黃燕群/HUANG Yan-qun

（廈門廈工機(jī)械股份有限公司，福建 廈門 361023）

當(dāng)前世界上能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排和綠色生活成為全社會(huì)發(fā)展的主題。噪聲排放就是一種環(huán)境污染，影響著人們的生活。裝載機(jī)是國(guó)內(nèi)常見的工程機(jī)械產(chǎn)品之一，在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)能與需求都非常的大。消聲器作為裝載機(jī)排氣系統(tǒng)的重要部件，是一種允許氣流通過而使聲能衰減的裝置，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可極大改善空氣動(dòng)力性噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響，減少噪聲污染。

1 原消聲器效果驗(yàn)證

1.1 消聲器測(cè)試法

當(dāng)前對(duì)消聲器的效果驗(yàn)證主要是根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法》（GB/T 4759-2009）[1]在半消聲室內(nèi)臺(tái)架上進(jìn)行插入損失測(cè)試并判斷。但消聲室造價(jià)昂貴，且試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)安裝在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上與安裝在整車上情況也有所差別。

因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易方法處理消聲器（圖1）。在現(xiàn)有消聲器外串連一個(gè)大消聲器，使整機(jī)排氣噪聲盡可能地被消除。在同一臺(tái)裝載機(jī)上先后測(cè)量配置原消聲器和配置原消聲器串聯(lián)大消聲器的整機(jī)噪聲。通過對(duì)比串聯(lián)大消聲器前后的裝載機(jī)機(jī)外噪聲來判斷原消聲器的降噪空間。采用簡(jiǎn)易測(cè)試法便捷又簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)周期短，直接體現(xiàn)出消聲器實(shí)際效果。

1.2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖1 消聲器處理圖

裝載機(jī)整機(jī)噪聲測(cè)試是根據(jù)國(guó)標(biāo)“土方機(jī)械聲功率級(jí)的測(cè)定動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件”（GB/T 25614-2010），采用六點(diǎn)法[2]進(jìn)行，依次測(cè)試整機(jī)靜態(tài)工況，定置作業(yè)循環(huán)工況，前進(jìn)、后退行駛工況。其中點(diǎn)3位于裝載機(jī)右后方，是最靠近消聲器的測(cè)點(diǎn)。整機(jī)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，串聯(lián)大消聲器前后整機(jī)靜態(tài)噪聲下降1.25dB，總聲功率下降0.9dB。對(duì)于整機(jī)而言，原消聲器還有一定的可降空間。

表1中總聲功率作為工程機(jī)械噪聲國(guó)標(biāo)評(píng)判依據(jù)，由定置作業(yè)循環(huán)工況和行駛工況合成計(jì)算，計(jì)算公式如下：

表1 簡(jiǎn)易法整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果

式中Li—— 第i個(gè)工況機(jī)外噪聲測(cè)試聲功率，dB；

T1——前進(jìn)行駛時(shí)間，s；

T2——后退行駛時(shí)間，s。

取最靠近消聲器的測(cè)點(diǎn)3作業(yè)工況A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜進(jìn)行分析（圖2），發(fā)現(xiàn)串聯(lián)大消聲器后在235Hz波峰處噪聲削減非常明顯。已知實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 350r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)六缸，此頻率恰好為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣特征6階頻率，由此進(jìn)一步確定改善消聲器是整機(jī)降噪的主要方向。

圖2 點(diǎn)3聲壓級(jí)頻譜對(duì)比圖

2 新消聲器的計(jì)算

2.1 消聲結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)消聲機(jī)理，消聲器通常分為6種主要的類型：阻性、抗性、阻抗復(fù)合式、微穿孔板式、小孔消聲器和有源消聲器[3]。原消聲器為抗性消聲器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，具有良好的低頻噪聲消除性能，因此新消聲器仍選擇的抗性消聲器。

共振消聲器作為抗性消聲器一種，適用于消除窄帶的中低頻噪聲。同時(shí)通過共振吸聲原理來實(shí)現(xiàn)消聲，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消聲量大等優(yōu)點(diǎn)，特別是它對(duì)氣流的阻力損失很小，能保證排氣順暢，減少排氣背壓。赫爾姆茲共振是車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)中使用最多的一種共振消音方式。圖3為本文采用的同心式赫爾姆茲共振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 消聲器共振腔設(shè)計(jì)

