重型卡车消音器降噪性能优化

前言

近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，重型卡车在人们的生活中扮演着重要的角色，但是随之而来的噪声污染问题也引起越来越多的关注。重型卡车所产生的噪声中，发动机排气噪声是主要噪声之一。实际应用中，需要采用多种手段提高废气在消音器中的噪声传递损失，以达到降低排气噪声的效果。重型卡车排气噪声主要集中于中、低频段（50-600Hz）。然而现有结构的消音器在该频段传递损失较低（特别是0-180Hz、300-450Hz 频段），噪声抑制能力不足。本文主要通过改变消音器内部结构，提高中、低频段噪声传递损失。

1 消声器基本特征

消声器种类繁多，根据消声原理不同，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。阻性消声器可通过消声器内部多孔吸声材料吸收噪声中频、高频部分，但是对低频部分降噪效果不佳。抗性消声器主要在结构上改变消声器内部管道截面积或者旁接共振腔腔体大小，使声波在传播过程中产生干涉、反射及共振，由于声波在消声器中传播特性发生变化，达到降低噪声中频、低频效果。阻抗复合式消声器在功能上吸取了阻性消声器和抗性消声器的优点，吸收噪声频域宽，但是其结构复杂，加工难度大，成本较高。

2 消声器传递损失分析

2.1 消声器有限元模型

重型卡车噪声主要集中在中低频，所以在实际中主要考虑滤除中低频噪声，从成本角度考虑使用抗性消声器。某重型卡车抗性消声器网格模型如图1 所示。

图1 消声器消声器网格模型

消声器传递损失计算过程中，为了保证其计算精度，一般需要在一个声波波长内有六个单元，因此在进行有限元网格划分时必须遵循这一原则。假设声音在介质中传播速度为C，计算最高频率为fmax，网格尺寸为：

其中，为入口平面波声功率；

2.2 穿孔板建模

在声学有限元计算的时候，由于穿孔板上存在小孔，使得有限元网格划分十分困难，如果把网格划分得非常细致，会导致网格数量十分巨大，同时网格质量也会非常差，以至于不能进行计算。为了解决小孔的问题，在声学计算的时候，在穿孔板两边的网格之间定义声阻抗系数，可实现穿孔板效果。穿孔板的结构如图2 所示。

图2 穿孔板结构示意图

声阻抗表达式为：

但是由于网格划分的时候，不同网格尺寸上肯定有差异，必然造成在一个模型中各个网格的计算频率上限不同[1]。因此，模型中最大网格尺寸为39mm，由此确定此次计算频率上限为1456.7Hz。

其中，ω 为角频率（ω=2πf）；η 为流体动力粘度（Pa.s）；ρ0 为流体密度（kg/m3）；ε 为穿孔板的孔隙率，即孔的体积与板的体积之比；△L 是依据穿孔板圆孔排列方式不同而选定的一个修正项[2]。

2.3 消声器声学性能分析

将处理后的网格模型导入Virtual.lab 中进行仿真设置，包含声学网格处理、定义材料及属性和设置边界条件等。消声器内部介质为空气，入口单元组设定单位振动速度，出口单元设定为无反射边界。设置计算频率为10Hz-1000Hz，步长为10Hz。图3 为100Hz 时消声器表面声压云图。

图3 100 Hz 时消声器内部声场分布图

为了得到消声器的传递损失曲线，需要提取入口和出口处节点的声压进行数据处理，进而得到传递损失[3]。传递损失定义为入口入射声功率级与出口辐射声功率级之差：

其中，△p 穿孔板前后声压差，V 小孔处的平均质点振速。利用Mechel 公式，在穿孔板厚度L 比孔的两倍直径小很多的情况下（L 4a），Mechel 公式如下：

为出口平面波声功率；

Ain、Aout 为入口、出口面积；

传递损失曲线如图4 所示。

图4 消声器的传递损失频域分布图

消声器在200Hz 低频范围内消声效果较差，平均传递损失量20dB。

3 消声器结构优化

为了提高200Hz 以下低频噪声的传递损失，将消声器原方案进行优化。与原消音器模型相比，新结构消音器增加了隔板、穿孔板，从而改变了气流方向。相比原消音器模型，流动长度明显增加；同时穿孔板与箱体内壁配合形成穿孔板消音结构，气流通过箱体过程中经过多个穿孔板消音结构。通过调整穿孔率、穿孔孔径等参数，可针对性的提升某一频段消音量，进一步提高消音效果。

图5 原消声器截面图

图6 新消声器截面图

结构优化后与原方案传递损失比较，如图7 所示。新结构排气消音器在中、低频段（600Hz 以下）噪声传递损失明显增加：原有结构噪声传递损失10-50dB，新结构噪声传递损失51-93dB，平均提升90%以上（41dB），噪声抑制能力明显提高。

图7 新旧方案传递损失曲线对比

4 结论

采用有限元分析法对重型卡车消声器噪声传递损失进行分析，并对其结构进行优化。在消声器内部增加分隔板，增加空气在消声器内部的流动距离，通过隔板与壁面配合，形成抗性消声结构，增大噪声传递损失。优化后，噪声传递损失较由原结构的10-50dB 提升到新结构的53-93dB，降噪效果明显。新结构消音器压降增加1.2KPa，增加幅度较小，满足设计需求。