譚延崢，李舜酩，程 春，張宗振

（南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016）

一種進氣消聲器設計及其在拖拉機中的應用

譚延崢，李舜酩，程 春，張宗振

（南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016）

某型號拖拉機的發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲過大，嚴重影響駕駛員身心健康，需對其進行降噪設計。首先，基于試驗測試，分析進氣噪聲特征。其次，基于直通穿孔管消聲理論，將直通穿孔管結構看做一種共振消聲單元，提出并設計一種針對寬頻帶噪聲的多腔共振型消聲器結構。同時，采用聲學有限元軟件Virtual.Lab對該消聲器聲學性能進行仿真研究。最后，將該消聲器加裝在實車上進行試驗驗證。結果表明，數(shù)值模擬結果與試驗結果能較好吻合，所設計的消聲器能明顯降低發(fā)動機進氣噪聲，消聲量達到15 dB(A)，優(yōu)于國標要求。

聲學；進氣消聲器；拖拉機；寬頻帶；仿真分析；試驗

近年來，在農用機械研發(fā)技術不斷發(fā)展的過程中，駕駛員對乘坐舒適性的要求越來越高。發(fā)動機噪聲是車輛的主要噪聲源，是影響舒適性的重要因素，所以應從降低發(fā)動機噪聲著手，實現(xiàn)車輛噪聲的有效控制，而進氣系統(tǒng)噪聲是發(fā)動機的主要噪聲源之一，因此有必要對進氣系統(tǒng)噪聲進行研究與控制[1]。

進氣系統(tǒng)噪聲是由于進氣門周期性開閉，引起進氣管道內高速流動的空氣產生壓力和密度的起伏變化，從而形成的空氣動力性噪聲[2]。國外對進氣系統(tǒng)噪聲的研究主要是針對管道聲學特性研究了傳遞損失的計算和聲學性能的預測，Hyoun-Jin Sim等采用了支持向量回歸的方法提出了汽車進氣系統(tǒng)降噪的優(yōu)化設計方案[3]。S.Rodriguez等利用機械-聲學類比等方法，研究了發(fā)動機與進氣系統(tǒng)的耦合問題，對比分析了兩種不同進氣系統(tǒng)的聲學性能[4]。G.Montenegro等提出了將一維與多維仿真模型集成的方法，分析了復雜消聲器結構的傳遞損失等聲學特性[5]。國內主要針對不同結構消聲器的消聲特性，以及有限元分析和優(yōu)化進行研究，張袁元等分析了某柴油機進氣系統(tǒng)的噪聲特性，結合傳遞矩陣法和有限元分析法，對進氣消聲器進行了聲學優(yōu)化[6]。劉麗媛等針對渦輪增壓發(fā)動機設計了兩套進氣消聲器，結合仿真計算與實驗測量得到了各自的消聲特性[7]。

本文以某拖拉機柴油發(fā)動機進氣系統(tǒng)為研究對象。對該進氣系統(tǒng)進行噪聲問題分析，在保證發(fā)動機性能的前提下，依據(jù)聲學理論設計提出一種消聲器結構，并基于聲學有限元法進行仿真分析。經過試驗驗證，該消聲器能夠使進氣口噪聲明顯降低，為進氣系統(tǒng)的降噪和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 進氣系統(tǒng)噪聲問題分析

1.1 噪聲問題描述

某型號拖拉機存在較嚴重的噪聲問題，參照國標、歐標對整車原狀態(tài)下的進氣口及駕駛員的耳旁進行聲學測量，在高一檔最高轉速工況下，測得距離發(fā)動機進氣罩10 cm處的聲壓級為112 dB(A)；駕駛員左、右耳耳旁噪聲達到92.8 dB(A)和93.1 dB(A)，遠高于國標要求的噪聲限值89 dB(A)；測得的駕駛員左、右耳耳旁噪聲頻譜如圖1所示。

圖1 高一檔最高轉速時駕駛員耳旁噪聲頻譜圖

分析頻譜圖可知，噪聲能量主要集中在400 Hz～800 Hz的較寬頻率段內，該頻段的能量占到了總能量的88%，并且在470 Hz、600 Hz和720 Hz頻率處出現(xiàn)噪聲峰值。因此，在不改變空氣濾清器的前提下，必須要針對此頻率段的噪聲進行消聲器的理論設計和試驗驗證，以達到國標和歐標的要求。

1.2 性能評價指標

車輛對消聲器的要求是在允許的安裝空間內，擁有足夠的消聲量且不影響車輛發(fā)動機的功率輸出。消聲器的主要性能評價指標包括聲學性能評價指標，如插入損失和傳遞損失；氣體動力性指標，如功率損失比和壓力損失；同時應當結構可靠、安裝方便[8]。

插入損失是指安裝消聲器前后，在某一測量點測量到的聲功率級之差，主要反映整個系統(tǒng)在安裝消聲器前后的聲學特性變化及實際消聲效果，在現(xiàn)場測量中被廣泛使用，其計算公式為[9]

