插入式消声器消声性能及气流噪声的研究

王 豪,戴永强,谢 荣,钱征兵

(马勒技术投资(中国)有限公司，上海 201401)

近年来汽车的舒适性越来越多的受到各个整车厂的关注。大量的工程试验结果证明，进气口和排气口的噪声占据了整个汽车通过噪声的40～60%[1，2]。对于进气系统而言，有效的降噪途径就是在空滤上面设计各种各样的谐振腔。对于自然吸气的发动机，可以通过赫姆霍兹谐振腔，1/4波长管等来消除其噪声，而对于增压的发动机噪声，由于其频率高、频带宽的特点。因此，需要采用插入式消声器来降低噪声。此处将采用插入式消声器来降低某增压发动机的进气口噪声。计完成以后，需要对其消声能力进行仿真分析，如果计算结果能够达到预期目的，那么就可以开始制作样件在整车上做试验来验证。图1是插入式消声器的设计，图2是该插入式消声器的体积、插入管的示意图。由于涡轮增压器的噪声频谱相当的宽，一般是在700～5 000 Hz，因此此处计算了该谐振腔的10 Hz到5 000 Hz之间的消声能力，评估方法采用工程上常用的减声量方法[3]。

1 消声器消声能力的评估

1.1 建模时的处理

由于制作样件成本高、周期长，因此，当空滤设

图1 插入式消声器的设计

图2 插入式消声器的内表面模型示意图

1.2 有限元计算结果以及验证

计算在频域内进行，在气流的入口处施加压力边界，频率为10～5 000 Hz，出口定义了无反射的阻抗边界条件。下图3就是计算的结果。可以看出，在一个比较宽的频率范围内，该消声器都具有消声能力。

图3 插入式消声器的消声能力

为了验证该消声器是否能有效的消除该发动机增压器的噪声，将含有该消声器的空滤安装在整车后，把整车放置在轮毂上面，测量了进气口的噪声如图4所示。同时也测量了没有该消声器的噪声频谱，如图5所示。对比图4和图5可以的看出，1 000 Hz左右的噪声被该插入式消声器有效的消减了。

图4 包含插入式消声器的空滤进气口噪声

但是，引入了该消声器以后，在发动机的高转速区域（4 500～6 000转，2 230 Hz左右）产生了一个单频噪声如图4所示。由于该单频噪声只产生在发动机高转速区域，原因有2点：

图5 未包含插入式消声器的进气口噪声

1)该噪声一定与气流速度相关，随着发动机进气量的增加（转速的增加），该噪声越来越大；

2)该噪声是气动性质的，是由于高速气流吹在某个尖角处产生的。又因为在插入式消声的出口处有一个自由边，该自由边有可能是产生该噪声的根源，下面就单独采用CFD的方法来模拟该噪声。

2 插入式消声器气流噪声研究

2.1 算法的探讨

先采用一个简单的具有试验结果的算例来验证CFD计算气动噪声的方法的可行性[4]。下图为该算例的CFD模型。

图6 CFD的计算模型

为了模拟出边界层效应，在速度的入口出施加一个随y坐标的7次方变化的速度

u是入口速度函数，U0是来流速度，y是Y方向的坐标，δ是所定义的边界层的厚度。此处，定义为2.2 mm。观察点设置在深腔左侧的壁面上面。设U0＝30 m/s。

为了能够在工程上具有比较好的通用性，该计算采用了通用的商用求解器Star CCM+。为了能够更精确的解析出噪声源，该计算采用大涡模拟[5]。

时间步长设置为1.0～5 e s，计算物理时间设置为2.0 s。在对时域信号进行处理的时候采用了汉宁窗。

出口采用常压力边界，为0.0 Pa。在计算的出口拉伸8倍于宽度的长度来近似流动在压力出口处的充分发展。图7是计算和试验结果的频谱对比。从图上可以看出该方法预测噪声源的频率和试验基本吻合。

图7 噪声的计算和实验结果对比

2.2 插入式消声器气流噪声模拟

发动机在5 000 r/min时，进气量大概在400 kg/h，换算成为速度大概为50 m/s。

在关口的速度边界条件定义上，采用了沿圆周径向方向随半径7次方变化的速度[5]，在管子的中心处速度最大，靠近壁面处速度几乎为0。图8是该速度的云图。

图8 速度入口处的速度分布

由于该速度比较大，边界层的厚度定义为1.8 mm[5]。此算例中，来流速度U0＝50 m/s，δ＝1.8 mm，其它边界的定义和上面的简单算例一样。

压力出口也设置为常压力0.0 Pa。图9是某个时刻的静态压力云图。在插入式消声器的内插管开口处，有周期性的涡存在，这是导致气流噪声产生的主要原因。为了抑制涡的产生或者降低涡的强度，考虑在气流的入口处增加一个气流导板，用于使气流更加紊乱。图10为增加了一个流动导板的设计。左图为包含插入式消声器的空滤壳体，右图为空滤新鲜空气导管，导板放在新鲜空气导管里面。

图9 优化前某时刻涡分布

图10 添加了流动导板的设计

和模拟后台阶深腔一样，在壁面上面放置了一个观察点用于监测噪声信号，图11是在频域里优化前后的对比。

图11 插入式消声器噪声频谱计算结果

2.3 插入式消声器气流噪声测试结果

测试是在包含背景流动的传递损失的测试台架上进行，如图12所示。发动机工作时，噪声从发动机经过空滤再经由进气口传播给大气，而同时，空气经由进气口进入发动机。测量减声量必须考虑空气流动的影响。在测试的时候，在空滤的干净空气端（增压器连接处）施加压力激励，声向自由场传播。同时，风机开始抽气，流量设置为400 kg/h，气流从进气口经由空滤进入风机。在空滤的进气口处放置麦克风来测量气流噪声，图13是两种方案在该台架上面的测试结果对比。

图12 含气流的传递损失测试台架示意图

从测试结果来看，引入一个导流板可以有效的扰乱气流从而达到降低气流噪声的效果。

图13 优化前后噪声频谱比较

3 结语

插入式消声器在比较宽的频率范围内具有良好的消声效果，但如果设计不良则会导致单频噪声的产生。为了抑制该气流噪声的产生，插入式消声器不能两边插入，而只能采用单边插入管，或者引入导流板来抑制该气流噪声的产生。

[1]Munjal M L.Acoustics of ducts and mufflers with application to exhaust system and ventilation system design[M].John Wiley ＆ Sons,Inc,1987.59-60.

[2]Jia Li,Thomas Wahl,etc.Computational and experimental study on transmission loss of automotive exhaust muffler system[J].SAE Intertional,2003-01-1684.

[3]汤志鸿，彭 鸿.汽车进气系统传递损失分析及优化研究[A].中国汽车工程学会论文集，2009.

[4]Henderson B.Proceedings of the thrid computational aeroacoustics(caa)workshop on benchmark problems[C].Cleveland,Ohio November 8-10,1999:95-100.

[5]St´ephane Caro,Paul Ploumhans.Aeroacoustic simulation of the noise radiated by an Helmholtz resonator placed in a duct[C].11 th AIAA/CEAS Aeroacoustics conference,May 2005:23-25.