燃料電池車(chē)風(fēng)機(jī)用微穿孔管消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

左曙光，張 珺，吳旭東，張孟浩，相龍洋

ZUO Shu-guang,ZHANG Jun,WU Xu-dong,ZHANG Meng-hao,XIANG Long-yang

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804）

0 引言

燃料電池汽車(chē)由于其高效節(jié)能而又低污染的優(yōu)良特性成為了未來(lái)新能源汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。燃料電池汽車(chē)的主要噪聲源之一是為燃料電池提供空氣的空氣壓縮機(jī)。本文研究的燃料電池汽車(chē)采用的空氣壓縮機(jī)為漩渦風(fēng)機(jī)，其高頻噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)外噪聲貢獻(xiàn)很大[1,2]。消聲器是降低漩渦風(fēng)機(jī)噪聲的有效途徑，本文利用微穿孔管消聲器的清潔、消聲頻帶寬的特征，將其應(yīng)用在燃料電池車(chē)用風(fēng)機(jī)的降噪中。

1975年，馬大猷院士創(chuàng)立了微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲理論[3]。2003年，西北工業(yè)大學(xué)王占學(xué)[4]等人對(duì)MA60飛機(jī)APU排氣噪聲進(jìn)行了分析，采用了微穿孔管消聲器來(lái)降低APU的排氣噪聲，通過(guò)試驗(yàn)，表明采用微穿孔管消聲器降低MA60飛機(jī)APU排氣噪聲的效果非常理想。2010年，武漢理工大學(xué)侯獻(xiàn)軍[5]等針對(duì)抽氣泵的排氣噪聲，設(shè)計(jì)了一個(gè)微穿孔管消聲器，消聲量達(dá)到10dB～20dB。2011年，張德滿[6]提出了面向工程的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)某風(fēng)機(jī)噪聲,基于微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)最優(yōu)來(lái)進(jìn)行微穿孔管消聲器尺寸優(yōu)化。綜上，前人大都根據(jù)微穿孔板吸聲系數(shù)最優(yōu)來(lái)設(shè)計(jì)微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)，且消聲器結(jié)構(gòu)都是簡(jiǎn)單的微穿孔管消聲器，降噪效果有限，主要是窄帶降噪。本文針對(duì)帶隔板三腔微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)，直接基于其目標(biāo)頻帶內(nèi)平均傳遞損失最大進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在很寬的頻帶上具有良好的消聲效果。

本文通過(guò)漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性測(cè)試得到了漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證微穿孔消聲器傳聲損失的數(shù)值計(jì)算方法。然后針對(duì)漩渦風(fēng)機(jī)的噪聲特性，采用遺傳算法對(duì)三腔微穿孔管消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得目標(biāo)頻帶下良好的消聲效果。

1 漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測(cè)試

漩渦風(fēng)機(jī)是燃料電池汽車(chē)的主要噪聲源之一，本文首先進(jìn)行了漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試的臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)漩渦風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析。漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測(cè)試如圖1所示。風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB-2888-91通風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》進(jìn)行。

圖1 漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試臺(tái)架

利用漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試臺(tái)架，模擬風(fēng)機(jī)在實(shí)車(chē)上的安裝條件，實(shí)車(chē)上風(fēng)機(jī)出口管與燃料電池堆相連，入口管與大氣連通，噪聲主要通過(guò)入口管輻射到空氣中，所以本實(shí)驗(yàn)測(cè)量風(fēng)機(jī)入口管處的噪聲特性。

圖2是風(fēng)機(jī)加速過(guò)程中的噪聲瀑布圖。從圖中我們可以看到，漩渦風(fēng)機(jī)噪聲頻譜主要反映為55倍頻。由于葉片數(shù)為55，此頻率為葉片旋轉(zhuǎn)噪聲頻率。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲尤其突出，主要噪聲峰值頻率范圍為2000Hz～3500Hz。

