基于三维有限元分析的汽车风道材料降噪方法

刘 昉，王争论，康 伟

（上海泰瑞电子科技有限公司，上海 201402）

基于三维有限元分析的汽车风道材料降噪方法

刘 昉，王争论，康 伟

（上海泰瑞电子科技有限公司，上海 201402）

声波在汽车空调通风道道中主要以平面波成分出现，然而，当声波的波长大于管道截面尺寸时，就会出现高次波成分，采用一维计算方法或二维方法就会出现较大的误差，三维有限元方法能够有效解决计算过程中出现的误差。采用传递函数法在阻抗管中对PE发泡材料和三种面密度的模压织物平板材料吸声系数进行测试。测试结果表明，闭孔发泡塑料吸声性能最差，模压织物面密度越大，吸声性能越好。以测得的阻抗作为边界条件，采用三维有限元方法，对直管风道样件管口辐射噪声。直管样件测试和仿真分析结果表明，模压织物材料的面密度对隔声性能影响较小，900 gsm模压织物风道比500 gsm和700 gsm改善0.8 dB左右，模压织物比发泡塑料噪声改善3 dB。

声学；汽车空调风道；三维有限元方法；PE发泡材料；模压成型织物；吸声性能

汽车空调风道的主要作用是满足车内通风、除霜除雾要求[1]。汽车风道是汽车空调通风系统的重要组成部分，其设计的合理性直接影响车辆的舒适度。因此，设计时需要考虑其材料、截面形状、工艺性能和密封性能[2]，这些因素直接影响出风口的出风效果、除霜除雾效果和车厢内的噪声水平。当声波在汽车空调通风道内传播时，主要以平面波形式进行传播。然而，平面波在管道中传播会存在一个截止频率[3]，当声源的频率低于该截止频率时，只有平面波在管道中传播；大于该频率时，就会出现高次波成分。在采用一维平面波理论或二维有限元方法分析时，若声波的波长大于管道的截面尺寸，就会出现较大的误差，三维有限元方法是解决该问题的有效工具[4]。

1 汽车风道声学仿真分析

对于汽车风道，当声波在管道内传播时，满足运动方程、连续性方程和物态方程，可以得到理想流体中小振幅声波的三维波动方程为

假设声波为简谐波，则声压可以表示为

将上式代入式（2）中，可以得到Helmholtz方程

求解三维Helmholtz方程，就可以得到三维声场。

利用加权余量法计算Helmholtz方程在整个三维计算域V中的积分方程

其中p͂为 权函数，利用散度定理可改写为

其中Ω为计算域中的边界，一般包含下面三种边界条件：

1）刚性壁面边界条件Ωr

2）法向质点速度边界条件Ωv

3）法向阻抗边界条件

在采用有限元法求解三维声场V的时候，首先需要将声场离散成有限个单元，单元之间通过节点连接，每个单元的声压由节点的声压来确定，节点的声压与任意点的声压由形函数来表达。

式中[N]为形函数，[pi]为节点声压。

假设p͂和p具有相同的形函数，将式（6）至式（10）代入式（5）中，经过整理可得

在得到形函数的情况下，求解式（11）就可以得到节点处的声压。

以矩形管道为例，长度取0.5 m，截面形状为正方形，边长取0.07 m。在风道入口处施加单位速度边界条件，出口施加AML属性。对于塑料风道，壁面假设为刚性，对于发泡塑料风道和织物风道，壁面采用法向阻抗边界条件。

采用六面体网格，网格大小为5 mm，计算频率取为5 000 Hz，网格单元数量为3.57万。

2 风道壁面材料的声学边界条件

织物风管具有较好的降噪效果，其吸声性能、材料的阻抗特性都需要通过阻抗管实验获取。

采用传递函数法在阻抗管中对PE发泡材料[6–7]和三种不同面密度（500 gsm、700 gsm以及900 gsm）的模压织物进行吸声系数测试和阻抗测试，测试得到的吸声系数见图2。

从图2可以看出，PE发泡材料的吸声性能最差，模压织物的吸声性能优于PE发泡材料。随着面密度增大，2 000 Hz以下各吸声系数基本相同，2 000 Hz以上，模压织物的吸声系数随面密度的增大而增大。

将阻抗管测试结果中的阻抗比导出，计算得到阻抗实部和虚部，如图3和图4所示，加入到计算模型的壁面边界中，进行风道声学计算。

3 简易样件声学性能验证

为了加快新产品开发进度，节约成本，以模压原材料吸声系数为优化目标，对模压织物风管进行测试和仿真计算，以获取最优的降噪材料，可以减少零件模具模压测试次数，加快研发速度。

