楊神林

【摘 要】汽車進氣系統(tǒng)除了有過濾空氣和消聲的功能之外，通常還要求有良好的聲學(xué)特性并有效控制發(fā)動機的進氣噪聲。本文通過有限元及邊界元的聲學(xué)性能仿真方法，對三種空氣濾清器的設(shè)計方案進行空腔聲學(xué)模態(tài)和殼體結(jié)構(gòu)模態(tài)計算，發(fā)現(xiàn)三種方案的空腔聲學(xué)模態(tài)基本接近，但方案Ⅲ各階聲學(xué)模態(tài)頻率普遍有所降低。結(jié)合無濾紙和有濾紙狀態(tài)下的空氣濾清器傳遞損失計算，方案Ⅲ更長的插入管，更細(xì)的入出口管，更高的流阻率或者更厚的濾紙對空氣濾清器會有更好的消聲效果，使得空濾器在整個頻段內(nèi)都有良好的消聲性能，最終選用方案Ⅲ作為最終的設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】空氣濾清器；聲學(xué)；空氣動力學(xué)；邊界元；有限元

空氣濾清器在進氣系統(tǒng)中起到過濾空氣和消聲這兩大作用，受發(fā)動機艙空間的限制，進氣系統(tǒng)的設(shè)計需要進行合理的布置，充分利用有效的空間，因此，通常情況下，進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，利用一維仿真很難得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。有鑒于此，發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計普遍采用三維仿真方法，如聲學(xué)邊界元法（Acoustic BEM，ABEM）、聲學(xué)有限元法（Acoustic FEM，AFEM）。

聲學(xué)邊界元法（ABEM）一般只需建立好進氣系統(tǒng)內(nèi)腔的表面，并采用二維單元劃分內(nèi)腔表面即可建立起三維的邊界元模型，由于進氣系統(tǒng)屬于開口結(jié)構(gòu)，通常采用間接邊界元法（Indirect BEM，IBEM），殼體被默認(rèn)為剛性的。聲學(xué)有限元法（AFEM）則需要建立進氣系統(tǒng)內(nèi)腔的空氣介質(zhì)及濾芯模型，并采用三維單元進行網(wǎng)格劃分，若材料僅定義成空氣，則與聲學(xué)邊界元結(jié)果基本一致，殼體被默認(rèn)為剛性的，將濾芯定義為吸聲材料，可以考慮到濾芯對氣動噪聲的影響。

1.聲學(xué)材料常數(shù)及邊界條件設(shè)置

空氣濾清器中的濾紙為纖維材料，能有效地吸收中高頻噪聲。根據(jù)吸聲材料的聲學(xué)理論，若多孔介質(zhì)的骨架靜止時，在宏觀尺度上，多孔介質(zhì)材料可用等效的流體代替。流體域的材料參數(shù)分別設(shè)定為空氣聲速為340m/s，空氣密度為1.225Kg/m3，濾紙的流阻率為15760Rays/m；結(jié)構(gòu)外殼的材料參數(shù)主要包括密度、彈性模量、泊松比，具體數(shù)值分別為1120kg/m3、6000Mpa、0.4。

濾清器空腔聲學(xué)模態(tài)分析模型采用封閉腔體邊界條件，即設(shè)定腔體四周為沒有彈性的硬邊界；聲傳遞損失計算用分析模型的邊界條件施加方式為，入（出）口側(cè)施加速度邊界條件，幅值為-1m/s，出（入）口設(shè)置特性阻抗為416.5Rays，其余邊界為硬邊界；濾清器殼體模態(tài)分析中，根據(jù)實際工作情況、約束殼體底部三個支點。

2.聲學(xué)模態(tài)計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)模態(tài)較為密集，而在能量集中的低頻模態(tài)區(qū)域，聲腔模態(tài)較少，有利于整體結(jié)構(gòu)的振聲性能。殼體結(jié)構(gòu)模態(tài)和空腔聲學(xué)模態(tài)基本沒有重合，發(fā)生結(jié)構(gòu)與聲學(xué)模態(tài)耦合共振的可能性較小。從聲學(xué)模態(tài)振型可知，在第5階模態(tài)之后，聲腔模態(tài)不再是平面波傳播，因此，聲腔的截止頻率約在800Hz。和結(jié)構(gòu)模態(tài)對比，在聲腔的第3階模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)的第15階模態(tài)頻率相近，有共振的可能性。與方案Ⅰ相比，方案Ⅲ各階聲學(xué)模態(tài)頻率普遍有所降低。

3.空氣濾清器聲傳遞損失計算

傳遞損失（Transmission Loss）是評價消聲元件對聲能衰減能力的主要指標(biāo)，其定義為消聲元件聲能量入、出口聲功率級之差。分別采用表1.2所示濾清器內(nèi)腔聲學(xué)流體網(wǎng)格模型，入口施加單位聲速，在0～3000Hz頻率范圍內(nèi)對聲學(xué)模型的聲響應(yīng)進行計算。測取進、出口聲壓級結(jié)果，帶入式（3.1）求得三種方案的傳遞損失結(jié)果。

