得到良好的降噪效果。

（2）在常用工況下，安裝該消聲器后，羅茨壓縮機的最大總聲壓級115 dBA降低至97dBA。在空壓機轉速為15000 RPM時，總聲壓級降低了22.2 dB。大部分工況下降噪量都超過10 dB。

（3）在常用工況下，該消聲器與橡膠直管相比只增加不到1kPa的壓力損失，幾乎不影響燃料電池堆進氣。