增压器蜗壳结构的隔声性能改进设计

祝胜慧

【摘 要】首先以薄板为对象，利用吸声材料吸声和薄板结构隔声的原理设计5组数值仿真方案，探讨薄板厚度、吸声材料及其厚度对隔声量的影响规律。再将同类实验方案的蜗壳与薄板隔声特性曲线进行比较，验证了以薄板模型研究蜗壳包覆层隔声的可行性。在此基础上，将蜗壳模型仿真结果与实验数据进行对比，验证统计能量模型的可行性。

【关键词】增压器；隔声；吸声材料；统计能量法

一、背景

增压器标况下每分钟转度高达16万转，废气在涡轮中膨胀做功会产生大量噪声，目前大多数学者都在研究涡流噪声和叶片旋转噪声的噪声控制技术，对于蜗壳的隔声几乎未涉及。蒋国鑫[1]测得的蜗壳噪声为115.0dB，已达人耳痛阈声级，严重危害健康。

二、统计能量法的原理

统计能量法是一种从统计的角度对密集模态进行研究的分析方法，考虑的是输入能量与总能量间的关系[2]，其应用对象为子系统，只反映空间和频域上的各子系统的平均值，且只适用于解决频态数大于5的高频区域问题。模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、激励和响应是统计能量分析的几个重要参数。

三、薄板结构隔声方案设计及性能研究

以薄板结构为研究对象，讨论各参数对隔声特性曲线的影响规律，得出最优隔声量对应的各参数取值，并比较该参数下薄板的仿真曲线与实验曲线。

对某蜗壳制造公司进行调研后发现，现有的船用柴油机增压器蜗壳结构均采用了隔热设计，一般参数取值：100mm岩棉+1mm钢板。以该参数为参考值，选用矿渣棉（与岩棉物理化学属性类似）、玻璃棉、毛毡三种常用的工程吸声材料，设计数值仿真方案如表1所示。

表1 数值仿真方案

基于VA one建立平板结构模型[2]，左侧与声腔耦合的平板设置为球墨铸铁板[3]，中间平板采用不锈钢板，在不锈钢板外侧附上吸声材料，设置吸声材料的材料物理属性[4]，分析频率范围取63-64kHz，各方案的仿真结果如下：

从图1～图3可以得出：

1）各方案的隔声特性曲线总体趋势基本相同：63-500Hz的低频区内，隔声量波动较大；500-2500Hz的中频区，隔声量随频率增加而增大；2500-64kHz的高频区，隔声量减小后增大；

2）基本吻合频率增大一倍频程，隔声量提高6dB的规律；

3）毛毡隔声效果最差，玻璃棉和矿渣棉趋势基本一致；

4）矿渣棉厚度越大，隔声效果越好，增量越小；毛毡厚度从100mm增大到150mm，隔声量基本不变；中频段，玻璃棉隔声量增量呈“小-大-小”的波峰趋势；

综合上述数据可以得出平板结构模型1.2mm不锈钢板+150mm矿渣棉的隔声效果最好。在现有蜗壳隔热尺寸前提下，选择1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉的包覆层组合，隔声量最高可达15dB，较现有的隔热设计隔声量提高了5dB。

对薄板结构隔声量仿真值和实验值对比分析。在半消音室运用东方所振动噪声测试系统测量包覆层隔声量。将喇叭声源放置在半混响室圆筒内部，圆筒端口包覆吸声材料，外侧附加不锈钢板。隔声包覆层的实际隔声量为内部声压级与增压器蜗壳壁隔声量之差，隔声量取平均值。由于实验条件限制，实验时频率范围为63-12.5kHz。薄板结构下1mm不锈钢板+50mm矿渣棉隔声量仿真值与实验值如图4所示。

总体上看，仿真结果与实验结果吻合良好，但是平板结构仿真值较实测值约大1dB，低频段预测精度低。

四、蜗壳结构隔声性能研究

将蜗壳及包覆层简化为双层结构：内层为蜗壳结构，外层为包覆层的薄板，薄板上附加吸声材料；建有两个声腔，内声腔和环声腔；在蜗壳外围创建四个半无限流体场，该结构形成内声腔、内层结构（采用球墨铸铁材料）、环声腔、外层结构（采用不锈钢材料）及外部半无限流场五个模块，对应五个SEA子系统。确定该模型材料结构参数、吸声材料特性参数、平板内损耗因子、声腔内损耗因子、激励声压级，按照平板模型的设计方案分析计算隔声量。

各隔声特性曲线形成图5，比较相同不锈钢板下不同厚度的矿渣棉、毛毡、玻璃棉对隔声量的影响可以得出，1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉的包覆层组合隔声效果最好，最高可达19dB。

将蜗壳结构和薄板结构进行对比分析，可以看出：

1、蜗壳模型500Hz处为一隔声低谷，为“板-空气-板”的共振形成。

2、蜗壳模型的隔声量较薄板模型低2-4dB，考虑到内损耗因子的计算值与实际值有差异；蜗壳简化为多块耦合的平板等造成；

对蜗壳结构隔声量仿真值和实验值对比分析。实验以某型增压器蜗壳作为研究对象，蜗壳壁厚约为12mm，并将喇叭放置在蜗壳内部模拟噪声源。实验数据与薄板结构下隔声量的仿真值和实验值趋势类似：在中高频区域，兩者曲线趋势基本一致，但是仿真值普遍偏大。

五、结论

本文分别以薄板和蜗壳为研究对象，改变薄板厚度、吸声材料种类、吸声材料厚度，采用统计能量法对包覆层的隔声性能进行分析预测，对比分析了两大结构隔声特性曲线，并与实验结果比较验证了统计能量模型的正确性，结论如下：

（1）薄板结构和蜗壳结构的隔声量仿真结果与实验结果误差约2dB，满足工程精度要求，运用统计能量法划分子系统并预测蜗壳隔声量的方法是可行的。

（2）对比薄板结构和蜗壳结构的包覆层隔声量，薄板结构预测误差3dB左右，证明了利用薄板研究蜗壳隔声的可行性，节约复杂结构的建模时间。

（3）改变吸声材料及其厚度，得出1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉组合隔声性能最优，隔声量提高19dB。

【参考文献】

[1]蒋国鑫.涡轮增压器的噪声控制[J].噪声与振动控制，1986（4）：43-47.

[2]彭子龙，温华兵等.基于统计能量法的单双层玻璃窗隔声量分析[J].噪声与振动控制，2014（4）.

[3]卢兆刚.基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D]. 浙江大学，2011.

[4]周锦银.涡轮增压器壳体材料的现状和发展[J].江苏冶金，2006，34（5）：1-3.

[5]机械设计手册[M].机械工业出版社，2009.