摘 要：以内燃叉车扩张式进气消声器为对象，通过发动机进气系统理论分析，确定了消声器的扩张腔容积、进气口安装位置等参数；利用三维有限元分析，对优化后的进气消声器进行了仿真研究。仿真和实验结果基本一致，表明该进气消声器改进了进气系统的消声量，在发动机运行工况下的消声效果有显著提高，重点频率段的消声量可达4-6dB。
关键词：内燃叉车；进气系统；扩张式消声器；三维有限元仿真；优化设计
0 引言
内燃叉车广泛用于工厂、建筑、石油化工等领域，是进行装卸、堆垛、拆垛和搬运的现代物流系统的重要装备之一，能大幅度减轻工人搬运劳动强度，提高作业效率，但是在作业过程中，进气和排气所产生的噪声严重影响着内燃叉车驾驶员及周围的工作人员身心健康，也严重影响了我国内燃叉车的出口份额。
从结构上分析，普通内燃叉车排气系统比进气系统更远离叉车驾驶人员，虽然排气系统噪声高于进气系统噪声，但是进气系统噪声比排气系统的噪声对叉车驾驶人员的影响更加强烈，因此，对内燃叉车进气系统噪声及其消声元件的研究具有重要的意义［1］。
内燃叉车进气系统主要由扩张式消声器、空气过滤器以及之间连接用的进气管路等部件组成，本文研究的内燃叉车进气系统除了前述结构之外同时还将车架上的立柱作为进气管路中的一个组成部分。内然叉车进气噪声与进气系统的结构及发动机的转速密切相关［2］。
目前，对于扩张式消声器，不少学者已经开展了扩张式消声器的研究。刘飞等［3］等对一维平面波理论在高频失效的原因进行了分析，对出口管的位置与数量以及两扩张室的扩张式消声器消声性能进行了研究；张晓龙［4］对扩张消声器进行了理论研究，对一维平面波理论分析、有限元仿真分析和实验测试三者进行了比较，证明了仿真研究对消声器的设计的有效性；袁翔等［5］利用SYSNOISE软件和CFD软件Fluent对简单扩张式消声器与穿孔管消声器的传递损失与阻力损失进行分析，证明了穿孔管的流体力学性能优于简单扩张腔；以上学者的研究存在一些不足的地方。很多学者只是对简单扩张式消声器进行了分析，而在实际工业应用中，为了不与其他零件发生干涉，消声器常常设计成异形结构，为此，对异形扩张腔进行优化设计就显得很有必要。
本文首先对进气消声器进行优化设计，然后利用软件ACTRAN对安装了优化后的进气消声器的进气系统进行仿真，并与原进气系统进行对比，得出了降噪提高的频率范围，并进行了实验验证。
1 扩张消声器的消声原理
扩张式消声器也称为膨胀式消声器，是利用管道横截面积的扩张与收缩引起的声波反射与干涉来进行消声的［6］。单节扩张室的消声量可以用以下式进行计算［7］：
式中，m表示扩张比，扩张腔的值为扩张腔截面积与管道截面积的比值；k表示波数；l表示扩张管的长度。
当
或
时，消声量达到极大值，即：
当
或
的情形，这时由式（1）可知消声量等于0，也就是说，当扩张式的长度等于声波的
整数倍时，声波将可以全部通过，与这一波长对应的频率为消声器的通过频率。
2 消声器声学评价指标
消声元件的消声效果一般有四种评价指标：传递损失（transmission loss，TL），插入损失（insertion loss，IL），声压级（sound pressure level，SPL）以及声压级差值（level difference，LD）。传递损失一般用于评价消声元件，取决于消声元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，与声源和出口处的声学特性无关；结构优化设计一般使用传递损失作为消声器声学评价指标［8］。
传递损失是指声波经过消声元件之后声音能量的衰减程度，为入射声功率级与透射声功率级的差值，传递损失为：
上式中，ωin，ωout为入射和透射声功率，pi，pt分别为入射和透射声压，Ain，Aout为入口端和出口端的横截面积。
3 建立模型
优化设计的方案来自于对进气系统原始数据分析，从进气系统进气噪声的测试分析，可以得出原消声器对进气系统在以250Hz、550Hz和760Hz为中心频率的三个频率段消声效果不是很理想，为此，以下的消声器优化设计主要针对以下几个频率段考虑优化设计。
原进气消声器的空气入口与车架上的立柱管道相通，空气出口与空气滤清器相连通，空气出口端开口向上，为了不与空气滤清器和车架发生干涉，进气消声器被设计呈阶梯型，在中间处设置有斜面，如图1所示；本文研究的消声器主要从以下两个方面进行改进优化。
图1 原进气消声器
1）增加原消声器的扩张腔容积。原消声器的容积为0.002421549m3，改进后的新消声器的容积为0.008301657m3，新消声器的容积近似相当于原消声器3.5倍，根据声学理论，新消声器消声能力相比原消声器大大增强。
2）改变进气口的安装位置。
进气消声器优化方案如图2所示。
图2 进气消声器优化方案
4 声学有限元仿真
为了不与其他部件之间发生干涉，优化后的消声器结构变得十分不规则，再加之本来进气系统结构的不规则性，使得传统的数值计算方法很难完成，而声学三维有限元计算的传递损失与实验结果十分接近［9］，如图3所示，为一简单扩张室式消声器一维平面波理论和三维有限元法计算的传递损失与实验结果的对比，为此本文采用三维有限元仿真进行优化方案分析，比较传递损失，确定最优进气消声器。在此，本文不考虑进气进气系统壁面对其内部声场的影响。
对进气系统进行四面体网格划分，如图4所示，网格尺寸设置为4mm，分析计算的频率上限为1000Hz，安装原消声器的进气系统与安装优化后的消声器的系统仿真分析结果如图5所示。
图3 简单扩张室式的传递损失
图4 优化方案进气系统四面体网格划分
图5 进气系统传递损失曲线仿真对比
从分析结果可得，新进气消声器在整个进气系统的传递损失TL在大部分频率段比原进气消声器都有所提高，特别是在我们所需要的200～400Hz、520～570Hz 和730～800Hz有明显的提高，使得声学有限元满足设计要求。
5 实验结果与分析
本文根据《声学消声器测量方法》（GB/T4760-1995）［10］，制定叉车噪声测量规范，分别在叉车发动机怠速和发动机最高转速工况下，测量该内燃叉车进气噪声。
本文研究利用LMS Test.lab测试分析系统进行声压级和1/3倍频程分析，分析结果如图6和图7所示。
图6 安装原进气消声器进气系统与安装优化进气消声器进气系统在运行工况下A计权声压级
图7 安装原进气消声器进气系统与安装优化进气消声器进气系统在运行工况下1/3倍频程图比较
通过测试结果对比可以看出，在运行工况下，250Hz、315Hz、630Hz和800Hz处噪声值有明显的降低，特别在250Hz和800Hz处有4～6.3dB的消声效果，从整体上看，优化后的消声器具有良好的效果。
6 结束语
本文主要针对内燃叉车消声器的扩张腔容积，进气口的安装位置进行优化，然后通过仿真和实验进行验证，结果表明，优化后的进气消声器比原进气消声器的消声量得到了提高，进一步证明了对于扩张腔消声器，不管形状如何，都可以通过增大扩张腔的容积和改变进气口的安装位置等方式对消声效果进行优化。