新消聲器的設(shè)計(jì)原則[4]：①盡量利用現(xiàn)有安裝空間加大原消聲器容積，增大消聲器容積與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量體積比，從而提高消聲量；②采用赫爾姆茲共振原理設(shè)計(jì)共振腔。使其消聲特性在中心頻率235Hz處的傳遞損失TL為15dB的消聲量。

圖3 共振腔結(jié)構(gòu)示意圖

由目前安裝空間的大小定下共振腔基本參數(shù)D2=250mm，L1=184mm，壁厚t=2mm。未知參數(shù)有連通管的直徑D1及管上小孔的直徑d與數(shù)量n。

共振腔的共振頻率公式（2），

由共振消聲器的消聲量計(jì)算公式(2)可知，當(dāng)f=fr時(shí)，消聲量將無限增大，在偏離共振時(shí)，消聲量顯著下降，故式(3)可化為式(4)，

式中C——聲速，340m/s；

G——傳導(dǎo)率，mm；

V——共振腔容積，mm3；

Sp——中間連通管截面積，mm2。

由現(xiàn)有已知量通過求解式（2）、式（4）組成的方程組我們可以算出D1=75mm，G=251.3mm。有傳導(dǎo)率計(jì)算如公式(5)

式中d——小孔直徑，mm；

n——開孔數(shù)，個(gè)；

t——連通管壁厚，2mm。

由式(5)計(jì)算可得，連通管上小孔的直徑小與孔的數(shù)量之間的表達(dá)式關(guān)系，考慮到加工工藝問題，最終取小孔直徑d=7.5mm，小孔數(shù)n=43個(gè)。

3 聲學(xué)仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用，給消聲器的聲學(xué)特性研究提供了新的路徑。GT-Power是GT-suite系列軟件中最著名的軟件，是基于面向?qū)ο蟮慕换ナ浇缑?，具有良好的仿真模擬性能，并且仿真性能分析的精度可以通過設(shè)定模型離散長(zhǎng)度來控制[5]。在GEM3D中快速地建立并離散化消聲器的幾何模型，然后調(diào)用gt-muffler傳遞損失計(jì)算模塊并將離散化后的消聲器模型倒入到gt-ise中，進(jìn)行插入損失計(jì)算[6]。

消聲器材料為Q235，仿真環(huán)境溫度20℃，新舊消聲器結(jié)構(gòu)如圖4所示，兩款消聲器都是三腔結(jié)構(gòu)，新消聲器將原消聲器的第二腔改成了赫爾姆茲共振腔。新消聲器與原消聲器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，背壓小等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

傳遞損失仿真頻譜如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，新消聲器在中低頻段整體消聲效果更加良好，尤其235hz波峰處上傳遞損失消聲值遠(yuǎn)大于原消聲器，共振腔達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

圖5 傳遞損失仿真分析頻譜圖

4 整車噪聲測(cè)試對(duì)比

由前面的仿真分析對(duì)比知道理論上新消聲器在中低頻段尤其是235Hz波峰處有更好的消聲效果，但實(shí)際效果還是需要驗(yàn)證。

由新款消聲器的裝載機(jī)機(jī)外噪聲測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)（表2）可知安裝新的消聲器后，使得整機(jī)的靜態(tài)噪聲下降0.61dB，總聲功率下降0.7dB，達(dá)到原消聲器串聯(lián)大消聲器后78%的水平。

表2 新款消聲器整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

通過噪聲測(cè)試、理論計(jì)算、仿真分析、再噪聲測(cè)試的系列過程完成一款更加簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)且消聲性能更好的消聲器的設(shè)計(jì)。采用新消聲器能夠讓整車機(jī)外噪聲下降0.7dB，使得裝載機(jī)機(jī)外噪聲達(dá)標(biāo)的同時(shí)擁有更多的裕量可以減少吸音棉的使用，降低生產(chǎn)成本。