圖2 漩渦風(fēng)機(jī)加速過(guò)程中噪聲瀑布圖

通過(guò)以上的漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性測(cè)試和分析可知，風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)窄帶倍頻的特性，并且可以通過(guò)在進(jìn)口處安裝消聲器的方式來(lái)進(jìn)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(jìn)氣口消聲器的阻性材料容易受氣流影響而脫落，不能滿足燃料電池堆清潔性的要求。抗性消聲器一般用于降低中低頻噪聲，且消聲頻帶窄。因此，本文在入口管處采用微穿孔管消聲器用于風(fēng)機(jī)降噪。

2 微穿孔管消聲器傳遞損失數(shù)值計(jì)算與測(cè)試

本文的研究對(duì)象為微穿孔管消聲器，各結(jié)構(gòu)參數(shù)表示如圖3所示（穿孔段長(zhǎng)度l、空氣腔厚度D、前后內(nèi)插管長(zhǎng)度l1和l2、內(nèi)管管徑D0分別對(duì)應(yīng)圖4標(biāo)示；穿孔孔徑d、穿孔層厚度t、穿孔率P未在圖3中標(biāo)示）。簡(jiǎn)單介紹其傳聲損失的數(shù)值計(jì)算方法。

圖3 微穿孔管消聲器示意圖

本文利用有限元軟件對(duì)微穿孔管消聲器傳聲損失進(jìn)行了仿真求解，模型如圖4所示。建模及仿真過(guò)程基于以下條件[7,8]：

1)忽略消聲器內(nèi)部流固耦合作用，只建立消聲器內(nèi)部空氣腔模型；

2)不考慮溫度、流速對(duì)聲傳播的影響；

3)不建立小孔模型，直接在微穿孔板內(nèi)外表面（如圖4所示結(jié)構(gòu)2、5）定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系來(lái)模擬微小穿孔，其中的導(dǎo)納與聲阻抗互為倒數(shù)關(guān)系。傳遞導(dǎo)納關(guān)系可以建立起微穿孔管兩側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與聲壓的線性關(guān)系，用傳遞導(dǎo)納矩陣[9]表示為：

其中，vi和vo分別是微穿孔管內(nèi)外表面質(zhì)點(diǎn)振速，pi和po分別是微穿孔管內(nèi)外表面聲壓，z是微穿孔管的相對(duì)聲阻抗率[10]。微穿孔管相對(duì)聲阻抗率為：

其中：

此處，p為微穿孔板穿孔率；c為空氣聲速；J為虛數(shù)單位；ω為聲波波動(dòng)圓頻率；ρ為流體介質(zhì)密度；t為短管長(zhǎng)度；d為短管直徑；μ為運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)；η為流體切變粘滯系數(shù)。微穿孔板聲阻抗根據(jù)前述理論模型編程求得。

圖4 微穿孔管消聲器有限元模型示意圖

為驗(yàn)證基于前述微穿孔管消聲器傳聲損失的有限元計(jì)算方法，應(yīng)用阻抗管進(jìn)行了傳聲損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示，左上角為測(cè)量所用的微穿孔管消聲器樣件（結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示）。

圖5 微穿孔管消聲器傳聲損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)

表1 微穿孔管消聲器樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)

給定聲激勵(lì)為白噪聲信號(hào)，所有測(cè)量均在相同條件下重復(fù)三次，測(cè)量結(jié)果取平均值。將微穿孔管消聲器傳聲損失測(cè)量結(jié)果與傳聲損失有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比（如圖6所示）。

圖6 微穿孔管消聲器傳聲損失實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

圖6表明，基于本文所建立聲阻抗理論模型的微穿孔管消聲器傳聲損失數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，在消聲器共振頻率處也基本重合，能準(zhǔn)確反映實(shí)際消聲器的消聲性能。故可以利用該數(shù)值方法計(jì)算微穿孔管消聲器的傳聲損失并進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)燃料電池車(chē)用漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)一款微穿孔管消聲器來(lái)進(jìn)行降噪。

