陸楠, 劉湃, 孫帥

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201208)

1 研究背景

汽車排氣系統(tǒng)位于車輛底部,連接發(fā)動(dòng)機(jī)出氣端與大氣,主要作用是排放發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣、凈化廢氣、降低噪聲。如圖1所示,汽車排氣系統(tǒng)主要零件包括法蘭、排氣連接管、撓性節(jié)、消聲器、吊鉤、橡膠吊耳、尾管等[1],其中消聲器是排氣系統(tǒng)重要組成部分之一,其主要作用是通過逐漸衰減排氣壓力的脈動(dòng)使排氣能量耗散,從而降低排氣噪聲[2]。

圖1 某車型排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

排氣消聲器按消聲特性主要包含抗性消聲器和阻性消聲器兩種基本消聲功能元件?？剐韵暺髦饕ㄟ^聲波的反射來降低噪聲聲功率,如通過內(nèi)部管路、腔體隔板等組成膨脹腔、共振腔等消聲結(jié)構(gòu);阻性消聲器主要通過將高頻聲能量轉(zhuǎn)化為吸音材料的熱能來降低聲功率,如填充吸音材料玻璃纖維、設(shè)置高頻管結(jié)構(gòu)等。實(shí)際消聲元件往往是兼顧多頻段聲學(xué)降噪需求的阻抗復(fù)合式消聲器[3]。

近年來,排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。對(duì)高頻噪聲具有良好消聲效果的玻璃纖維,由于其制備過程中容易產(chǎn)生粉塵,且所涂敷的物質(zhì)會(huì)隨著車輛的使用揮發(fā)到汽車尾氣中,雖然兩者都不是持續(xù)性污染物,但均會(huì)增大排放和環(huán)?？刂齐y度[4],如何減少甚至避免使用玻璃纖維成為排氣系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。

1975年,著名聲學(xué)專家、科學(xué)院院士馬大猷教授在《中國科學(xué)》發(fā)表《微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)》[5]。之后,微穿孔板結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展,在各個(gè)領(lǐng)域尤其是建筑行業(yè)得到廣泛研究與應(yīng)用。過去受限于制造能力和成本問題,微穿孔結(jié)構(gòu)在汽車排氣系統(tǒng)消聲器中幾乎沒有應(yīng)用。近年來,由于汽車排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)苛,包括汽車尾氣顆粒物排放要求的收嚴(yán)和整車噪聲要求的收嚴(yán),給微穿孔結(jié)構(gòu)在排氣消聲器上的應(yīng)用提供了一定條件[6]。本文著重研究汽車排氣系統(tǒng)微穿孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能,推進(jìn)微穿孔結(jié)構(gòu)取代消聲器中的玻璃纖維。

2 微穿孔消聲模型的建立

微穿孔消聲結(jié)構(gòu)是利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)制成的一種新型消聲元件,具有高聲阻、低聲質(zhì)量的特點(diǎn)。如圖2所示,微穿孔消聲結(jié)構(gòu)是指主要由下述參數(shù)構(gòu)成的結(jié)構(gòu):1) 擋板厚度t小于1.0 mm(傳統(tǒng)調(diào)音結(jié)構(gòu)擋板厚度通常為1.0 mm、1.2 mm或1.5 mm);2) 薄板上穿直徑d小于1.0 mm的微孔(傳統(tǒng)調(diào)音結(jié)構(gòu)穿孔直徑通常大于3 mm);3) 穿孔率P為1%～5%(傳統(tǒng)調(diào)音結(jié)構(gòu)穿孔率通常大于10%);4) 后部留有一定厚度D的空氣層,空氣層內(nèi)不需要填充吸聲材料[7-8]。微穿孔結(jié)構(gòu)常用單層或雙層微穿孔板的形式,其性能介于多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)之間,吸聲頻率寬度優(yōu)于常規(guī)穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。

圖2 微穿孔消聲結(jié)構(gòu)示意圖

參考文獻(xiàn)[9-10],微穿孔板的聲阻抗率Z為:

(1)

假設(shè)各孔間互不影響,則單個(gè)微管的相對(duì)聲阻抗率除以P,以空氣特性阻抗ρc為單位,微穿孔板的相對(duì)聲阻抗Za為:

(2)

式中:c為聲速;r為相對(duì)聲阻,按式(3)計(jì)算;m為相對(duì)聲質(zhì)量,按式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

正入射時(shí)的吸聲系數(shù)αN為:

(5)

式中:D為板后空氣層厚度。

吸聲系數(shù)在共振頻率時(shí)達(dá)到最大值:

(6)

研究表明,表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數(shù)和頻帶寬度主要由微穿孔板結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量m和聲阻r決定,而這兩個(gè)因素又與穿孔擋板厚度t、微穿孔直徑d、穿孔率P及空氣層厚度D有關(guān)。因此,本文以穿孔擋板厚度、微穿孔直徑、穿孔率和空氣層厚度為設(shè)計(jì)因子,研究微穿孔板的吸聲特性[11-13]。

