王 豪,戴永強,謝 榮,錢征兵

(馬勒技術(shù)投資(中國)有限公司，上海 201401)

近年來汽車的舒適性越來越多的受到各個整車廠的關(guān)注。大量的工程試驗結(jié)果證明，進(jìn)氣口和排氣口的噪聲占據(jù)了整個汽車通過噪聲的40～60%[1，2]。對于進(jìn)氣系統(tǒng)而言，有效的降噪途徑就是在空濾上面設(shè)計各種各樣的諧振腔。對于自然吸氣的發(fā)動機，可以通過赫姆霍茲諧振腔，1/4波長管等來消除其噪聲，而對于增壓的發(fā)動機噪聲，由于其頻率高、頻帶寬的特點。因此，需要采用插入式消聲器來降低噪聲。此處將采用插入式消聲器來降低某增壓發(fā)動機的進(jìn)氣口噪聲。計完成以后，需要對其消聲能力進(jìn)行仿真分析，如果計算結(jié)果能夠達(dá)到預(yù)期目的，那么就可以開始制作樣件在整車上做試驗來驗證。圖1是插入式消聲器的設(shè)計，圖2是該插入式消聲器的體積、插入管的示意圖。由于渦輪增壓器的噪聲頻譜相當(dāng)?shù)膶?，一般是?00～5 000 Hz，因此此處計算了該諧振腔的10 Hz到5 000 Hz之間的消聲能力，評估方法采用工程上常用的減聲量方法[3]。

1 消聲器消聲能力的評估

1.1 建模時的處理

由于制作樣件成本高、周期長，因此，當(dāng)空濾設(shè)

圖1 插入式消聲器的設(shè)計

圖2 插入式消聲器的內(nèi)表面模型示意圖

1.2 有限元計算結(jié)果以及驗證

計算在頻域內(nèi)進(jìn)行，在氣流的入口處施加壓力邊界，頻率為10～5 000 Hz，出口定義了無反射的阻抗邊界條件。下圖3就是計算的結(jié)果?？梢钥闯觯谝粋€比較寬的頻率范圍內(nèi)，該消聲器都具有消聲能力。

圖3 插入式消聲器的消聲能力

為了驗證該消聲器是否能有效的消除該發(fā)動機增壓器的噪聲，將含有該消聲器的空濾安裝在整車后，把整車放置在輪轂上面，測量了進(jìn)氣口的噪聲如圖4所示。同時也測量了沒有該消聲器的噪聲頻譜，如圖5所示。對比圖4和圖5可以的看出，1 000 Hz左右的噪聲被該插入式消聲器有效的消減了。

圖4 包含插入式消聲器的空濾進(jìn)氣口噪聲

但是，引入了該消聲器以后，在發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速區(qū)域（4 500～6 000轉(zhuǎn)，2 230 Hz左右）產(chǎn)生了一個單頻噪聲如圖4所示。由于該單頻噪聲只產(chǎn)生在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速區(qū)域，原因有2點：

圖5 未包含插入式消聲器的進(jìn)氣口噪聲

1)該噪聲一定與氣流速度相關(guān)，隨著發(fā)動機進(jìn)氣量的增加（轉(zhuǎn)速的增加），該噪聲越來越大；

2)該噪聲是氣動性質(zhì)的，是由于高速氣流吹在某個尖角處產(chǎn)生的。又因為在插入式消聲的出口處有一個自由邊，該自由邊有可能是產(chǎn)生該噪聲的根源，下面就單獨采用CFD的方法來模擬該噪聲。

2 插入式消聲器氣流噪聲研究

2.1 算法的探討

先采用一個簡單的具有試驗結(jié)果的算例來驗證CFD計算氣動噪聲的方法的可行性[4]。下圖為該算例的CFD模型。

圖6 CFD的計算模型

為了模擬出邊界層效應(yīng)，在速度的入口出施加一個隨y坐標(biāo)的7次方變化的速度

u是入口速度函數(shù)，U0是來流速度，y是Y方向的坐標(biāo)，δ是所定義的邊界層的厚度。此處，定義為2.2 mm。觀察點設(shè)置在深腔左側(cè)的壁面上面。設(shè)U0＝30 m/s。

為了能夠在工程上具有比較好的通用性，該計算采用了通用的商用求解器Star CCM+。為了能夠更精確的解析出噪聲源，該計算采用大渦模擬[5]。

時間步長設(shè)置為1.0～5 e s，計算物理時間設(shè)置為2.0 s。在對時域信號進(jìn)行處理的時候采用了漢寧窗。

出口采用常壓力邊界，為0.0 Pa。在計算的出口拉伸8倍于寬度的長度來近似流動在壓力出口處的充分發(fā)展。圖7是計算和試驗結(jié)果的頻譜對比。從圖上可以看出該方法預(yù)測噪聲源的頻率和試驗基本吻合。

