穿孔段長度對微穿孔管消聲器傳遞損失的影響分析

1、穿孔段長度對微穿孔管消聲器傳遞損失的影響分析Analysis of effects of perforation length on the transmission loss of micro-perforated muffler相龍洋， 左曙光，吳旭東，龍國， 張珺XIANG Long-yang , ZUO Shu-guang , WU Xu-dong, LONG Guo , ZHANGJun（同濟大學 新能源汽車工程中心 上海 201804）【摘要】本文首先通過試驗分析了燃料電池車用風機的噪聲特性。然后對微穿孔管消聲器傳遞損失的數值計算方法進行了試驗驗證。進而采用數值方法研究了微穿孔管消

2、聲器的穿孔段長度對其傳遞損失的影響規(guī)律。通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內，微穿孔管消聲器的傳遞損失共振頻率隨穿孔段長度呈線性變化。研究成果為用于風機降噪的微穿孔管消聲器設計提供指導意義。關鍵詞：風機噪聲 微穿孔管消聲器 傳遞損失 穿孔段長度 中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A1 前言燃料電池汽車的風機為其主要噪聲源之一1。風機噪聲特性較為復雜，且噪聲頻率較高，并隨工況而變化。又因為燃料電池汽車對清潔性要求較高，故消聲設備可采用微穿孔管消聲器。微穿孔吸聲結構是馬大猷教授于上世紀60年代提出并發(fā)展起來的新型共振吸聲結構，具有寬頻高吸聲系數的特點2。后來有學者提出將微穿孔板結構用于管道消聲，即微穿孔管

3、消聲器3。它由穿孔管和其外的空氣腔組成的腔體類似于多個亥姆霍茲共振器的并聯(lián)，具有良好的寬頻消聲效果4。并且無多孔材料，無污染。微穿孔管消聲器在特征頻率處有很好的消聲特性，但在其他頻率處消聲效果較差5。本文首先進行風機噪聲特性試驗，研究風機噪聲特性。然后通過試驗來驗證微穿孔管消聲器傳遞損失的數值計算方法，并采用數值方法分析微穿孔管消聲器的傳遞損失隨穿孔段長度的變化關系。2 風機噪聲測試 本文首先進行了漩渦風機噪聲測試的臺架試驗，對漩渦風機噪聲進行測試和分析。風機噪聲測試試驗參照測試標準進行。漩渦風機噪聲特性測試如圖1所示。下面分析漩渦風機噪聲的頻譜，圖2是風機加速過程中的噪聲瀑布圖。從圖中我們可

4、以看到，漩渦風機噪聲頻譜主要反映為55倍頻窄帶噪聲。由于葉片數為55，此頻率為葉片旋轉噪聲頻率。即為, （1）其中N為風機葉片數55。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當高轉速時，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000-4000Hz。圖1 風機噪聲測試臺架基金項目：重大科研儀器設備專項（2012YQ150256）,國家自然基金項目資助（51075302）通過測試和分析可知，風機噪聲呈現(xiàn)窄帶變頻的特性，并且可以通過在進口處安裝消聲器的方式來進行降噪。常用的阻性消聲器雖然可以降低高頻噪聲，但由于進氣口消聲器的阻性材料容易受氣流影響而脫落，不能滿足燃料電池車清潔性的要求?？剐韵暺饕话阌糜诮档椭械皖l噪聲，且消聲

5、頻帶窄。因此，可以在進口處采用微穿孔管消聲器用于風機降噪。本文需要需要分析微穿孔管消聲器的結構參數對消聲性能的影響，為用于風機降噪的微穿孔管消聲器設計提供指導。圖2 風機加速工況噪聲 3數值計算方法驗證本文的研究對象為微穿孔管消聲器，示意圖如圖3所示。主要結構參數包括內管直徑D0，空氣腔厚度D，消聲器總長L0，微穿孔管長度L，進出口內插管長度和，入口管長度以及微穿孔段管孔徑，板厚和穿孔率p。圖3 微穿孔管消聲器示意圖消聲器通常采用傳遞損失來表示其消聲性能。傳遞損失是指在無反射條件下，消聲器進口處的入射聲功率級與出口處的透射聲功率級之差。本文利用有限元軟件對微穿孔管消聲器傳聲損失進行了數值求解。

6、有限元仿真模型如圖4所示，包括內管流場體網格、擴張腔流場體網格以及入口、出口端面面網格和微穿孔管內外表面面網格。建模時不需對小孔直接劃分有限元網格，而是采用傳遞導納法來模擬微穿孔管部分，在微穿孔管內外表面之間定義傳遞導納關系為， （2）其中z為微穿孔板聲阻抗2。在計算消聲器的傳遞損失時，需要設定入口端面為平面波，出口端面為無反射端面，經過計算，入口端面與出口端面的聲功率級之差即為傳遞損失。圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖為驗證基于微穿孔板聲阻抗理論模型的消聲器傳聲損失有限元數值計算方法，本文采用阻抗管根據雙負載法進行了消聲器傳遞損失實驗。實驗布置如圖5所示。測量的消聲器結構參數如下：D0=