3 微穿孔消聲模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖3為某車型排氣系統(tǒng)消聲器的結(jié)構(gòu)布置,其前消聲器為一種消聲容積為8 L、第二腔含有玻璃纖維的傳統(tǒng)三管迷路卷筒式消聲器,圖4為前消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文的研究對(duì)象和優(yōu)化目標(biāo)為取消前消聲器第二腔的玻璃纖維,通過調(diào)整消聲器內(nèi)部擋板及調(diào)音管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化微穿孔結(jié)構(gòu),使其具備與原始填充玻璃纖維結(jié)構(gòu)近似的聲學(xué)性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微穿孔結(jié)構(gòu)取代玻璃纖維。

圖3 某車型排氣系統(tǒng)消聲器的結(jié)構(gòu)布置

圖4 某車型排氣系統(tǒng)前消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1為原始方案(含玻璃纖維)及以擋板厚度t、微穿孔直徑d、穿孔率P和空氣層厚度D為因子設(shè)計(jì)的變化參數(shù)方案的結(jié)構(gòu)圖,為研究單一因子對(duì)消聲器傳遞損失的影響,每次只改變一個(gè)因子而其他因子保持不變。

表1 微穿孔消聲模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失影響的研究方案

3.1 穿孔率P對(duì)消聲器傳遞損失的影響

通過傳遞損失試驗(yàn)測(cè)試微穿孔擋板穿孔直徑d為0.8 mm時(shí),穿孔率P從5%變化到1%時(shí)該車前消聲器傳遞損失的變化,圖5為不同穿孔率P下消聲器傳遞損失曲線。由圖5可知:隨著穿孔率由5%降低至1%,該車前消聲器400 Hz以下消聲能力無明顯變化,而400 Hz以上的傳遞損失均有所增大。

圖5 穿孔率P對(duì)消聲器傳遞損失的影響

玻璃纖維方案下消聲器排氣背壓為10.12 kPa。表2為氣流量239 g/s、溫度700 ℃時(shí)不同穿孔率P下微穿孔消聲器的排氣背壓測(cè)試結(jié)果。隨著穿孔率的減小,氣流通過消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)的順暢性降低,排氣背壓升高;穿孔率為1%時(shí),帶微穿孔結(jié)構(gòu)消聲器的排氣背壓接近玻璃纖維方案,差值在0.5 kPa以內(nèi),故選取穿孔率P為1%。

表2 穿孔率對(duì)消聲器排氣背壓的影響

3.2 穿孔擋板厚度t對(duì)消聲器傳遞損失的影響

理論上,穿孔擋板厚度t并不直接影響消聲器傳遞損失。擋板厚度越小,從制造工藝角度來說,微穿孔沖孔成型越容易,可制造的穿孔直徑越小。然而擋板厚度小到一定程度時(shí),會(huì)對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)模態(tài)、輻射噪聲、熱沖擊耐久性及結(jié)構(gòu)耐久性等產(chǎn)生不利影響。

通過FEA軟件HyperWorks模擬微穿孔擋板穿孔率P為1%、穿孔直徑d為0.8 mm的結(jié)構(gòu),分析擋板厚度t由1.0 mm逐漸降低至0.4 mm時(shí)該車前消聲器局部模態(tài)頻率及振型,結(jié)果見圖6。由圖6可知:擋板厚度由1.0 mm降低至0.8 mm時(shí),該車前消聲器一階模態(tài)頻率由717.8 Hz降低為700.7 Hz,均發(fā)生在消聲器殼體表面;擋板厚度繼續(xù)降低至0.6 mm、0.4 mm時(shí),一階模態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)部擋板前后振動(dòng),頻率分別為655.1 Hz、490.3 Hz。汽車行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求一階模態(tài)頻率大于600 Hz,0.4 mm擋板不滿足該要求。因此,消聲器擋板厚度t取為0.6 mm。

圖6 擋板厚度t對(duì)消聲器殼體模態(tài)的影響

3.3 穿孔直徑d對(duì)消聲器傳遞損失的影響

通過傳遞損失試驗(yàn)測(cè)試穿孔直徑d從1.0 mm變化到0.5 mm時(shí)該車前消聲器傳遞損失的變化,圖7為不同穿孔直徑d對(duì)應(yīng)的消聲器傳遞損失。

圖7 穿孔直徑d對(duì)消聲器傳遞損失的影響

由圖7可知:隨著穿孔直徑由0.9 mm逐漸降低至0.5 mm,該車前消聲器600 Hz以下消聲能力無明顯變化,600 Hz以上傳遞損失略有增大。結(jié)合實(shí)際,考慮到在深腔結(jié)構(gòu)表面法向加工直徑小的穿孔難度較大、成本較高(本文試驗(yàn)樣件均采用激光沖孔方式),且汽車尾氣的顆粒排放物會(huì)堆積在小孔周圍,越小的孔越容易造成阻塞,微孔直徑d取為0.5 mm。