式中LW1、W1為空管時在某測點所測到的聲功率級和聲功率，LW2、W2為安裝消聲器后在同一測點所測到的聲功率級和聲功率。

傳遞損失是指出口無反射端時，消聲器進口處和出口處的聲功率級之差，可以表示為[9]

式中LWi、Wi為消聲器進口處的聲功率級和聲功率，LWt、Wt為消聲器出口處的聲功率級和聲功率。傳遞損失反映了消聲器自身的固有屬性，不受聲源和出口阻抗的影響，是消聲器研究中最常用的性能指標，但實際測量較困難，常利用Virtual.Lab軟件進行仿真計算。

功率損失比表示標定工況下空管和帶消聲器兩種狀態(tài)下發(fā)動機功率的差值與空管狀態(tài)下發(fā)動機功率比值的百分比，壓力損失是指穩(wěn)定氣流通過消聲器時所造成的進口與出口兩端面之間的壓力降[10]。

1.3 選型與設計

考慮盡量不增加進氣壓力損失的前提，初步決定采用直通穿孔管結構[11]的抗性消聲器，其幾何形狀示意圖如圖2所示。

圖2 直通穿孔管結構

該結構結合了簡單擴張式和共振式結構的特點，消聲原理是穿過小孔的空氣柱與空腔形成共振系統(tǒng)，當聲波頻率與空腔的共振頻率接近時，空氣柱振動速度很大，克服摩擦阻力消耗的聲能也最大，因此在共振頻率附近有較大消聲量。該結構主要參數(shù)為穿孔直徑和穿孔率，壓力損失小，具有較強的頻率選擇性。

考慮到進氣噪聲的能量主要集中在寬頻帶，因此可以將直通穿孔管結構看做一種共振消聲單元，將多個該單元串聯(lián)連接，并針對主要研究頻段恰當選取不同的結構參數(shù)，則該串聯(lián)結構既具有直通穿孔管壓力損失小的特點，又兼?zhèn)鋵掝l消聲的特點。

針對圖2所示的共振消聲單元，應用傳遞矩陣法，可將其進出口間的聲壓p和質量振速表示為

式中ρ為空氣密度，S為穿孔管橫截面積，pi和ui、po和uo分別為消聲單元進、出口處的聲壓和質點振速為消聲單元的傳遞矩陣。

由動量方程和共振腔邊界條件，最終推導并整理得到的傳遞矩陣是關于la、lb、頻率f、消聲通孔直徑d和穿孔數(shù)的關系式，由式(2)進一步得到該消聲單元的傳遞損失

式中c0為聲速。

同時，根據(jù)現(xiàn)有設計方法[12]，設有n個消聲通孔，則共振腔的共振頻率f0可表示為

式中V為共振腔體積，G為傳導率，表達式為

式中S0為單個消聲通孔的截面積，l0為穿孔管壁厚。則單個共振腔對頻率為f的傳遞損失為

由此可知，通過合理選擇消聲通孔個數(shù)、通孔截面積、共振腔體積以及共振腔個數(shù)，理論上就可以使得消聲器在目標消聲頻帶內具有足夠的消聲量，達到消聲目的。

2 進氣消聲器仿真分析

2.1 模型建立

根據(jù)上述理論思路，在整車安裝空間的限制下，進行消聲器設計。第一步，考慮消聲器加工難易程度以及消聲器進出口尺寸要與原有空氣濾清器尺寸保持一致的要求，確定消聲器殼體尺寸范圍、穿孔管尺寸以及三個共振腔的長度；第二步，根據(jù)目標消聲頻率，由式(4)確定穿孔管各尺寸參數(shù)間的相互關系；第三步，在滿足傳遞損失在目標消聲頻率處盡量達到最大的要求下，選取合適的la、lb、消聲通孔直徑d和穿孔數(shù)；第四步，對各腔消聲量依據(jù)式(5)－式(7)進行設計校核，在上述各限制條件下，調整到滿足消聲要求的合適尺寸。最終確定的多腔共振型消聲器的結構參數(shù)如表1所示。其中消聲器殼體內徑為120 mm，穿孔管內徑為60 mm，各腔長度均為50 mm，所有壁厚均為1 mm。

