渦輪增壓發動機進氣消聲器設計與聲學性能數值分析

劉麗媛， 季振林

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

渦輪增壓器是一種高速旋轉的葉片機械，運轉時發出的噪聲不僅聲級大，而且頻率高，是增壓柴油機組的主要噪聲源。渦輪增壓器的噪聲分為渦輪噪聲和壓氣機噪聲。渦輪產生的氣動噪聲與發動機的排氣噪聲一起進入排氣系統，后處理裝置與排氣消聲器可以降低渦輪產生的氣動噪聲和發動機排氣噪聲向下游傳播。壓氣機產生的氣動噪聲通過進氣管和空氣濾清器向進氣口傳播并輻射，由于壓氣機氣動噪聲具有寬頻特性，空氣濾清器本身通常不能滿足降低進氣系統噪聲的要求，因此設計消聲效果良好的進氣消聲器是控制增壓型發動機進氣噪聲的一條有效措施。

由于消聲器內部聲場比較復雜，通常要求使用三維數值方法預測其聲學性能。有限元法就是一種有效的數值求解方法，已被廣泛應用于計算和分析各種類型的抗性、阻性和阻抗復合型消聲器的聲學性能。本文將針對渦輪增壓發動機進氣噪聲特性設計兩套進氣消聲器，采用有限元法對進氣消聲器的聲學特性進行了研究，將阻抗管系統應用于進氣消聲器傳遞損失的測量，并將測量結果與計算結果進行比較，判斷進氣消聲器有限元模型的合理性，并在計算分析的基礎上對其進行改進設計。

1 進氣消聲器結構

由于渦輪增壓器的噪聲源特性屬于高頻寬帶噪聲，為此本文設計了兩套阻性消聲器，具體結構及尺寸如圖1和圖2所示，消聲器中所填充的吸聲材料為硅酸鋁巖棉，穿孔管的孔徑為4 mm，壁厚為1 mm。

圖1 直通進氣消聲器結構Fig.1 Structure of a straight-through intake silencer

圖2 進氣濾清消聲器結構Fig.2 Structure of a filter intake silencer

第一套消聲器為直通進氣消聲器，進出口同軸，這種消聲器的阻力損失極低，通常可與空氣濾清器一起使用；第二套消聲器為進氣濾清消聲器，側壁進口，底面出口，即進氣與出氣方向垂直，這種結構的消聲器除了具有良好的消聲效果以外，還具有過濾功能。

2 聲學性能計算方法

2.1 三維有限元法

考慮到穿孔管阻性消聲器內存在空氣和吸聲材料兩種介質，劃分區域為Ωa和Ωb，將邊界分為進口、出口、剛性壁面和穿孔壁面，分別以Si、S0、Sw、Sp來表示，各個區域內部的三維聲傳播控制方程為Helmholtz方程［1］，即：

在區域Ωa內：

在區域Ωb內：

其中，pa和pb，ka和kb分別為空氣和吸聲材料中的聲壓和波數。

消聲器聲場計算中的邊界條件有：

① 消聲器壁面為剛性，法向速度為零，即：

② 消聲器進口設為質點振速邊界條件，這里設為un=1，則有：

③ 消聲器出口設為無反射端，即：

④ 空氣和吸聲材料交界面處由于穿孔管的存在，穿孔壁面兩側Sp1和Sp2處的法向質點振速un和壓力跳躍Δp通過穿孔的特性聲阻抗聯系，即：

其中：ξp為穿孔聲阻抗，pp1和pp2分別為穿孔壁面處空氣一側和吸聲材料一側的聲壓。

有限元方程為：

其中：

其中：{N}是形函數列向量。

求解方程式（7）即可得到各節點處的聲壓，進而計算消聲器的傳遞損失。

2.2 傳遞損失計算

傳遞損失定義為消聲器進口處的入射聲功率級與出口處的透射聲功率級的差值，可表示為：

其中，p1和v1分別為消聲器進口處的聲壓和質點振速，p2為消聲器出口處的聲壓。當消聲器進口處的質點振速v1給定時，使用有限元法可計算出進口和出口處的聲壓p1和p2，于是代入式（16）即可求出消聲器的傳遞損失。

3 吸聲材料聲學特性和穿孔聲阻抗

本文使用的吸聲材料為硅酸鋁巖棉，使用 B＆K 4206T阻抗管實驗測量系統測量其復阻抗和復波數。由于此套系統為固定件，聲源位置固定不能改變，因此采用兩載荷法測量吸聲材料的聲學特性［2］。在實驗之前要根據測量頻率范圍的不同選擇粗管（內徑為100 mm）和細管（內徑為29 mm），其中粗管寬間距的測量范圍為50 Hz－1.6 kHz，在100 Hz以下能給出更好的自譜和互譜結果，測量更準確；細管的測量范圍為500 Hz－6.4 kHz。考慮到不同管的測量范圍，為測得0 Hz－6 400 Hz內吸聲材料的聲學特性，需要采用粗管、細管相結合的方法，使用粗管測量低頻段，細管測量高頻段。

實驗測量材料的密度分別為66 g/L和89 g/L，實驗測試的樣品粗管中的厚度為70 mm，在細管的厚度為17 mm，為了減少因材料自身的差異對測量結果的影響，本實驗制作了三個樣品，最終結果取所測得的復阻抗和復波數的平均值。

