基于傳遞矩陣的內燃機電站排氣消聲器優化設計

吳曉紅，林曉軍

（蘭州工業高等專科學校 機械工程系，蘭州 730050）

0 引言

內燃機電站是一種廣泛應用于郵電、通訊、賓館、醫院、邊防、野外、施工等領域的發電設備。然而，由于其運轉中的噪聲頻帶寬、聲壓級高，嚴重污染周圍的環境，在某些場合限制了它的使用。作為降低噪聲源的一種有效途徑，消聲器特別是抗性消聲器得到了廣泛的應用[1]。但由于抗性消聲器工作狀態復雜，結構多樣，進行模擬計算較為困難，所以抗性消聲器的設計在很長一段時間內是靠經驗設計，即根據國內外較成功的產品結構和現有資料推薦的參數，制成若干個不同類型的消聲器，然后進行大量的對比試驗，選出較優的方案。這種方法由于缺乏嚴密的設計理論，聲學性能差，消聲量低，周期長、成本高，很難滿足現行的環境噪聲標準要求。為此我們將優化算法與傳遞矩陣法相結合，進行內燃機電站排氣消聲器計算機輔助優化設計。

1 排氣消聲器的設計

內燃機消聲器設計必須滿足三個要求：一是在各個頻帶上要有足夠的消聲量，二是要有良好的空氣動力性能，三是要保證消聲器的結構性能。上述三個要求中，消聲量是衡量消聲器性能優劣最為主要的指標。本文以30 kw內燃機電站為設計研究對象，為了確定消聲器消聲量，我們首先對該內燃機未加消聲器時的噪聲進行了測量，得到其排氣口測的排氣噪聲為100.98dB(A)，根據內燃機電站的設計要求，此次設計的消聲器消聲量應在25～30dB(A)。依據相關資料本次設計出的30GTS低噪聲電站廢氣排氣消聲器為兩級抗性消聲器，該消聲器具有4個直徑和長度相等的內插管均布在圓周上，內插管面積為S5且S0=4S5，如圖1所示。試驗測定該消聲器的消聲量為23.85 dB(A)，接近預期的設計要求。

圖1 消聲器結構示意圖意圖

2 計算機輔助優化設計

上述消聲器的消聲量與預期的目標消聲量25dB(A)僅相差1.15dB(A)，具有較好的消聲結果。但是，該消聲器是參考有關資料確定結構參數的，并非最優值。為確保內燃機電站整 體降噪效果，必須提高消聲器的消聲性能。為避免試制過多結構和參數的消聲器，我們采用傳遞矩陣法對設計的消聲器進行聲學性能的預評估和優化設計。

2.1 優選模型的建立

消聲器的優化設計要綜合考慮聲學性能（消聲量和頻譜特性）、空氣動力性能（壓力損失）和消聲結構性能等多方面因素。鑒于前述設計的消聲器的消聲量接近目標消聲量25dB(A)，而其功率損失和結構設計都符合要求，同時為了克服由于消聲器結構復雜多變，工況復雜而造成的優化算法實現上的困難，本次消聲器優化設計將不改變原消聲器的結構型式，僅僅優化結構參數。

2.1.1 目標函數

在消聲器結構型式確定后，其所限制的空氣動力性指標也相應地確定。因此，消聲器的消聲頻率特性是以消聲器結構參數為變量的函數。本文就以消聲器的消聲指標為目標函數。

在采用消聲指標作為目標函數時存在多點尋優的問題，本文中采用符合目前噪聲測量標準的A計權合成聲壓級，將多點尋優轉化成單點尋優，以經過消聲器后的內燃機排氣噪聲的A計權合成聲壓級最小為目標函數。當內燃機的排氣噪聲倍頻程聲壓級為Li，各個頻程上的A計權系數為Ai，合成后的A計權合成聲壓級為[2,3]：

通常采用插入損失IL來評價消聲器的消聲性能，為獲得消聲器的插入損失IL，可以用一段等長的直管代替消聲器，并設管道系統在消聲器裝置安裝前后的四端子參數分別為A′、B′、C′、D′和A、B、C、D，管道尾管的輻射聲阻為R，則利用消聲器傳遞矩陣法可得消聲器插入損失的表達式為：

