燃料电池车风机用微穿孔管消声器优化设计

0 引言

燃料电池汽车由于其高效节能而又低污染的优良特性成为了未来新能源汽车发展的趋势。燃料电池汽车的主要噪声源之一是为燃料电池提供空气的空气压缩机。本文研究的燃料电池汽车采用的空气压缩机为漩涡风机，其高频噪声对车内外噪声贡献很大[1,2]。消声器是降低漩涡风机噪声的有效途径，本文利用微穿孔管消声器的清洁、消声频带宽的特征，将其应用在燃料电池车用风机的降噪中。

1975年，马大猷院士创立了微穿孔板结构吸声理论[3]。2003年，西北工业大学王占学[4]等人对MA60飞机APU排气噪声进行了分析，采用了微穿孔管消声器来降低APU的排气噪声，通过试验，表明采用微穿孔管消声器降低MA60飞机APU排气噪声的效果非常理想。2010年，武汉理工大学侯献军[5]等针对抽气泵的排气噪声，设计了一个微穿孔管消声器，消声量达到10dB～20dB。2011年，张德满[6]提出了面向工程的微穿孔板吸声结构设计方法。针对某风机噪声,基于微穿孔板结构吸声系数最优来进行微穿孔管消声器尺寸优化。综上，前人大都根据微穿孔板吸声系数最优来设计微穿孔管消声器结构，且消声器结构都是简单的微穿孔管消声器，降噪效果有限，主要是窄带降噪。本文针对带隔板三腔微穿孔管消声器结构，直接基于其目标频带内平均传递损失最大进行结构优化设计，使其在很宽的频带上具有良好的消声效果。

本文通过漩涡风机的噪声特性测试得到了漩涡风机的噪声特性。通过试验验证微穿孔消声器传声损失的数值计算方法。然后针对漩涡风机的噪声特性，采用遗传算法对三腔微穿孔管消声器进行结构优化，获得目标频带下良好的消声效果。

1 漩涡风机噪声特性测试

漩涡风机是燃料电池汽车的主要噪声源之一，本文首先进行了漩涡风机噪声测试的台架试验，对漩涡风机噪声进行测试和分析。漩涡风机噪声特性测试如图1所示。风机噪声测试试验参照国家标准《GB-2888-91通风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》进行。

图1 漩涡风机噪声测试台架

利用漩涡风机噪声测试台架，模拟风机在实车上的安装条件，实车上风机出口管与燃料电池堆相连，入口管与大气连通，噪声主要通过入口管辐射到空气中，所以本实验测量风机入口管处的噪声特性。

图2是风机加速过程中的噪声瀑布图。从图中我们可以看到，漩涡风机噪声频谱主要反映为55倍频。由于叶片数为55，此频率为叶片旋转噪声频率。由图中可以发现，当高转速时，噪声尤其突出，主要噪声峰值频率范围为2000Hz～3500Hz。

图2 漩涡风机加速过程中噪声瀑布图

通过以上的漩涡风机噪声特性测试和分析可知，风机噪声呈现窄带倍频的特性，并且可以通过在进口处安装消声器的方式来进行降噪。常用的阻性消声器虽然可以降低高频噪声，但由于进气口消声器的阻性材料容易受气流影响而脱落，不能满足燃料电池堆清洁性的要求。抗性消声器一般用于降低中低频噪声，且消声频带窄。因此，本文在入口管处采用微穿孔管消声器用于风机降噪。

2 微穿孔管消声器传递损失数值计算与测试

本文的研究对象为微穿孔管消声器，各结构参数表示如图3所示（穿孔段长度l、空气腔厚度D、前后内插管长度l1和l2、内管管径D0分别对应图4标示；穿孔孔径d、穿孔层厚度t、穿孔率P未在图3中标示）。简单介绍其传声损失的数值计算方法。

图3 微穿孔管消声器示意图

本文利用有限元软件对微穿孔管消声器传声损失进行了仿真求解，模型如图4所示。建模及仿真过程基于以下条件[7,8]：

1)忽略消声器内部流固耦合作用，只建立消声器内部空气腔模型；

2)不考虑温度、流速对声传播的影响；

3)不建立小孔模型，直接在微穿孔板内外表面（如图4所示结构2、5）定义传递导纳关系来模拟微小穿孔，其中的导纳与声阻抗互为倒数关系。传递导纳关系可以建立起微穿孔管两侧的质点振动速度与声压的线性关系，用传递导纳矩阵[9]表示为：

其中，vi和vo分别是微穿孔管内外表面质点振速，pi和po分别是微穿孔管内外表面声压，z是微穿孔管的相对声阻抗率[10]。微穿孔管相对声阻抗率为：

其中：

此处，p为微穿孔板穿孔率；c为空气声速；J为虚数单位；ω为声波波动圆频率；ρ为流体介质密度；t为短管长度；d为短管直径；μ为运动粘度系数；η为流体切变粘滞系数。微穿孔板声阻抗根据前述理论模型编程求得。

图4 微穿孔管消声器有限元模型示意图

为验证基于前述微穿孔管消声器传声损失的有限元计算方法，应用阻抗管进行了传声损失测量实验。实验布置如图5所示，左上角为测量所用的微穿孔管消声器样件（结构参数值如表1所示）。

