一款諧振腔的噪聲性能優(yōu)化

馬靜靜，徐 磊

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著乘用車(chē)舒適性的不斷提升，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲性能成為一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，而諧振腔是應(yīng)用最廣泛的一種消聲結(jié)構(gòu)，具有定頻消音、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、消音穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。簡(jiǎn)單的諧振腔見(jiàn)圖1，在實(shí)際應(yīng)用中，諧振腔輪廓因邊界限制呈不規(guī)則狀，連接管也存在延伸到腔體內(nèi)部的情況。本文主要論述諧振腔原始狀態(tài)的消聲效果、諧振腔優(yōu)化過(guò)程及優(yōu)化后的消聲效果。

圖1 諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

1 背景介紹

本文以某乘用車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)諧振腔為例，諧振腔原始方案結(jié)構(gòu)組成為腔體、主管路、連接管[2]，從圖2看出本例諧振腔為腔體包裹主管路、連接管延伸到腔體中。圖3為進(jìn)氣系統(tǒng)搭載發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型計(jì)算的進(jìn)氣系統(tǒng)取氣口噪聲頻譜圖，噪聲惡劣區(qū)域集中在450 Hz～650 Hz。主機(jī)要求優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)，提升530 Hz附近頻率段的聲學(xué)性能。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)諧振腔原始方案

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)取氣口噪聲頻譜圖

由于取氣口噪聲仿真計(jì)算占用資源較多，且設(shè)計(jì)階段需要驗(yàn)證方案數(shù)量較多，一般先對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行傳遞損失仿真計(jì)算，再對(duì)合格方案進(jìn)行取氣口噪聲計(jì)算，若某頻率段的傳遞損失幅值較大，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣口噪聲性能就比較好。本文應(yīng)用仿真方法對(duì)原始方案數(shù)模進(jìn)行傳遞損失分析計(jì)算，仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 諧振腔仿真模型

諧振腔聲學(xué)出口設(shè)置為AML無(wú)反射邊界，聲學(xué)進(jìn)口設(shè)置為管道模態(tài)激勵(lì)，計(jì)算頻帶為20 Hz～1000 Hz[3]。圖5為諧振腔原始方案的傳遞損失計(jì)算結(jié)果，從曲線看，原始方案的傳遞損失峰值頻率為60 Hz、900 Hz，對(duì)530 Hz附近頻率沒(méi)有優(yōu)化效果。本文的優(yōu)化目標(biāo)是提高530 Hz的消聲量，同時(shí)頻帶盡可能覆蓋400 Hz～600 Hz，覆蓋頻帶的消聲量滿足大于20 dB，從而滿足主機(jī)提高530 Hz附近頻率聲學(xué)性能的要求。

圖5 原始方案的傳遞損失

2 優(yōu)化過(guò)程

2.1 連接管優(yōu)化

根據(jù)諧振腔的消聲頻率計(jì)算公式可知，增加連接管長(zhǎng)度L，可降低諧振腔的峰值頻率f。4通過(guò)增加合適長(zhǎng)度，將原始方案900 Hz波峰移動(dòng)到500 Hz附近[4]。

如圖6為連接管加長(zhǎng)100 mm后的方案，加長(zhǎng)后方案的傳遞損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，傳遞損失計(jì)算方法同原始方案。

圖6 連接管加長(zhǎng)方案

從圖7可以看出，加長(zhǎng)連接管后，諧振腔在570 Hz有消聲貢獻(xiàn)，但峰值覆蓋頻帶較窄，只對(duì)570 Hz有消聲效果，對(duì)570 Hz以外的頻率沒(méi)有消聲效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 加長(zhǎng)連接管方案的傳遞損失

2.2 隔板分腔優(yōu)化

從2.1方案可知，僅優(yōu)化連接管無(wú)法滿足要求，還需要解決諧振腔峰值頻帶較窄的問(wèn)題[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，增多頻率段的波峰數(shù)，可以加大峰值覆蓋區(qū)域，從而加寬消聲頻率帶寬，如果在400 Hz、500 Hz都有峰值，則400 Hz～500 Hz之間的消聲量也會(huì)提高。波峰數(shù)與腔體數(shù)量有關(guān)，基本呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要采取隔板分腔的方式，將諧振腔分割為多個(gè)腔體，以得到加寬消聲頻帶的效果。