7、60mm、D=19mm、L0=220mm、d=0.8mm、t=0.5mm、p=3.14%、l1=l2=10mm。 圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測量實驗布置數值方法計算得到的傳遞損失與試驗測得的傳遞損失對比如圖6所示。該圖說明，微穿孔管消聲器傳聲損失數值計算結果與實驗數據吻合較好，在消聲器共振頻率處也基本重合，能準確反映實際消聲器的消聲性能。故可以利用該數值方法計算分析微穿孔管消聲器傳聲損失特性。圖6傳聲損失試驗值與仿真值對比4穿孔段長度對傳遞損失的影響分析通過研究發(fā)現(xiàn)，微穿孔管消聲器在共振頻率處的傳遞損失峰值最高，即在此頻率處具有最好的消聲效果。本文主要分析在風機噪聲頻段范圍內，穿孔段長度對微

8、穿孔管消聲器傳遞損失的影響規(guī)律，為進一步的降噪工作提供指導。本文計算了8個不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器的傳遞損失。不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器有限元模型如圖7所示。消聲器的穿孔段長度分別為Li=80+5*(i-1), i=1,2,3,8。所研究消聲器無內插管，即l1=l2=0。其他參數保持不變，分別為D0=50mm、D=15mm、l=220mm、d=0.5mm、t=0.5mm、p=2.5%、l1=l2=0mm，L0=140mm，a=20mm。圖7 不同穿孔管長度的微穿孔管消聲器有限元模型 計算不同穿孔段長度的微穿孔管消聲器的傳遞損失，如圖8所示。提取將每個穿孔段長度消聲器的傳遞損失峰值頻率

9、，如表2所示。由計算結果可知，隨著穿孔段長度的增加，傳遞損失峰值頻率向低頻移動。圖8 不同穿孔段長度的消聲器傳遞損失表1 不同穿孔段長度的消聲器共振頻率L(mm)80859095f(Hz)4540430040703860L(mm)100105110115f(Hz)3640339029502840將表1中各數據作為點的坐標畫出各點如圖9所示，發(fā)現(xiàn)各點基本位于一條直線附近，表明傳遞損失峰值頻率隨穿孔段長度線性變化。將各點進行擬合，得到一條曲線即擬合模型如圖所示。這就是穿孔段長度和傳遞損失峰值頻率的關系。模型公式為L=171.021-0.02f （4）圖9 穿孔段長度與共振頻率擬合模型為了檢驗該模型

10、是否準確，本文又計算了樣本外的點，將微穿孔管消聲器的穿孔段長度分別取為82.5mm，92.5mm, 112.5mm。計算得到的響應傳遞損失峰值頻率分別為4420Hz，3960Hz，2880Hz。將峰值頻率代入模型（4）計算可以得到根據該模型估計的穿孔段長度，對比如表2所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用模型4計算得到的穿孔段長度與實際值誤差在1%以內，可以認為該模型能較為準確的反應穿孔段長度和傳遞損失峰值頻率之間的關系，即微穿孔管消聲器的共振頻率與穿孔段長度呈線性關系。表2 穿孔段長度實際值與模型估計值對比L(mm)82.592.5112.5估計值(mm)82.691.8113.4誤差0.1%0.7%

11、0.8%5 結論本文根據風機噪聲特性研究微穿孔管消聲特性與穿孔段長度之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)，風機噪聲呈窄帶變頻的特性。在一定范圍內，微穿孔管消聲器的傳遞損失峰值頻率與穿孔段長度成正比。對于風機噪聲中需要重點關注的頻率成分，可以設計相應穿孔段長度的微穿孔管消聲器。本文研究為微穿孔管消聲器的優(yōu)化設計提供了指導意義。參考文獻1 Kang Q, Zuo S. Study on the Aerodynamic Noise of Internal Flow of Regenerative Flow Compressors for a Fuel Cell CarJ. Proceedings of the In

12、stitution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2013: 0954406213500746.2 馬大猷. 微穿孔板吸聲結構的理論和設計J. 中國科學, 1975, 1(1): 38-50.3 Wu M Q. Micro-perforated panels for duct silencingJ. Noise Control Engineering Journal, 1997, 45(2): 69-77.4 Wang X N, Choy Y S, Cheng L. Hybrid noise control in a duct using a light micro-perforated plateJ. The Journal of th