鈕炳瑜

（合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲與振動(dòng)研究所，合肥 230009）

工程車(chē)輛在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多噪聲，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲是主要噪聲源之一。因此，降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲對(duì)于控制整車(chē)噪聲有著重要作用。文中對(duì)某工程車(chē)輛的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析和仿真分析，獲得該進(jìn)氣噪聲優(yōu)勢(shì)頻率及傳遞損失等數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)意見(jiàn)。改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)降噪效果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論及方案。

1 實(shí)驗(yàn)分析

1.1 噪聲信號(hào)采集及分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（ISO 6394：2008）對(duì)某型挖掘機(jī)進(jìn)行整車(chē)噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，噪聲測(cè)點(diǎn)分別布置在駕駛室內(nèi)（駕駛員左右耳處）、進(jìn)排氣、液壓泵、液壓閥。圖1、2所示駕駛室內(nèi)和進(jìn)氣口噪聲測(cè)點(diǎn)位置。測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 700 r/min～2 200 r/min，即車(chē)輛工作時(shí)常用擋位的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)測(cè)得駕駛室內(nèi)左耳處平均噪聲值超過(guò)77 dB（A），最大噪聲值達(dá)到 79.0 dB（A），如圖 3 所示。

在圖4、圖5中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)駕駛室左耳和進(jìn)氣口測(cè)得的噪聲頻譜，優(yōu)勢(shì)頻率為220 Hz，即發(fā)動(dòng)機(jī)6階激勵(lì)頻率。

使用Test.lab對(duì)整車(chē)噪聲信號(hào)進(jìn)行相干分析和階次分析，得到駕駛室內(nèi)左傳聲器測(cè)得聲壓水平主要與進(jìn)氣輻射噪聲相關(guān)的結(jié)果。因此，需要針對(duì)該頻段對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。

1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失測(cè)量

傳遞損失是消聲元件和簡(jiǎn)單系統(tǒng)消聲效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，只取決于該元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積，與源特性和尾端輻射特性沒(méi)有關(guān)系，計(jì)算簡(jiǎn)單精確。

當(dāng)被測(cè)元件的出口無(wú)反射且出入口的橫截面積大小相等時(shí)，計(jì)算傳遞損失可簡(jiǎn)化成：

式中：TL為傳遞損失，L1和L2分別表示入射聲壓和透射聲壓。

對(duì)原車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)空氣濾清器和連接管道進(jìn)行靜態(tài)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。在消聲室內(nèi)，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出白噪聲、單頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器，由揚(yáng)聲器發(fā)出聲波進(jìn)入管道入口，管道出口采用全消聲裝置。并且在系統(tǒng)入口處用一對(duì)傳聲器測(cè)量入射波，出口用一個(gè)傳聲器測(cè)量反射波。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到系統(tǒng)傳遞損失曲線，如圖7。從曲線上可以看到系統(tǒng)對(duì)較低頻段消聲效果很差，并且在200～250 Hz頻段存在低谷，消聲量不足10 dB，與進(jìn)氣口噪聲頻譜和駕駛室左耳處噪聲頻譜相對(duì)應(yīng)，所以有必要優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為方便優(yōu)化設(shè)計(jì)和快速了解系統(tǒng)中的不合理結(jié)構(gòu)，故采用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)進(jìn)氣噪聲頻譜優(yōu)勢(shì)頻率和聲壓值較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方法。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)CAE分析

2.1 模型建立及條件設(shè)定

根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)物模型，在三維CAD軟件Catia中繪制出產(chǎn)品的三維幾何模型，抽取模型內(nèi)表面，導(dǎo)入HyperMesh軟件中建立有限元網(wǎng)格模型（見(jiàn)圖8），網(wǎng)格尺寸小于最小波長(zhǎng)1/6，并取整數(shù)。由于空濾濾芯為多孔材料，其低頻吸聲效果很差，在計(jì)算中影響可忽略，故建模時(shí)不予考慮，并對(duì)模型的圓角及其他局部特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。

