燃料电池车用宽频带多腔体微穿孔消声器设计及试验研究

熊云，左曙光，董志亮，陈思越

（1.上海氢雄信息科技有限公司，上海 201805；2.同济大学，上海 201805）

0 引言

本文提出了一种考虑抑制阶次噪声的多腔体微穿孔消声器的新型设计方法。以罗茨压缩机为例，设计并制造了一个消声器，对消声器进行了完整的声学性能与流动性能试验研究[1]。首先确定空压机的主要噪声阶次，设计消声器来抑制这些阶次噪声。对结构参数进行预设计，接着通过有限元法进行验证及参数微调。最后将消声器安装于空压机试验台架，通过试验研究消声器装机的降噪效果与流动压力损失。

1 燃料电池车空气压缩机噪声试验

本研究以罗茨压缩机为例，该空压机的型号为UQM R410。应用于燃料电池公交车[2]。

试验测量了C1-C5五个位置的噪声，结果表明各工况下C1处的噪声总声压级是最高的，因此以该处噪声为后续的分析重点。

试验测试了3000-15000RPM范围内定转速下的噪声，转速间隔为1000RPM，因为这些是空压机的常用工况。各工况下，罗茨压缩机在C1处的最大总声压级为115 dBA。

最主要的两个噪声阶次为8阶和16阶，可以推断8阶次噪声来源于排气压力脉动，而16阶次噪声来源于进排气压力脉动。此外，4阶次和24阶次噪声也有一定的贡献量，因此以这四个阶次噪声为降噪目标。

预选70 dB为目标来确定所需要的降噪量，它可以表示为：

2 基于一维TMM的预设计

在下面部分中，介绍了一维传递矩阵法。基于一维传递矩阵法，确定了最佳腔数，并且预设计了多腔体微穿孔消声器的结构参数[3]。

2.1 确定最佳腔室数

计算不同腔数消声器的单位腔数峰值传递损失，可以发现，当腔数为1时，单位腔数峰值传递损失最高，单腔消声器的整体声学性能很差，无法满足降噪要求。除了单腔消声器外，当腔数为4时，单位腔数峰值传递损失最高，故确定消声器最优腔数为4个。

2.2 多室微穿孔消声器的预设计

确定消声器的腔数后，基于一维传递矩阵法研究各结构参数对于传递损失的影响，初步确定消声器结构参数。该消声器的传递损失可以满足降噪要求。

对于该消声器尺寸来说，一维传递矩阵法的截止频率为：

该频率的传递损失并不准确，需要通过有限元法计算验证。

3 基于有限元法的参数验证与调整

有限元法对各频率下的传递损失都可以准确预测。本文通过商业软件Actran对微穿孔消声器的传递损失进行有限元计算，计算前利用Hypermesh进行消声器的几何建模和网格划分，

对于穿孔板，传递导纳为：

根据Mechal公式，其中

最终确定消声器的四腔穿孔率分别为4.5%、5.2%、5.7%、5.3%。该消声器的传递损失显然可以满足降噪目标。

4 传输损耗测试

利用阻抗管基于双负载法测量该消声器的传递损失，两个负载分别为在阻抗管出口加端盖与不加端盖。为了避免外界噪声对不加端盖负载的影响，在半消声室中进行传递损失测量试验，将试验结果与有限元结果作对比，发现结果基本吻合，因此所设计的消声器可以满足降噪要求[4]。

5 安装消声器的降噪效果

为了研究微穿孔消声器实际降噪效果，将消声器安装于空压机排气出口，接着同样地按照GB-T 2888-2008标准布置噪声试验中的麦克风，安装消声器后，为了更加直接地反映消声器的降噪效果，如图1所示。可以发现，设计的多腔体微穿孔消声器具有优越的声学性能，可以满足工程要求。

图1 加权声压等级转速对比图

6 压降测量

为了研究微穿孔消声器对于燃料电池堆进气的影响，测量了消声器的压力降。两个压力传感器布置在消声器的两端。压力传感器的分辨率为1 kPa。

同样地对与消声器长度相同的橡胶直管也进行了测试。可以发现，罗茨压缩机排气出口增加微穿孔消声器几乎不影响燃料电池堆的进气，即不会导致燃料电池堆缺氧[5]。

7 结语

本文提出了多腔体微穿孔消声器的新型设计方法。为了验证该方法，为罗茨空压机设计并制造了多腔体微穿孔消声器，并且试验测试了该消声器。通过分析和讨论试验结果可以得到以下结论：

（1）阶次噪声对于空压机噪声来说占主导地位。考虑抑制阶次噪声来设计消声器可以得到良好的降噪效果。

（2）在常用工况下，安装该消声器后，罗茨压缩机的最大总声压级115 dBA降低至97dBA。在空压机转速为15000 RPM时，总声压级降低了22.2 dB。大部分工况下降噪量都超过10 dB。

（3）在常用工况下，该消声器与橡胶直管相比只增加不到1kPa的压力损失，几乎不影响燃料电池堆进气。