3.4 空氣層厚度D對(duì)消聲器傳遞損失的影響

圖8為不同空氣層厚度D下該車前消聲器的傳遞損失。由圖8可知:空氣層厚度D越大,消聲效果越好。通過將原始方案中進(jìn)出氣管套管改為焊接大套管,平均空氣層厚度D由15 mm增加到66 mm,空氣層厚度增大,聲學(xué)性能提高,并對(duì)結(jié)構(gòu)起到了加強(qiáng)作用。但空氣層厚度的選取受限于消聲器形狀尺寸及底盤空間布置。根據(jù)該車底盤空間布置及前消聲器形狀尺寸,平均空氣層厚度取為66 mm。

圖8 空氣層厚度D對(duì)消聲器傳遞損失的影響

4 微穿孔消聲器排氣系統(tǒng)聲學(xué)仿真計(jì)算與測(cè)試

根據(jù)前面的分析,在該車前消聲器第二腔建立穿孔率P為1%、擋板厚度t為0.6 mm、穿孔直徑d為0.5 mm、平均空氣層厚度D為66 mm的微穿孔結(jié)構(gòu),制作排氣系統(tǒng)樣件進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試,并與玻璃纖維方案進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)全油門加速工況尾管噪聲、全油門加速工況消聲器輻射噪聲及怠速噪聲測(cè)試規(guī)范要求布設(shè)麥克風(fēng),主要布置在排氣尾管、前消聲器底部及車內(nèi)前、中、后排座椅(見圖9)。

圖9 排氣系統(tǒng)整車噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖10～13為全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲測(cè)試結(jié)果。由圖10～13可知:消聲器微穿孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲及階次噪聲與原消聲器填充玻璃纖維方案相近,兩者聲學(xué)性能相當(dāng),均可滿足車輛尾管噪聲規(guī)范要求。

圖10 全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲測(cè)試

圖11 全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲測(cè)試

圖12 全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲測(cè)試

圖13 全油門加速工況下排氣系統(tǒng)尾管噪聲測(cè)試

圖14為根據(jù)排氣系統(tǒng)冷流背壓試驗(yàn)測(cè)試規(guī)范搭建的試驗(yàn)臺(tái)架。圖15為壓力測(cè)點(diǎn)布置,其中測(cè)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)為整個(gè)排氣系統(tǒng)的總背壓,測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)3的壓力數(shù)據(jù)之差為前消聲器的壓力損失。表3為兩種方案的背壓測(cè)試結(jié)果。

表3 兩種方案排氣系統(tǒng)背壓測(cè)試結(jié)果對(duì)比 單位:kPa

圖14 排氣系統(tǒng)冷流背壓試驗(yàn)臺(tái)架

相對(duì)而言,微穿孔結(jié)構(gòu)取代玻璃纖維會(huì)減少一部分壓力損失,而降低穿孔率、減小穿孔直徑相當(dāng)于增大局部壓力損失,會(huì)增大排氣背壓。由表3可知:

排氣系統(tǒng)方案變更前后消聲器的壓力損失及速度等流體性能變化較小,新老方案排氣系統(tǒng)的背壓分別為45.9 kPa、45.3 kPa,均滿足規(guī)范中背壓小于48 kPa(氣流量239 g/s、溫度700 ℃)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

怠速噪聲水平是評(píng)價(jià)車輛乘坐舒適性的重要指標(biāo)。如表4所示,與原始玻璃纖維方案排氣系統(tǒng)相比,在怠速D擋開空調(diào)工況下,采用微穿孔結(jié)構(gòu)排氣系統(tǒng),排氣尾管及車內(nèi)噪聲降低0.40～2.13 dB(A)。

表4 怠速D擋開空調(diào)工況下兩種方案排氣系統(tǒng)車內(nèi)外怠速噪聲對(duì)比 單位:dB(A)

5 結(jié)論及展望

本文通過參數(shù)優(yōu)化研究排氣系統(tǒng)微穿孔消聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性,分析擋板穿孔率P、擋板厚度t、擋板穿孔直徑d和空氣層厚度D對(duì)消聲器傳遞損失的影響。對(duì)于某車型前消聲器,穿孔擋板厚度t取0.6 mm、擋板微穿孔直徑d取0.5 mm、穿孔率P取1%、空氣層厚度D取66 mm為最優(yōu)微穿孔結(jié)構(gòu)。采用微穿孔結(jié)構(gòu)前消聲器的排氣系統(tǒng)的性能與采用原始玻璃纖維方案前消聲器的排氣系統(tǒng)相比,全油門加速工況下排氣尾管噪聲相近,怠速噪聲降低0.40～2.13 dB(A),背壓差異在1 kPa以內(nèi),均滿足性能目標(biāo)要求,微穿孔結(jié)構(gòu)可有效取代玻璃纖維。

本文涉及的微穿孔結(jié)構(gòu)測(cè)試樣件均采用激光打孔方式制造,而量產(chǎn)工藝主要為滾壓成孔方式,如果能在工藝方面進(jìn)一步提高效率和降低開孔直徑,將進(jìn)一步提高微穿孔結(jié)構(gòu)的消聲能力。另外,汽車尾氣排放顆粒物堆積對(duì)微穿孔結(jié)構(gòu)消聲性能的影響有待進(jìn)一步研究。