1）優(yōu)化目標(biāo)

對(duì)消聲器本身而言，其消聲評(píng)價(jià)指標(biāo)可以從其傳遞損失曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)化目標(biāo)選取頻段平均消聲量指標(biāo)T。

以消聲器主要作用頻率作為統(tǒng)計(jì)區(qū)域，將參與評(píng)價(jià)的傳聲損失曲線數(shù)據(jù)按照公式（4）進(jìn)行計(jì)算，可以得到某個(gè)頻段平均消聲量，式中TL(ω)為頻率ω的傳遞損失，ω1和ω2分別為起止統(tǒng)計(jì)頻率。

燃料電池車(chē)上漩渦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1000r/min～3800r/min，通過(guò)對(duì)漩渦風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試可知，其主要噪聲是旋轉(zhuǎn)噪聲，而在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其高頻嘯叫更為嚴(yán)重。試驗(yàn)表明，中高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的葉片通過(guò)頻率即主要噪聲頻率大約為2000Hz～3500Hz的范圍，選擇2000Hz～3500Hz作為平均傳遞損失的起止頻率范圍。

2）優(yōu)化對(duì)象

研究發(fā)現(xiàn)，與單腔穿孔管消聲器相比，采用多腔可以大大地拓寬消聲頻帶范圍，提高傳遞損失幅值[11]。另外考慮到加工和工藝難度，本文選用三腔消聲器作為漩渦風(fēng)機(jī)進(jìn)口消聲器[12]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 待優(yōu)化三腔微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)

3）優(yōu)化參數(shù)

由于漩渦風(fēng)機(jī)進(jìn)口管直徑為50mm，取消聲器內(nèi)管直徑為50mm；為了使消聲器體積不能過(guò)大，膨脹腔內(nèi)徑為85mm，因此共有16個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)待優(yōu)化，對(duì)于每個(gè)腔，其它參數(shù)取值范圍如表4所示。

最后，設(shè)置約束條件，消聲器總長(zhǎng)小于0.2m，各腔的進(jìn)口端和出口端比例之和小于0.8。

4）優(yōu)化方法

本文利用遺傳算法來(lái)進(jìn)行微穿孔管消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 微穿孔管消聲器優(yōu)化參數(shù)及范圍

由于消聲器的設(shè)計(jì)降噪目標(biāo)在2000Hz～3500Hz，而消聲器膨脹腔的內(nèi)徑在85mm，那么利用理論方法計(jì)算消聲器傳遞損失的截止頻率為2300Hz左右，在2300Hz～3500Hz范圍內(nèi)，利用理論計(jì)算消聲器傳遞損失將不再準(zhǔn)確。因此，必須采用三維有限元法來(lái)計(jì)算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這樣才能準(zhǔn)測(cè)微穿孔管消聲器在高頻范圍上的傳遞損失。

由此，可得基于遺傳算法的微穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)整體流程如圖8所示。基于MATLAB編制遺傳算法程序，首先開(kāi)始產(chǎn)生初始種群，當(dāng)達(dá)到迭代次數(shù)，輸出結(jié)果，結(jié)束算法，否則計(jì)算微穿孔管消聲器的傳遞損失，這時(shí)調(diào)用ANSYS自動(dòng)建模和網(wǎng)格劃分程序，并將網(wǎng)格信息導(dǎo)入到Actran進(jìn)行傳遞損失計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果輸出到遺傳算法程序，進(jìn)行下一步選擇、交叉和變異，生成新的種群，并進(jìn)入下一循環(huán)，直至達(dá)到迭代次數(shù)，算法停止。

