消声元件安装位置对消声效果的影响

高东东，吕勤，徐立强，郑超

安徽江淮汽车集团股份有限公司, 安徽合肥 230601

0 引言

随着市场发展，顾客对汽车的品质越来越关注，噪声、振动与声振粗糙度(noise vibration harshness,NVH)是决定汽车品质感最重要的指标[1-2]。在汽车的噪声组成中，进气噪声是车辆的主要噪声源，改善进气噪声的主要措施是在进气系统中添加消声元件，以有效衰减进气口噪声。消声元件的消声效果除与消声元件的结构尺寸相关外，还与其在进气系统上的布置位置有关，位置不合适可能达不到预期效果。因此研究消声元件安装位置对消声效果的影响规律，对于消声元件的设计和安装具有非常重要的现实意义[3-4]。

根据管道声学理论，共振消声元件应安装在系统声模态的反节点处。如果把消声元件安装在节点处，将达不到消声效果[5-6]。为了验证上述理论规律的实际应用效果，本文中列举了两个最为常见的案例，四分之一波长管和赫姆霍兹谐振腔消声元件，选择消声量和管口阶次噪声作为评价指标，通过试验和仿真手段对比消声元件安装在系统节点和反节点位置的消声能力差异。

1 四分之一波长管安装位置对消声量的影响

1.1 管道声模态

声波从管道入口端发射出来，传播到尾端。管道尾端通常有开口和闭口两种情况。对于进气系统管口阶次噪声，尾端连接大气，为开口端。因此，进气系统可以认为是开口-开口的管道系统。选择某一开口-开口的直管道为例，根据管道声学理论，其管道中声音共振频率[7]

(1)

式中：n为阶次；c为声速，m/s；L为管道长度，m。

如果管子长度为800 mm，由式(1)可知第2阶共振频率为425 Hz，通过声学分析软件算得对应的声模态振型如图1所示，其中幅值为0处为模态节点位置，峰值点为反节点位置。

在该800 mm直管中加入消除425 Hz的消声元件，将其布置在节点位置、反节点位置及其他位置，对比不同位置的消声效果。消声效果可以用入口处和出口处的声压级差即消声量来评价，因为消声量可以反映安装位置对消声效果的影响。

消声量的测量和计算都非常简单，定义式可表示为：

式中:NR为消声量，dB；P1和P2分别为入口处和出口处的声压，Pa；Lp1和Lp2分别为入口处和出口处的声压级，dB。

1.2 消声量试验

共振频率为425 Hz的消声元件可以采用四分之一波长管布置在直管上。试验用样件选用直径为18 mm、长度为194 mm的波长管和直径为32 mm、长度为800 mm的主管道。

四分之一波长管分别布置在主管道的反节点和节点位置，如图2所示(图中长度单位为mm)。

坤二少爷听罢，心中甚是恼怒。琵琶仙年轻貌美，多情重义，品艺双馨，是何等冰清玉洁的人物，岂能让一介土财主玷污！但是庄大善人住在沙河沿。那是一个偏远所在，距油铺有数十里山地，坤二少爷从未去过。百里香也未见过庄大善人，对庄府的情况一无所知。坤二少爷闭目沉思片刻，便如此这般交待一番。百里香虽不明个中道理，但也不好多问，只得遵令而行。

本文中借用测量传递损失的声源设备作为输入，测量直管上布置四分之一波长管后的消声量，现场布置如图3所示，利用传递损失测试设备产生白噪声，入口和出口处布置麦克风，以测量声压级差即消声量。

对测量的入口声压级和出口声压级进行差值计算得到消声量，如图4所示。由图4可知共振频率为425 Hz的消声量大小顺序为：反节点位置大于其他位置大于节点位置，节点位置消声量最小，试验结果与理论推测完全吻合。

1.3 消声量仿真

按照试验测量消声量的思路，利用LMS Virtual. Lab软件计算消声量，计算方法为：首先导入有限元模型，模型的声学入口处延长40 mm，以稳定声速边界，定义面板单位振速为1 m/s，模拟噪声入口；声学出口延长两个单元尺寸，延长部分表面壳单元定义自动匹配声辐射边界层，模拟管口大气边界，计算模型如图5所示。

对模型进行声学响应计算，提取入口1点和出口2点处的声压级结果如图6所示。

波长管布置在反节点处时，出口声压级在425 Hz处有一个明显波谷，即有显著消声效果。将1点处的声压级减去2点处的声压级，得到消声量的计算结果。反节点和节点位置的消声量仿真与测试对比情况如图7、8所示。

由图7、8可知，仿真结果与测试结果吻合较好，均能反映出目标消声频段的消声能力，仿真方法正确可行。

2 谐振腔安装位置对管口阶次噪声的影响

某发动机进气管口阶次噪声一维仿真结果如图9所示。由图9可知，进气系统阶次总噪声在4000 r/min时出现峰值，而且发动机进气管噪声主要由4阶次噪声引起，对应频率为267 Hz。

计算进气系统声模态如图10所示(图中单位为Pa)。由图10可知，频率为267 Hz与进气系统声模态中第3阶声模态固有频率282 Hz最接近。

赫姆霍兹谐振腔是一种最典型的低频消声器，由一个消声容器和一根短管组成，短管与主管道连接，如图11所示。其利用管道交界面处声阻抗的变化，使某些频率的声波被反射回声源，从而减少了出射声波而降低噪声。267 Hz的噪声可以通过增加赫姆霍兹谐振腔进行消减。

根据平面波理论，得到赫姆霍兹谐振腔的共振频率计算公式[8]为：

(2)

式中：fr为共振频率，Hz;Sc为连接管截面积， m2；lc为连接管长度，m；V为谐振腔容积,m3。

传递损失计算公式[9]为：

(3)

式中:Sm为主管截面积，m2。

按照式(2)(3)，并考虑连接管与主管道和谐振腔的端部修正[10-11]，计算得到共振频率267 Hz的赫姆霍兹谐振腔尺寸为：体积为0.8 L，连接管直径为30 mm，长度为10 mm。为了验证谐振腔布置位置对消声效果的影响，分别选择第3阶进气系统声模态的节点和反节点位置作为谐振腔的布置位置，如图12所示。

将更新后的模型进行一维气动噪声计算，进气管口4阶噪声如图13所示。由图13可知，消声元件安装在节点位置和反节点位置均有效果，但安装在反节点位置效果更好，相比于节点位置进一步降低了24 dB，再一次证明反节点位置是消声元件的最佳布置位置。

3 结论

从试验和仿真角度论证了四分之一波长管安装位置对消声量的影响规律，并从仿真角度验证了谐振腔安装在进气系统的节点和反节点位置的消声效果差异。两个案例的分析结果充分验证了理论的正确性，即消声元件最佳安装位置是在对应频率声学系统模态的反节点处。