由上述設計參數(shù)，進行消聲器模型的建立。首先根據(jù)尺寸參數(shù)利用CATIA軟件建立進氣消聲器的三維幾何模型，如圖3所示。

之后將三維模型導入Hypermesh軟件中進行前處理，依據(jù)具體結構尺寸按照不同的精細程度進行網格劃分，最終得到消聲器的聲學有限元模型如圖4所示。

2.2 傳遞損失計算

基于聲學有限元法，將有限元模型導入到Virtual.Lab軟件中對消聲器聲學特性進行模擬。對于進氣消聲器，其流體材料即為空氣，聲速為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。由于傳遞損失是消聲器的固有屬性，與聲源的特性無關，所以設置消聲器的進口邊界條件為單位聲功率，定義出口為全吸聲無反射邊界條件，這樣軟件就會自動計算出出口聲功率，進而得到傳遞損失。經過以上前處理，并設置計算頻率范圍為0～1 000 Hz，步長為10 Hz，仿真計算得到消聲器的傳遞損失曲線，見圖5。以及各個頻率下的聲壓級幅值云圖。其中，傳遞損失達到峰值時對應的聲壓級云圖如圖6(a)－圖6(c)所示。

表1 多腔共振型消聲器結構參數(shù)表

圖3 進氣消聲器幾何模型

圖4 進氣消聲器有限元模型

圖5 進氣消聲器傳遞損失

2.3 結果分析

根據(jù)仿真結果，由傳遞損失曲線可以看出，該進氣消聲器在450 Hz～1 000 Hz的寬頻率范圍內具有足夠的消聲量，且在480 Hz、540 Hz和700 Hz這三個頻率處出現(xiàn)共振峰，傳遞損失明顯，最大達到65 dB。由傳遞損失達到峰值時對應的聲壓級云圖可以看出，聲波始終都是以平面波的形式從消聲器進口進入并傳播至出口，且聲壓分布從第一腔到第三腔依次有明顯的降低。仿真計算結果與所提出的多腔共振型消聲器結構的預期聲學特性基本吻合，驗證了設計的正確性。

圖6 傳遞損失達到峰值時對應的的聲壓級云圖

3 試驗驗證與評價

在理論設計與仿真分析的基礎上，加工進氣消聲器樣件并安裝在實車上進行試驗驗證，試驗現(xiàn)場如圖7－圖8所示。

圖7原進氣系統(tǒng)

圖8 安裝消聲器后的進氣系統(tǒng)

測得實車在高一檔最高轉速工況下，距離發(fā)動機進氣罩10 cm處的聲壓級由原來的112 dB(A)降低到了97 dB(A)；駕駛員左、右耳耳旁噪聲分別降低到了87.5 dB(A)和87.4 dB(A)，優(yōu)于國標和歐標要求的噪聲限值；測得的駕駛員左、右耳耳旁噪聲頻譜如圖9所示。

與圖1相比較，該進氣消聲器有效消減了400 Hz～800 Hz頻率范圍內的噪聲能量，并且明顯抑制了470 Hz、600 Hz和720 Hz頻率處的噪聲峰值。試驗結果充分驗證了多腔共振型消聲器的預期消聲效果。

4 結語

（1）研究結果表明，本文提出的串聯(lián)直通穿孔管消聲單元的結構，可以較好地解決發(fā)動機寬頻帶進氣噪聲的問題。

（2）根據(jù)仿真計算結果，所設計的進氣消聲器在470 Hz、600 Hz和720 Hz這三個目標消聲頻率附近有較好的消聲特性。

（3）經試驗測試，所設計的進氣消聲器可使駕駛員左、右耳耳旁噪聲由原來的92.8 dB(A)和93.1 dB(A)分別降至87.5 dB(A)和87.4 dB(A)，同時也驗證了仿真分析的準確性。該串聯(lián)式消聲結構具有一定普適性，為解決同類噪聲問題提供了理論依據(jù)。

圖9 安裝消聲器后高一檔最高轉速時駕駛員耳旁噪聲頻譜圖

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Design of a Broadband Intake Muffler and ItsApplication in Tractors

TAN Yan-zheng,LI Shun-ming,CHENG Chun,ZHANG Zong-zhen
(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics, Nanjing 210016,China)

The noise in the engine intake system of a tractor is overlarge,which seriously affects physical and mental health of drivers.So,it is necessary to make a noise reduction design.Firstly,the intake noise characteristics are analyzed based on experimental tests.Secondly,based on the theory of straight-through perforation tube,the perforation tube is treated as a resonant silencing element.A multi-cavity resonance-type silencing structure is proposed for broadband noise reduction.Meanwhile,the Virtual.Lab software is used to simulate the acoustic performance of the muffler.Finally,the muffler is assembled into the tractor to verify the effectiveness of the proposed structure.It is shown that the numerical simulation results agree well with the experimental results.The designed muffler can effectively reduce the intake system noise and the amount of noise elimination can achieve 15 dB(A),which is superior to the requirement of the national standard.

acoustics;intake muffler;tractor;broad band;simulation analysis;experiment

TB535+.2

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.038

1006-1355(2017)03-0189-04

2016-12-05

國家重點研發(fā)計劃課題資助項目（2016YFD0700803）

譚延崢（1993－），男，山東省濟南市人，碩士生，主要研究方向為車輛振動與噪聲控制。E-mail:cheliangtan@163.com

李舜酩，男，博士生導師。E-mail:smli@nuaa.edu.cn