圖7 噪聲的計算和實驗結(jié)果對比

2.2 插入式消聲器氣流噪聲模擬

發(fā)動機在5 000 r/min時，進(jìn)氣量大概在400 kg/h，換算成為速度大概為50 m/s。

在關(guān)口的速度邊界條件定義上，采用了沿圓周徑向方向隨半徑7次方變化的速度[5]，在管子的中心處速度最大，靠近壁面處速度幾乎為0。圖8是該速度的云圖。

圖8 速度入口處的速度分布

由于該速度比較大，邊界層的厚度定義為1.8 mm[5]。此算例中，來流速度U0＝50 m/s，δ＝1.8 mm，其它邊界的定義和上面的簡單算例一樣。

壓力出口也設(shè)置為常壓力0.0 Pa。圖9是某個時刻的靜態(tài)壓力云圖。在插入式消聲器的內(nèi)插管開口處，有周期性的渦存在，這是導(dǎo)致氣流噪聲產(chǎn)生的主要原因。為了抑制渦的產(chǎn)生或者降低渦的強度，考慮在氣流的入口處增加一個氣流導(dǎo)板，用于使氣流更加紊亂。圖10為增加了一個流動導(dǎo)板的設(shè)計。左圖為包含插入式消聲器的空濾殼體，右圖為空濾新鮮空氣導(dǎo)管，導(dǎo)板放在新鮮空氣導(dǎo)管里面。

圖9 優(yōu)化前某時刻渦分布

圖10 添加了流動導(dǎo)板的設(shè)計

和模擬后臺階深腔一樣，在壁面上面放置了一個觀察點用于監(jiān)測噪聲信號，圖11是在頻域里優(yōu)化前后的對比。

圖11 插入式消聲器噪聲頻譜計算結(jié)果

2.3 插入式消聲器氣流噪聲測試結(jié)果

測試是在包含背景流動的傳遞損失的測試臺架上進(jìn)行，如圖12所示。發(fā)動機工作時，噪聲從發(fā)動機經(jīng)過空濾再經(jīng)由進(jìn)氣口傳播給大氣，而同時，空氣經(jīng)由進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動機。測量減聲量必須考慮空氣流動的影響。在測試的時候，在空濾的干凈空氣端（增壓器連接處）施加壓力激勵，聲向自由場傳播。同時，風(fēng)機開始抽氣，流量設(shè)置為400 kg/h，氣流從進(jìn)氣口經(jīng)由空濾進(jìn)入風(fēng)機。在空濾的進(jìn)氣口處放置麥克風(fēng)來測量氣流噪聲，圖13是兩種方案在該臺架上面的測試結(jié)果對比。

圖12 含氣流的傳遞損失測試臺架示意圖

從測試結(jié)果來看，引入一個導(dǎo)流板可以有效的擾亂氣流從而達(dá)到降低氣流噪聲的效果。

圖13 優(yōu)化前后噪聲頻譜比較

3 結(jié)語

插入式消聲器在比較寬的頻率范圍內(nèi)具有良好的消聲效果，但如果設(shè)計不良則會導(dǎo)致單頻噪聲的產(chǎn)生。為了抑制該氣流噪聲的產(chǎn)生，插入式消聲器不能兩邊插入，而只能采用單邊插入管，或者引入導(dǎo)流板來抑制該氣流噪聲的產(chǎn)生。

[1]Munjal M L.Acoustics of ducts and mufflers with application to exhaust system and ventilation system design[M].John Wiley ＆ Sons,Inc,1987.59-60.

[2]Jia Li,Thomas Wahl,etc.Computational and experimental study on transmission loss of automotive exhaust muffler system[J].SAE Intertional,2003-01-1684.

[3]湯志鴻，彭 鴻.汽車進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失分析及優(yōu)化研究[A].中國汽車工程學(xué)會論文集，2009.

[4]Henderson B.Proceedings of the thrid computational aeroacoustics(caa)workshop on benchmark problems[C].Cleveland,Ohio November 8-10,1999:95-100.

[5]St′ephane Caro,Paul Ploumhans.Aeroacoustic simulation of the noise radiated by an Helmholtz resonator placed in a duct[C].11 th AIAA/CEAS Aeroacoustics conference,May 2005:23-25.