由于上式參數大小與頻率有關，因此，它表示各給定頻率成分的消聲效果。通過的頻率不同，所得的插入損失也就不同，對于寬頻帶噪聲常使用倍頻程或1/3倍頻程劃分頻帶，故在計算各頻帶的消聲量時，需要對該頻段以頻帶的上下頻率為范圍進行積分，其數學表達式為：

如果消聲器在各個頻程上的插入損失計算值為ILi，則安裝消聲器后各頻程上的噪聲聲壓級為：

因而得到合成后的A計權合成聲壓級為：

則目標函數為：

2.1.2 設計變量

本次優化設計除了保證提高消聲器的消聲量，同時還要保證其功率損失不超過規定的要求。為此，在消聲器結構形式保持不變的前提下，把主管道的直徑和內插管的直徑取為原設計中的定值，將各擴張室長度、插入管長度和擴張室直徑作為可變結構參數，從而得到6個優化設計變量，各變量含義如圖2所示。

圖2 消聲器簡化模型

2.1.3 約束條件

考慮到隔聲罩內的消聲器安裝空間以及消聲器的小型化，上述各設計變量的上限均取為消聲器的原值；設計變量下限取值主要考慮內插管在消聲器結構上的限制，防止出現尺寸的干涉；同時考慮插入管擴張室消聲器通過頻率的消除，可以得到尺寸約束條件如下：

2.2 消聲器優化設計程序及結果分析

2.2.1 消聲器優化設計程序

消聲器優化設計程序是以上述計算模型為基礎，用VB語言編寫。優化計算子程序采取循環方式，設計變量在給定的取值范圍內循環計算，尋求目標函數的最小值，優化計算子程序的工作流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2 優化計算結果

經過優化設計計算得到的消聲器倍頻程插入損失曲線、消聲器消聲量計算結果和消聲器尺寸參數如圖4所示。從中可以看出，優化設計計算后的目標函數數值為73.147 dB(A)，消聲器的消聲量為27.743dB(A)，比原消聲器消聲量有一定提高。

圖4 優化設計計算結果顯示界面

3 消聲器優化結果試驗驗證

為了驗證傳遞矩陣計算的可靠性和確定消聲器的消聲量，將經過優化后的消聲器安裝在發動機臺架上，我們按GB/T4795-1995《內燃機排氣消聲器測量方法》，對消聲器的插入損失進行了測量，在試驗過程中使用的主要設備是聲級計和頻譜分析儀。試驗中將消聲器安裝在F6L912發動機臺架上，將柴油機調整并穩定在標定工況下。在試驗時，為減少反射聲的影響，測點選擇在與排氣管口成45°的方向上，高度為100cm。試驗得到倍頻程插入損失為26.39dB(A)，滿足預期的設計要求。根據實驗結果，做出消聲器優化前后參數對照表如表1所示。

表1 消聲器優化前后參數對比

由表1可以看出，消聲器經過優化設計后，第二級消聲器的尺寸減少0.02m。消聲器的插入損失達到了26.39dB(A)，消聲量比優化設計前增加了2.54dB(A)，消聲效果增加明顯，達到了優化目的。

4 結論

在本次設計和實驗中我們得到如下結論：

1）保持消聲器的空腔直徑不變，減小排氣管的直徑，擴張比增大，消聲量增大。但排氣管直徑過小會引起排氣背壓的增加，降低柴油機的輸出功率，所以排氣管尺寸的選取要適當。

2）除通過消聲器降低柴油機排氣噪聲外，還應注意發動機排氣口與消聲器的連接方式，最好采用彈性管和膨脹節連接，盡量避免排氣系統的脈沖噪聲也是減少發動機排氣噪聲的重要措施。

3）利用傳遞矩陣法進行消聲器消聲性能的分析、預測和優化設計，不失為抗性消聲器選型的一條簡便途徑。

[1] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2] 杜揚,鄭志剛,盧丹,任越光.抗性排氣消聲器插入損失的計算[J].拖拉機與農用運輸車,2002(3).

[3] 張世杰.排氣消聲器系統消聲量的傳遞矩陣預測[J].汽車研究與開發,1995,(2).