圖3和圖4分別為密度為66 g/L和89 g/L的硅酸鋁巖棉的復阻抗和復波數的測量結果和擬合曲線，通過曲線擬合可以得到不同頻率下表征硅酸鋁聲學特性的經驗公式，如式（17）至式（20）所示。

對于密度為66 g/L的硅酸鋁巖棉，

對于密度為89 g/L的硅酸鋁巖棉，

貼附有吸聲材料的穿孔板由于一側是空氣，另一側是吸聲材料，穿孔聲阻抗通常可以表示成［3］：

其中，Rh為單孔聲阻抗率中的阻性部分，tw為穿孔板厚度，dh為孔徑，z0和分別為空氣和吸聲材料的復阻抗，k0和分別為空氣和吸聲材料中的波數，α0是一個只與穿孔率有關，與吸聲材料屬性無關的值，表達式如下：

其中，φ為穿孔率。

4 消聲器的傳遞損失

4.1 直通進氣消聲器

圖5為直通進氣消聲器的實驗測量結果與有限元計算結果的比較，穿孔率為16%，穿孔板的孔徑為4 mm，壁厚為1 mm，吸聲材料的填充密度為66 g/L。圖中表明，傳遞損失的測量結果與有限元計算結果吻合很好，在高頻段兩者有較小的偏差。

4.2 進氣濾清消聲器

圖6為進氣濾清消聲器的實驗測量結果與有限元計算結果比較，穿孔率為16%，穿孔板的孔徑為0.004 m，壁厚為0.001 m，吸聲材料的填充密度分別為0 g/L和89 g/L。可以看出，在整個頻率范圍內有限元計算結果與實驗測量結果吻合良好。圖中表明，在低頻域（500 Hz以下）有吸聲材料的消聲器比不帶吸聲材料的消聲器的消聲量稍高，隨著頻率的增加，抗性消聲器出現了多個共振峰，并且在1 100 Hz～1 400 Hz內消聲量有下降的趨勢，而當頻率高于1 400 Hz消聲量又有上升的趨勢。對于阻抗復合式消聲器，隨著頻率的增加，吸聲材料的消聲作用就體現出來，因吸聲材料的存在，消聲器不再有共振頻率，具有良好的寬頻消聲性能。

5 組合結構的消聲特性

直通進氣消聲器雖然具有良好的聲學性能，但是沒有過濾功能，在實際應用中通常需要與空氣濾清器一同使用，空氣濾清器本身也是一個進氣消聲器，所以兩者的組合可獲得更好的消聲效果。圖7為組合結構的示意圖，在進行聲學性能分析時，右側空氣濾清器中的濾紙的聲學特性參數源自文獻［4］。組合結構與單獨的直通進氣消聲器傳遞損失的比較如圖8所示，組合結構在消聲量上有明顯的提高，這也說明了空氣濾清器在消聲功能方面不應被忽略。

為改善進氣濾清消聲器的低頻特性，可以在進氣口處增加一個亥姆霍茲共振器。為了便于確定其尺寸，首先需要討論共振腔的共振頻率。亥姆霍茲共振器的共振頻率可由下式求得：

式中，V=π·Iv為共振腔容積；Sc=π為頸部管道截面積；lc為頸部管道長度，δv和δp分別為對共振腔體和主管道的端部修正，其表達式分別為［5，6］：

進氣濾清消聲器與亥姆霍茲共振器構成的組合結構及尺寸如圖9所示，將具體尺寸代入式（24）和式（25）可得δv=0.015 6 m，δp=0.013 m，進而計算出共振頻率為158.7 Hz。圖10為進氣濾清消聲器與組合結構的傳遞損失比較，可以看出，有限元法計算得到的共振頻率為152 Hz，與式（23）計算得到的結果基本一致，亥姆霍茲共振器改善了共振頻率處的消聲性能。

6 結論

本文根據渦輪增壓發動機進氣噪聲特性設計了兩套進氣消聲器，結合穿孔管阻性消聲器的有限元法計算公式，給出了吸聲材料聲學特性參數的實驗測量結果和貼附有吸聲材料時穿孔板聲阻抗的修正公式。使用有限元計算和實驗測量相結合的方法來驗證有限元模型的合理性，進而采用有限元計算來分析組合結構對進氣消聲器聲學特性的影響。結果表明，直通進氣消聲器與空氣濾清器的組合可以改善整個頻域上的消聲性能，而進氣濾清消聲器與亥姆霍茲共振腔的組合可以改善消聲器的低頻特性。

［1］徐貝貝，季振林.穿孔管消聲器聲學特性的有限元分析［J］.振動與沖擊，2009，28（9）：112－115.

［2］ Lee I， Selamet A， Huff N T. Acousticimpedanceof perforations in contact with fibrous material［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2006，119（5）：2785－2797.

［3］劉麗媛，季振林.貼附有吸聲材料的穿孔板聲學厚度修正系數［C］//中國內燃機學會2009年學術年會暨中小功率柴油機分會、基礎件分會聯合學術年會，廣西南寧，2009：325－328.

［4］朱廉潔，季振林.汽車發動機空氣濾清器消聲特性研究［J］.汽車工程，2008，30（3）：260－263.

［5］Selamet A，Ji Z L.Circular asymmetric Helmholtz resonators［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2000，107（5）：2360－2369.

［6］ Ji Z L.Acoustic length correction of closed cylindrical sidebranched tube［J］.Journal of Sound and Vibration，2005，283：1180－1186.