图1 织物风道几何形状及有限元模型

图2 吸声系数曲线

图3 风道壁面不同材质条件下阻抗实部

图4 风道壁面不同材质条件下阻抗虚部

以直管样件为例，评价各种材料制作成直管的降噪效果。为了简化分析，未考虑气流条件中由于湍流引起的气流噪声。因此，可以采用无气流条件下声源激励直管管口，测量距管口0.5 m处的声压级，测试原理如图5所示。

图5 管口辐射噪声测试原理

同时，采用LMS Vritual.lab Acoustic有限元方法进行仿真计算，将计算结果和测试结果进行比较，如图6、图7所示。

在混响室放置球形声源，施加白噪声信号，在半消声室测量得到的管口声压级如图6所示。

从图6可以看出，仿真结果和实验结果吻合较好，误差在1 dB左右。发泡PE风道管口噪声比塑料风道管口噪声低3 dB；而模压织物风道比发泡PE风道管口噪声低3.3 dB。

图6 管口辐射噪声

图7 管口辐射噪声仿真结果

因此，模压织物风道比传统塑料风道管口噪声低6.3 dB。

从图7可以看出，模压织物风道的降噪区域主要在1 000 Hz以上，1 000 Hz以下的中低频区域基本无降噪效果。三种不同面密度的模压织物中，900 gsm模压织物比其他两种具有0.8 dB的降噪优势，其他两种材料噪声水平一致，模压织物面密度改变对降噪不敏感。

4 结语

(1)发泡塑料的吸声系数最低，不到0.2；模压织物的吸声系数大于发泡塑料的吸声系数，且密度增大，吸声系数增大；

(2)三维有限元分析结果和测试结果吻合较好，误差在1 dB左右；

(3)PE发泡风道具有3.4 dB的降噪量，模压织物比PE发泡风道具有2 dB的降噪优势；

(4)当厚度一定时，模压织物面密度增加，降噪能力加强；当面密度增加到一定程度时，面密度增加不能显著降低噪声水平，900 gsm风道比500 gsm和7 00 gsm风道噪声只降低0.8 dB；

(5)模压织物风道最优的降噪频带在1 000 Hz以上，对于1 000 Hz以下的中低频区域，模压织物风道基本无降噪效果。

[1]常利伟，郝维.基于CFD分析技术的汽车除霜优化设计[J].拖拉机与农用运输车，2014，41（5）：40-42.

[2]朱娟娟，陈江平，陈芝久，等.汽车空调双后风道结构数值优化分析[J].制冷技术，2004(3)：8-10.

[3]MUNJAL M L.Acoustic of ducts and mufflers[M].北京：国防工业出版社，1982.

[4]GIH J,LEE B H.Analysis of high-order mode effects in the circular expansion chamber with mean flow[J].J.Acoust.Soc.Am,1985 77:1377-1388.

[5]毕嵘.复合式消声器声学特性的分析方法和实验研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[6]许小强，杨汝平，熊春晓.吸声聚氨酯泡沫塑料的研究[J].宇航材料工艺，2011(2)：17-20.

[7]梁李斯，姚广春，穆永亮，等.闭孔泡沫铝材料吸声性能分析[J].东北大学学报（自然科学版），2011，32（1）：114-117.

Noise Reduction Method forAir Duct Materials ofAutomobiles Based on 3D Finite ElementAnalysis

LIU Fang,WANG Zheng-lun,KANG Wei
(Shanghai Tairich Electronic Technology Company,Shanghai 201402,China)

The sound wave appears in air duct of automobiles mainly in the type of plane wave components.However,when the wavelength of the sound is larger than the dimension of the air-duct cross section,high-order wave components will appear.In this case,the computations using one-dimensional method or two-dimensional method will bring large errors.However,the three-dimension finite element analysis can yield precise results of computation.In this paper,the sound absorption coefficients of PE foam and three non-woven fabrics with different area densities are tested in an impedance tube using transfer function method.The testing results reveal that the PE foam has poor absorption performance,and for the nonwoven fabric,the larger the area density is,the better the absorption performance is.Then,using the tested impedance as the boundary condition,the radiation noise of the air duct is simulated by means of the 3D finite element analysis.The testing and simulation results show that the area density of the non-woven fabric sheets only has a small effect on the acoustic performance of the air dust.The non-woven fabric with 900 gsm area density only has 1 dB improvement for the absorption performance compared to that with 500 gsm area density.The non-woven fabric air duct has 3 dB noise absorption improvement compared to the PE foam air duct.

acoustics;air duct;three-dimension finite element analysis method;PE foam;thermo-compression molding of non-woven fabric;sound absorption performance

U467

A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.041

1006-1355(2017)04-0206-03+217

2016-08-08

刘昉（1981－），男，西安市人，主要研究方向为汽车声学包、NVH材料等。

E-mail:a-vic.lau@163.com