將Hypermesh中的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.lab軟件中，定義聲學(xué)模型，并設(shè)定邊界條件。在進(jìn)氣系統(tǒng)入口處添加單位速度，出口處設(shè)置全吸聲邊界，即模擬無(wú)反射效果。參數(shù)定為：聲速c=340 m/s，介質(zhì)密度ρ=1.225 kg/m3，計(jì)算頻率范圍設(shè)置為20～800 Hz，步長(zhǎng)取 2 Hz。

2.2 分析結(jié)果

進(jìn)氣系統(tǒng)聲傳遞損失曲線，如圖9所示。分析發(fā)現(xiàn)，原系統(tǒng)在400 Hz以下的低頻消聲效果很差，并且在220 Hz處的傳遞損失值小于5 dB。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)駕駛室聲頻譜優(yōu)勢(shì)頻率點(diǎn)相符合，并且和實(shí)驗(yàn)得到傳遞損失曲線趨勢(shì)基本一致。在進(jìn)氣系統(tǒng)220 Hz聲壓云圖中（見(jiàn)圖10），可以看到空氣濾清器和連接管道靠近濾清器段的聲壓較高，可能存在噪聲輻射問(wèn)題。因此，應(yīng)對(duì)空氣濾清器或連接管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣系統(tǒng)在220 Hz及附近頻率段消聲量。

3 改進(jìn)方案分析及驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原系統(tǒng)仿真分析數(shù)據(jù)，提出三種改進(jìn)方案，并分別建立有限元模型，計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失加以對(duì)比。

方案1：在連接管道的彎道處，安裝擴(kuò)張腔，擴(kuò)張腔容積為15 L，如圖11所示。

方案2：在連接管道靠近濾清器端添加亥姆霍茲共振器（見(jiàn)圖12），根據(jù)已知參數(shù)，設(shè)計(jì)共振腔容積為2 L，消聲頻率f=200 Hz，實(shí)際制造時(shí)需要加管道尺寸、壁厚等補(bǔ)償參數(shù)。

方案3：濾清器內(nèi)部構(gòu)造，添加共振消聲器，容積接近7L，如圖13。

對(duì)比三種方案?jìng)鬟f損失曲線（如圖14所示），改進(jìn)方案1，能夠在較寬頻段提高系統(tǒng)傳遞損失，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)在220 Hz處消聲量有大幅度提高，個(gè)別頻率消聲量有所降低。改進(jìn)方案2、3能夠在220 Hz（見(jiàn)圖15）及附近頻率很大幅度提高進(jìn)氣系統(tǒng)消聲量，在220 Hz及附近頻率的平均消聲量比原系統(tǒng)增大17dB，對(duì)其他頻段傳遞損失幾乎沒(méi)有影響。并且改進(jìn)后的系統(tǒng)聲壓值也有所降低。

受車(chē)體艙部空間限制，使得方案1中擴(kuò)張腔的安裝較為不便，并且管道數(shù)量也要增加，因此在滿(mǎn)足聲學(xué)性能要求的條件下，優(yōu)先考慮方案2或方案3；安裝外置亥姆霍茲共振器，由于采用人工安裝，會(huì)造成共振器消聲頻率偏移，不能保證其使用可靠性，因此，最終選擇方案3，將共振腔設(shè)計(jì)在濾清器內(nèi)部，安裝方便，使用穩(wěn)定，避免了其他元件改動(dòng)，圖16為方案3的實(shí)物樣品。

圖17是在改進(jìn)測(cè)試結(jié)果，駕駛室內(nèi)左耳處的噪聲水平平均降低4 dB，已達(dá)到項(xiàng)目要求，驗(yàn)證了方案的有效性。

4 總結(jié)

（1）對(duì)某工程車(chē)輛進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)分析和仿真計(jì)算，了解系統(tǒng)的消聲性能，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

（2）綜合分析后，針對(duì)進(jìn)氣噪聲優(yōu)勢(shì)頻率和聲壓值較高的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)方案。

（3）采用優(yōu)化方案后，實(shí)車(chē)測(cè)試中進(jìn)氣系統(tǒng)消聲性能符合預(yù)期值，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，也為工程車(chē)輛方面降噪提供了參考。

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