圖8 微穿孔管消聲器優(yōu)化算法流程

整個(gè)優(yōu)化過(guò)程需要MATLAB、ANSYS和Actran同時(shí)進(jìn)行聯(lián)合仿真。由于每次迭代都需要利用三維有限元法計(jì)算微穿孔管消聲器的傳遞損失，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，優(yōu)化周期在7天左右。

5）優(yōu)化方案

由于優(yōu)化目標(biāo)頻帶寬，從2000Hz～3500Hz，因此可以把優(yōu)化目標(biāo)在優(yōu)化頻帶上分解。由于待優(yōu)化消聲器是三腔微穿孔管消聲器，這樣可使每個(gè)腔針對(duì)一段頻率范圍的傳遞損失最優(yōu)。取第一腔針對(duì)頻率范圍是2500Hz～3000Hz，取第二腔針對(duì)頻率范圍是2500Hz～3000Hz，第三腔針對(duì)頻率范圍是3000Hz～3500Hz。這樣使得每段消聲器腔優(yōu)化頻率范圍減小，而整個(gè)消聲器的消聲頻帶保持不變。

6）優(yōu)化結(jié)果

利用上述介紹的優(yōu)化方法，對(duì)三腔微穿孔管消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。消聲器尺寸參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 三腔微穿孔管消聲器優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前三腔微穿孔管的初始傳遞損失和優(yōu)化后微穿孔管消聲器傳遞損失曲線如圖9所示。從圖上可以看出，在頻率范圍2000Hz～3500Hz內(nèi)，傳遞損失均大于30dB，相比優(yōu)化前的傳遞損失值有了很大的提高，達(dá)到了良好的降噪效果。

圖9 優(yōu)化后消聲器傳遞損失

4 結(jié)論

本文首先進(jìn)行了燃料電池車(chē)用風(fēng)機(jī)噪聲特性測(cè)試的臺(tái)架試驗(yàn)，得出風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)窄帶倍頻的特性，并且可以通過(guò)在進(jìn)口處安裝消聲器的方式來(lái)進(jìn)行降噪。基于傳遞導(dǎo)納法建立微穿孔管消聲器的數(shù)值模型可以準(zhǔn)確的計(jì)算其傳遞損失，進(jìn)而采用數(shù)值軟件聯(lián)合仿真方法，有效地對(duì)微穿孔管消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的微穿孔管消聲器可以滿足漩渦風(fēng)機(jī)中高頻的降噪目標(biāo)，在2000Hz～3500Hz內(nèi)的頻率范圍內(nèi)消聲量基本達(dá)到30dB以上。

[1]陳有松,左曙光,閻礁.燃料電池轎車(chē)的室內(nèi)噪聲分析與預(yù)測(cè)[J].汽車(chē)工程,2006,28(9):861-864.

[2]康強(qiáng),左曙光,張世煒.燃料電池轎車(chē)用漩渦風(fēng)機(jī)噪聲特性分析[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(12).

[3]馬大猷.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科學(xué),1975,1(1):38-50.

[4]王占學(xué),喬渭陽(yáng),李文蘭.微穿孔板消聲器在MA60飛機(jī)APU 排氣管的應(yīng)用[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2003,18(3):331-335.

[5]侯獻(xiàn)軍,田翠翠,劉志恩,等.雙層串聯(lián)微穿孔板消聲器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(8):1094-1096.

[6]張德滿,李舜酩.面向工程的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(6):130-133.

[7]劉曉鳴.基于有限元法的汽車(chē)消聲器降噪性能仿真研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[8]郝宗睿,周忠海,徐娟,等.微穿孔板消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].山東科學(xué),2012,6:013.

[9]Virtual.lab acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[10]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[J].北京:科學(xué)出版社,2004:210-220.

[11]董紅亮,鄧兆祥,來(lái)飛.考慮溫度影響的消聲器聲學(xué)性能分析及改進(jìn)[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2009,22(1):70-75.

[12]張孟浩.微穿孔管消聲器聲學(xué)特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].同濟(jì)大學(xué),2014.