消聲元件安裝位置對消聲效果的影響

高東東，呂勤，徐立強，鄭超

安徽江淮汽車集團股份有限公司, 安徽合肥 230601

0 引言

隨著市場發展，顧客對汽車的品質越來越關注，噪聲、振動與聲振粗糙度(noise vibration harshness,NVH)是決定汽車品質感最重要的指標[1-2]。在汽車的噪聲組成中，進氣噪聲是車輛的主要噪聲源，改善進氣噪聲的主要措施是在進氣系統中添加消聲元件，以有效衰減進氣口噪聲。消聲元件的消聲效果除與消聲元件的結構尺寸相關外，還與其在進氣系統上的布置位置有關，位置不合適可能達不到預期效果。因此研究消聲元件安裝位置對消聲效果的影響規律，對于消聲元件的設計和安裝具有非常重要的現實意義[3-4]。

根據管道聲學理論，共振消聲元件應安裝在系統聲模態的反節點處。如果把消聲元件安裝在節點處，將達不到消聲效果[5-6]。為了驗證上述理論規律的實際應用效果，本文中列舉了兩個最為常見的案例，四分之一波長管和赫姆霍茲諧振腔消聲元件，選擇消聲量和管口階次噪聲作為評價指標，通過試驗和仿真手段對比消聲元件安裝在系統節點和反節點位置的消聲能力差異。

1 四分之一波長管安裝位置對消聲量的影響

1.1 管道聲模態

聲波從管道入口端發射出來，傳播到尾端。管道尾端通常有開口和閉口兩種情況。對于進氣系統管口階次噪聲，尾端連接大氣，為開口端。因此，進氣系統可以認為是開口-開口的管道系統。選擇某一開口-開口的直管道為例，根據管道聲學理論，其管道中聲音共振頻率[7]

(1)

式中：n為階次；c為聲速，m/s；L為管道長度，m。

如果管子長度為800 mm，由式(1)可知第2階共振頻率為425 Hz，通過聲學分析軟件算得對應的聲模態振型如圖1所示，其中幅值為0處為模態節點位置，峰值點為反節點位置。

在該800 mm直管中加入消除425 Hz的消聲元件，將其布置在節點位置、反節點位置及其他位置，對比不同位置的消聲效果。消聲效果可以用入口處和出口處的聲壓級差即消聲量來評價，因為消聲量可以反映安裝位置對消聲效果的影響。

消聲量的測量和計算都非常簡單，定義式可表示為：

式中:NR為消聲量，dB；P1和P2分別為入口處和出口處的聲壓，Pa；Lp1和Lp2分別為入口處和出口處的聲壓級，dB。

1.2 消聲量試驗

共振頻率為425 Hz的消聲元件可以采用四分之一波長管布置在直管上。試驗用樣件選用直徑為18 mm、長度為194 mm的波長管和直徑為32 mm、長度為800 mm的主管道。

四分之一波長管分別布置在主管道的反節點和節點位置，如圖2所示(圖中長度單位為mm)。

坤二少爺聽罷，心中甚是惱怒。琵琶仙年輕貌美，多情重義，品藝雙馨，是何等冰清玉潔的人物，豈能讓一介土財主玷污！但是莊大善人住在沙河沿。那是一個偏遠所在，距油鋪有數十里山地，坤二少爺從未去過。百里香也未見過莊大善人，對莊府的情況一無所知。坤二少爺閉目沉思片刻，便如此這般交待一番。百里香雖不明個中道理，但也不好多問，只得遵令而行。

本文中借用測量傳遞損失的聲源設備作為輸入，測量直管上布置四分之一波長管后的消聲量，現場布置如圖3所示，利用傳遞損失測試設備產生白噪聲，入口和出口處布置麥克風，以測量聲壓級差即消聲量。

對測量的入口聲壓級和出口聲壓級進行差值計算得到消聲量，如圖4所示。由圖4可知共振頻率為425 Hz的消聲量大小順序為：反節點位置大于其他位置大于節點位置，節點位置消聲量最小，試驗結果與理論推測完全吻合。

1.3 消聲量仿真

按照試驗測量消聲量的思路，利用LMS Virtual. Lab軟件計算消聲量，計算方法為：首先導入有限元模型，模型的聲學入口處延長40 mm，以穩定聲速邊界，定義面板單位振速為1 m/s，模擬噪聲入口；聲學出口延長兩個單元尺寸，延長部分表面殼單元定義自動匹配聲輻射邊界層，模擬管口大氣邊界，計算模型如圖5所示。

對模型進行聲學響應計算，提取入口1點和出口2點處的聲壓級結果如圖6所示。

波長管布置在反節點處時，出口聲壓級在425 Hz處有一個明顯波谷，即有顯著消聲效果。將1點處的聲壓級減去2點處的聲壓級，得到消聲量的計算結果。反節點和節點位置的消聲量仿真與測試對比情況如圖7、8所示。

由圖7、8可知，仿真結果與測試結果吻合較好，均能反映出目標消聲頻段的消聲能力，仿真方法正確可行。

2 諧振腔安裝位置對管口階次噪聲的影響

某發動機進氣管口階次噪聲一維仿真結果如圖9所示。由圖9可知，進氣系統階次總噪聲在4000 r/min時出現峰值，而且發動機進氣管噪聲主要由4階次噪聲引起，對應頻率為267 Hz。

計算進氣系統聲模態如圖10所示(圖中單位為Pa)。由圖10可知，頻率為267 Hz與進氣系統聲模態中第3階聲模態固有頻率282 Hz最接近。

赫姆霍茲諧振腔是一種最典型的低頻消聲器，由一個消聲容器和一根短管組成，短管與主管道連接，如圖11所示。其利用管道交界面處聲阻抗的變化，使某些頻率的聲波被反射回聲源，從而減少了出射聲波而降低噪聲。267 Hz的噪聲可以通過增加赫姆霍茲諧振腔進行消減。

根據平面波理論，得到赫姆霍茲諧振腔的共振頻率計算公式[8]為：

(2)

式中：fr為共振頻率，Hz;Sc為連接管截面積， m2；lc為連接管長度，m；V為諧振腔容積,m3。

傳遞損失計算公式[9]為：

(3)

式中:Sm為主管截面積，m2。

按照式(2)(3)，并考慮連接管與主管道和諧振腔的端部修正[10-11]，計算得到共振頻率267 Hz的赫姆霍茲諧振腔尺寸為：體積為0.8 L，連接管直徑為30 mm，長度為10 mm。為了驗證諧振腔布置位置對消聲效果的影響，分別選擇第3階進氣系統聲模態的節點和反節點位置作為諧振腔的布置位置，如圖12所示。

將更新后的模型進行一維氣動噪聲計算，進氣管口4階噪聲如圖13所示。由圖13可知，消聲元件安裝在節點位置和反節點位置均有效果，但安裝在反節點位置效果更好，相比于節點位置進一步降低了24 dB，再一次證明反節點位置是消聲元件的最佳布置位置。

3 結論

從試驗和仿真角度論證了四分之一波長管安裝位置對消聲量的影響規律，并從仿真角度驗證了諧振腔安裝在進氣系統的節點和反節點位置的消聲效果差異。兩個案例的分析結果充分驗證了理論的正確性，即消聲元件最佳安裝位置是在對應頻率聲學系統模態的反節點處。