TL=101gW

W

=101gS

P

u

S

P

u

=101gS

P

S

P

=101g+201g （3.1）

在高于1500Hz高頻區(qū)域，通過頻率點分布較為密集，且無明顯規(guī)律可循，但安裝濾紙后該區(qū)域的傳遞損失情況會有較大改善，可不必過于注意。在1270～1320Hz頻率區(qū)域傳遞損失幅值較低，是該結(jié)構(gòu)空腔聲能量易通過區(qū)。此外，在1150Hz附近，方案Ⅰ具有一較高傳遞損失峰值（63.63dB）。

當(dāng)頻率較低時，如低于濾紙起始作用的頻率點280Hz，帶有濾紙的和不帶濾紙的空氣濾清器具有相近的消聲性能，傳遞損失幅值之差不超過1dB。不帶濾紙的空濾器在中低頻有多個拱形衰減，但消聲量均不高，在高頻范圍內(nèi)因存在著較多的通過頻率，消聲性能不夠理想。由于濾紙的存在，空濾器的第一個拱形衰減范圍向更高頻率推移，并且消聲量有較大幅度提高；中高頻消聲性能有很大改善，在整個計算頻率范圍內(nèi)有良好的寬頻消聲效果，不再有通過頻率存在，也說明了濾紙使得聲腔的消聲性能更加平均。

對比考慮濾紙前后傳遞損失計算結(jié)果還可看出，考慮濾紙與否所計算得到的傳遞損失結(jié)果在頻率域內(nèi)的幅值與分布情況還是有較大相關(guān)性的。濾清器空腔本體傳遞損失頻譜中幅值較高、峰較密集區(qū)域往往也是安裝濾紙后傳遞損失數(shù)值較大區(qū)域，反之亦然。因此，通過改變空氣濾清器殼體或進出管結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可顯著改變?yōu)V清器空腔本體傳遞損失頻譜曲線，也是調(diào)整安裝濾紙后濾清器總體傳遞損失特性的有效途徑。

聲腔的傳遞損失隨著流阻率的增加整體呈上升趨勢，并變得更加平緩，說明濾紙的流阻率使得聲腔的消聲性能更加平均。隨著流阻率的增大，傳遞損失在高頻消聲量明顯增大，這也進一步證明了多孔材料對高頻消聲有較好的作用。

從計算結(jié)果可知，更細(xì)的入出口管，更高的流阻率或者更厚的濾紙對空氣濾清器會有更好的消聲效果，使得空濾器在整個頻段內(nèi)都有良好的消聲性能。綜合上述仿真及計算結(jié)果，最終選用方案Ⅲ作為最終的設(shè)計方案。

4.結(jié)論

（1）從聲學(xué)模態(tài)振型可知，在第五階模態(tài)之后，聲腔模態(tài)不再是平面波傳播，因此，聲腔的截止頻率約在800Hz。和結(jié)構(gòu)模態(tài)對比，在聲腔的第三階模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)的第十五階模態(tài)頻率相近，有共振的可能性。與方案I相比，方案III各階聲學(xué)模態(tài)頻率普遍有所降低。

（2）比較了不帶濾紙和帶有濾紙的空濾器傳遞損失計算結(jié)果。當(dāng)頻率較低時，帶有濾紙的和不帶濾紙的空氣濾清器具有相同的消聲性能。不帶濾紙的空濾器在中低頻有多個拱形衰減，但消聲量均不高，在高頻范圍內(nèi)因存在著較多的通過頻率，消聲性能不夠理想。由于濾紙的存在，空濾器的第一個拱形衰減范圍向更高頻率推移，并且消聲量有較大幅度提高；中高頻消聲性能有很大改善，在整個計算頻率范圍內(nèi)有良好的寬頻消聲效果，不再有通過頻率存在，即濾紙使得空濾器的消聲性能更加平均。

（3）聲腔的傳遞損失隨著流阻率的增加整體呈上升趨勢，并變得更加平緩，說明濾紙的流阻率使得聲腔的消聲性能更加平均。隨著流阻率的增大，傳遞損失在高頻消聲量明顯增大，這也說明了多孔材料對高頻消聲有較好的作用。

（4）方案II、III的消聲性能近似，傳遞損失結(jié)果曲線整體變化趨勢相同。較方案I具有更好的低頻性能，且中高頻更加平緩，整體消聲量更大。低頻區(qū)域內(nèi)，方案III具有比方案II更低的聲傳遞損失幅值，而在中高頻段則具有比方案II更佳的消聲性能。

（5）從計算結(jié)果可知，更長的插入管，如方案II、III相對于方案I，更細(xì)的入出口管，更高的流阻率或者更厚的濾紙對空氣濾清器會有更好的消聲效果，使得空濾器在整個頻段內(nèi)都有良好的消聲性能。 [科]

【參考文獻】

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