2.2.1 單隔板方案

圖8為增加一個(gè)隔板的方案圖，在主管路靠近連接管的直管段位置添加一個(gè)隔板，將諧振腔分割為兩個(gè)獨(dú)立的諧振腔，同時(shí)在右側(cè)諧振腔的直管段添加消音孔，消音孔直徑取5 mm，消音孔數(shù)量24個(gè)，后續(xù)可以根據(jù)峰值頻率調(diào)整孔數(shù)。對(duì)該方案進(jìn)行傳遞損失仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖9所示。

圖8 單隔板方案的諧振腔方案

圖9 單隔板方案的傳遞損失

從圖9可以看出，添加一個(gè)隔板后諧振腔的消聲峰值為450 Hz，圖中400 Hz～530 Hz的消聲量基本大于10 dB，消聲帶寬有所加寬，需要繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 雙隔板方案

圖10為增加兩個(gè)隔板腔的方案，在2.2.1方案基礎(chǔ)上在諧振腔中間位置再添加一個(gè)隔板，將諧振腔分割為3個(gè)腔體，腔體2主管路上添加消音孔48個(gè)，直徑5 mm，為保證消聲效果及方便調(diào)整消音孔，消音孔盡量位于直管段位置。該方案的傳遞損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖10 雙隔板的諧振腔方案

圖11 雙隔板方案的傳遞損失

從圖11可以看出，添加2個(gè)隔板后，波峰覆蓋區(qū)域明顯增大，在430 Hz～580 Hz范圍內(nèi)消聲量大于20 dB，基本滿足提升530 Hz附近聲學(xué)性能的要求。

2.3 消音孔數(shù)量?jī)?yōu)化

從2.2.2優(yōu)化方案可知，添加兩個(gè)隔板基本可以滿足要求。在保持隔板方案的基礎(chǔ)上，調(diào)整消音孔的數(shù)量，可以使峰值頻率移動(dòng)，從而得到相對(duì)更優(yōu)的消聲效果。

根據(jù)三種方案計(jì)算的傳遞損失曲線對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖12。對(duì)比傳遞損失曲線，可以看出：方案1中兩個(gè)波峰距離較近，消聲量大于20 dB的頻率帶為430 Hz～580 Hz；方案2通過(guò)減少腔體1和增多腔體2的孔數(shù)，將兩個(gè)波峰間距增大，但在420 Hz～560 Hz頻率段的消聲量降低；方案3通過(guò)對(duì)方案2進(jìn)行修正，腔體1孔數(shù)增加4個(gè)，腔體2 孔數(shù)減小8個(gè)，結(jié)果顯示兩個(gè)波峰間距縮短，消聲量大于20 dB的頻率帶為420 dB～620 dB，波峰覆蓋區(qū)域最廣。可知，方案3在三組方案中的消聲效果最好。

圖12 孔數(shù)調(diào)整方案的傳遞損失

3 結(jié)果對(duì)比

根據(jù)最優(yōu)的諧振腔方案，對(duì)方案進(jìn)行取氣口噪聲仿真分析，與原始諧振腔的取氣口噪聲仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，兩組方案的取氣口噪聲頻譜對(duì)比見(jiàn)圖13：在420 Hz～620 Hz范圍內(nèi)，優(yōu)化方案的頻譜顏色明顯變淺，噪聲值平均降低20 dB，取氣口噪聲得到顯著優(yōu)化。

圖13 諧振腔取氣口噪聲頻譜對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原始諧振腔添加隔板分腔和添加消音孔處理，諧振腔的傳遞損失貢獻(xiàn)量明顯提高，進(jìn)氣系統(tǒng)取氣口噪聲也得到顯著優(yōu)化。腔數(shù)多可以加寬有效寬帶，孔數(shù)多可以提高峰值頻率，從而得到消聲量較高的寬頻聲學(xué)結(jié)構(gòu)。諧振腔分腔及打孔可以作為優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的有效方法。