摘 要：在整车轮毂上面测量了涡轮增压发动机的进气口噪声。为了降低该噪声，设计了插入式消声器并计算了其消声效果，并在整车轮毂上面验证了该消声器的效果。在包含背景气流的声传递损失台架上面测量并且重现了在发动机上所表现出来的气动噪声。采用大涡模拟的方法计算了具有试验结果的后深腔结构的气动噪声，也模拟了该插入式消声器在高速气流下所产生的噪声，并优化了设计以降低气动噪声源的强度。
关键词：声学；消声器；大涡模拟；气流噪声
近年来汽车的舒适性越来越多的受到各个整车厂的关注。大量的工程试验结果证明，进气口和排气口的噪声占据了整个汽车通过噪声的40～60%[1，2]。对于进气系统而言，有效的降噪途径就是在空滤上面设计各种各样的谐振腔。对于自然吸气的发动机，可以通过赫姆霍兹谐振腔，1/4波长管等来消除其噪声，而对于增压的发动机噪声，由于其频率高、频带宽的特点。因此，需要采用插入式消声器来降低噪声。此处将采用插入式消声器来降低某增压发动机的进气口噪声。计完成以后，需要对其消声能力进行仿真分析，如果计算结果能够达到预期目的，那么就可以开始制作样件在整车上做试验来验证。图1是插入式消声器的设计，图2是该插入式消声器的体积、插入管的示意图。由于涡轮增压器的噪声频谱相当的宽，一般是在700～5 000 Hz，因此此处计算了该谐振腔的10 Hz到5 000 Hz之间的消声能力，评估方法采用工程上常用的减声量方法[3]。
1 消声器消声能力的评估
1.1 建模时的处理
由于制作样件成本高、周期长，因此，当空滤设
图1 插入式消声器的设计
图2 插入式消声器的内表面模型示意图
1.2 有限元计算结果以及验证
计算在频域内进行，在气流的入口处施加压力边界，频率为10～5 000 Hz，出口定义了无反射的阻抗边界条件。下图3就是计算的结果。可以看出，在一个比较宽的频率范围内，该消声器都具有消声能力。
图3 插入式消声器的消声能力
为了验证该消声器是否能有效的消除该发动机增压器的噪声，将含有该消声器的空滤安装在整车后，把整车放置在轮毂上面，测量了进气口的噪声如图4所示。同时也测量了没有该消声器的噪声频谱，如图5所示。对比图4和图5可以的看出，1 000 Hz左右的噪声被该插入式消声器有效的消减了。
图4 包含插入式消声器的空滤进气口噪声
但是，引入了该消声器以后，在发动机的高转速区域（4 500～6 000转，2 230 Hz左右）产生了一个单频噪声如图4所示。由于该单频噪声只产生在发动机高转速区域，原因有2点：
图5 未包含插入式消声器的进气口噪声
1)该噪声一定与气流速度相关，随着发动机进气量的增加（转速的增加），该噪声越来越大；
2)该噪声是气动性质的，是由于高速气流吹在某个尖角处产生的。又因为在插入式消声的出口处有一个自由边，该自由边有可能是产生该噪声的根源，下面就单独采用CFD的方法来模拟该噪声。
2 插入式消声器气流噪声研究
2.1 算法的探讨
先采用一个简单的具有试验结果的算例来验证CFD计算气动噪声的方法的可行性[4]。下图为该算例的CFD模型。
图6 CFD的计算模型
为了模拟出边界层效应，在速度的入口出施加一个随y坐标的7次方变化的速度
u是入口速度函数，U0是来流速度，y是Y方向的坐标，δ是所定义的边界层的厚度。此处，定义为2.2 mm。观察点设置在深腔左侧的壁面上面。设U0＝30 m/s。
为了能够在工程上具有比较好的通用性，该计算采用了通用的商用求解器Star CCM+。为了能够更精确的解析出噪声源，该计算采用大涡模拟[5]。
时间步长设置为1.0～5 e s，计算物理时间设置为2.0 s。在对时域信号进行处理的时候采用了汉宁窗。
出口采用常压力边界，为0.0 Pa。在计算的出口拉伸8倍于宽度的长度来近似流动在压力出口处的充分发展。图7是计算和试验结果的频谱对比。从图上可以看出该方法预测噪声源的频率和试验基本吻合。
图7 噪声的计算和实验结果对比
2.2 插入式消声器气流噪声模拟
发动机在5 000 r/min时，进气量大概在400 kg/h，换算成为速度大概为50 m/s。
在关口的速度边界条件定义上，采用了沿圆周径向方向随半径7次方变化的速度[5]，在管子的中心处速度最大，靠近壁面处速度几乎为0。图8是该速度的云图。
图8 速度入口处的速度分布
由于该速度比较大，边界层的厚度定义为1.8 mm[5]。此算例中，来流速度U0＝50 m/s，δ＝1.8 mm，其它边界的定义和上面的简单算例一样。
压力出口也设置为常压力0.0 Pa。图9是某个时刻的静态压力云图。在插入式消声器的内插管开口处，有周期性的涡存在，这是导致气流噪声产生的主要原因。为了抑制涡的产生或者降低涡的强度，考虑在气流的入口处增加一个气流导板，用于使气流更加紊乱。图10为增加了一个流动导板的设计。左图为包含插入式消声器的空滤壳体，右图为空滤新鲜空气导管，导板放在新鲜空气导管里面。
图9 优化前某时刻涡分布
图10 添加了流动导板的设计
和模拟后台阶深腔一样，在壁面上面放置了一个观察点用于监测噪声信号，图11是在频域里优化前后的对比。
图11 插入式消声器噪声频谱计算结果
2.3 插入式消声器气流噪声测试结果
测试是在包含背景流动的传递损失的测试台架上进行，如图12所示。发动机工作时，噪声从发动机经过空滤再经由进气口传播给大气，而同时，空气经由进气口进入发动机。测量减声量必须考虑空气流动的影响。在测试的时候，在空滤的干净空气端（增压器连接处）施加压力激励，声向自由场传播。同时，风机开始抽气，流量设置为400 kg/h，气流从进气口经由空滤进入风机。在空滤的进气口处放置麦克风来测量气流噪声，图13是两种方案在该台架上面的测试结果对比。
图12 含气流的传递损失测试台架示意图
从测试结果来看，引入一个导流板可以有效的扰乱气流从而达到降低气流噪声的效果。
图13 优化前后噪声频谱比较
3 结语
插入式消声器在比较宽的频率范围内具有良好的消声效果，但如果设计不良则会导致单频噪声的产生。为了抑制该气流噪声的产生，插入式消声器不能两边插入，而只能采用单边插入管，或者引入导流板来抑制该气流噪声的产生。