图5 微穿孔管消声器传声损失测量实验

表1 微穿孔管消声器样件结构参数

给定声激励为白噪声信号，所有测量均在相同条件下重复三次，测量结果取平均值。将微穿孔管消声器传声损失测量结果与传声损失有限元数值计算结果对比（如图6所示）。

图6 微穿孔管消声器传声损失实验值与仿真值对比

图6表明，基于本文所建立声阻抗理论模型的微穿孔管消声器传声损失数值计算的结果与实验数据吻合较好，在消声器共振频率处也基本重合，能准确反映实际消声器的消声性能。故可以利用该数值方法计算微穿孔管消声器的传声损失并进一步进行优化设计。

3 基于遗传算法的微穿孔管消声器结构优化

针对燃料电池车用漩涡风机噪声特性，可以通过优化设计一款微穿孔管消声器来进行降噪。

1）优化目标

对消声器本身而言，其消声评价指标可以从其传递损失曲线进行评价，优化目标选取频段平均消声量指标T。

以消声器主要作用频率作为统计区域，将参与评价的传声损失曲线数据按照公式（4）进行计算，可以得到某个频段平均消声量，式中TL(ω)为频率ω的传递损失，ω1和ω 2分别为起止统计频率。

燃料电池车上漩涡风机的转速范围为1000r/min～3800r/min，通过对漩涡风机噪声测试可知，其主要噪声是旋转噪声，而在中高转速范围内，其高频啸叫更为严重。试验表明，中高转速对应的叶片通过频率即主要噪声频率大约为2000Hz～3500Hz的范围，选择2000Hz～3500Hz作为平均传递损失的起止频率范围。

2）优化对象

研究发现，与单腔穿孔管消声器相比，采用多腔可以大大地拓宽消声频带范围，提高传递损失幅值[11]。另外考虑到加工和工艺难度，本文选用三腔消声器作为漩涡风机进口消声器[12]，其结构如图7所示。

图7 待优化三腔微穿孔管消声器结构

3）优化参数

由于漩涡风机进口管直径为50mm，取消声器内管直径为50mm；为了使消声器体积不能过大，膨胀腔内径为85mm，因此共有16个设计参数待优化，对于每个腔，其它参数取值范围如表4所示。

最后，设置约束条件，消声器总长小于0.2m，各腔的进口端和出口端比例之和小于0.8。

4）优化方法

本文利用遗传算法来进行微穿孔管消声器的优化设计。

表2 微穿孔管消声器优化参数及范围

由于消声器的设计降噪目标在2000Hz～3500Hz，而消声器膨胀腔的内径在85mm，那么利用理论方法计算消声器传递损失的截止频率为2300Hz左右，在2300Hz～3500Hz范围内，利用理论计算消声器传递损失将不再准确。因此，必须采用三维有限元法来计算微穿孔管消声器的传递损失，这样才能准测微穿孔管消声器在高频范围上的传递损失。

由此，可得基于遗传算法的微穿孔管消声器结构优化设计整体流程如图8所示。基于MATLAB编制遗传算法程序，首先开始产生初始种群，当达到迭代次数，输出结果，结束算法，否则计算微穿孔管消声器的传递损失，这时调用ANSYS自动建模和网格划分程序，并将网格信息导入到Actran进行传递损失计算，将计算结果输出到遗传算法程序，进行下一步选择、交叉和变异，生成新的种群，并进入下一循环，直至达到迭代次数，算法停止。

图8 微穿孔管消声器优化算法流程

整个优化过程需要MATLAB、ANSYS和Actran同时进行联合仿真。由于每次迭代都需要利用三维有限元法计算微穿孔管消声器的传递损失，计算量大，计算时间较长，优化周期在7天左右。

5）优化方案

由于优化目标频带宽，从2000Hz～3500Hz，因此可以把优化目标在优化频带上分解。由于待优化消声器是三腔微穿孔管消声器，这样可使每个腔针对一段频率范围的传递损失最优。取第一腔针对频率范围是2500Hz～3000Hz，取第二腔针对频率范围是2500Hz～3000Hz，第三腔针对频率范围是3000Hz～3500Hz。这样使得每段消声器腔优化频率范围减小，而整个消声器的消声频带保持不变。

6）优化结果

利用上述介绍的优化方法，对三腔微穿孔管消声器进行优化设计。消声器尺寸参数结果如表3所示。

表3 三腔微穿孔管消声器优化结果

优化前三腔微穿孔管的初始传递损失和优化后微穿孔管消声器传递损失曲线如图9所示。从图上可以看出，在频率范围2000Hz～3500Hz内，传递损失均大于30dB，相比优化前的传递损失值有了很大的提高，达到了良好的降噪效果。

图9 优化后消声器传递损失

4 结论

本文首先进行了燃料电池车用风机噪声特性测试的台架试验，得出风机噪声呈现窄带倍频的特性，并且可以通过在进口处安装消声器的方式来进行降噪。基于传递导纳法建立微穿孔管消声器的数值模型可以准确的计算其传递损失，进而采用数值软件联合仿真方法，有效地对微穿孔管消声器进行优化设计。优化后的微穿孔管消声器可以满足漩涡风机中高频的降噪目标，在2000Hz～3500Hz内的频率范围内消声量基本达到30dB以上。