涡轮增压发动机进气消声器设计与声学性能数值分析

涡轮增压器是一种高速旋转的叶片机械，运转时发出的噪声不仅声级大，而且频率高，是增压柴油机组的主要噪声源。涡轮增压器的噪声分为涡轮噪声和压气机噪声。涡轮产生的气动噪声与发动机的排气噪声一起进入排气系统，后处理装置与排气消声器可以降低涡轮产生的气动噪声和发动机排气噪声向下游传播。压气机产生的气动噪声通过进气管和空气滤清器向进气口传播并辐射，由于压气机气动噪声具有宽频特性，空气滤清器本身通常不能满足降低进气系统噪声的要求，因此设计消声效果良好的进气消声器是控制增压型发动机进气噪声的一条有效措施。

由于消声器内部声场比较复杂，通常要求使用三维数值方法预测其声学性能。有限元法就是一种有效的数值求解方法，已被广泛应用于计算和分析各种类型的抗性、阻性和阻抗复合型消声器的声学性能。本文将针对涡轮增压发动机进气噪声特性设计两套进气消声器，采用有限元法对进气消声器的声学特性进行了研究，将阻抗管系统应用于进气消声器传递损失的测量，并将测量结果与计算结果进行比较，判断进气消声器有限元模型的合理性，并在计算分析的基础上对其进行改进设计。

1 进气消声器结构

由于涡轮增压器的噪声源特性属于高频宽带噪声，为此本文设计了两套阻性消声器，具体结构及尺寸如图1和图2所示，消声器中所填充的吸声材料为硅酸铝岩棉，穿孔管的孔径为4 mm，壁厚为1 mm。

图1 直通进气消声器结构
Fig.1 Structure of a straight-through intake silencer

图2 进气滤清消声器结构
Fig.2 Structure of a filter intake silencer

第一套消声器为直通进气消声器，进出口同轴，这种消声器的阻力损失极低，通常可与空气滤清器一起使用；第二套消声器为进气滤清消声器，侧壁进口，底面出口，即进气与出气方向垂直，这种结构的消声器除了具有良好的消声效果以外，还具有过滤功能。

2 声学性能计算方法

2.1 三维有限元法

考虑到穿孔管阻性消声器内存在空气和吸声材料两种介质，划分区域为Ωa和Ωb，将边界分为进口、出口、刚性壁面和穿孔壁面，分别以 Si、S0、Sw、Sp来表示，各个区域内部的三维声传播控制方程为Helmholtz方程［1］，即：

在区域Ωa内：

在区域Ωb内：

其中，pa和pb，ka和kb分别为空气和吸声材料中的声压和波数。

消声器声场计算中的边界条件有：

① 消声器壁面为刚性，法向速度为零，即：

② 消声器进口设为质点振速边界条件，这里设为un=1，则有：

③ 消声器出口设为无反射端，即：

④ 空气和吸声材料交界面处由于穿孔管的存在，穿孔壁面两侧Sp1和Sp2处的法向质点振速un和压力跳跃Δp通过穿孔的特性声阻抗联系，即：

其中：ξp为穿孔声阻抗，pp1和pp2分别为穿孔壁面处空气一侧和吸声材料一侧的声压。

有限元方程为：

其中：

其中：{N}是形函数列向量。

求解方程式（7）即可得到各节点处的声压，进而计算消声器的传递损失。

2.2 传递损失计算

传递损失定义为消声器进口处的入射声功率级与出口处的透射声功率级的差值，可表示为：

其中，p1和v1分别为消声器进口处的声压和质点振速，p2为消声器出口处的声压。当消声器进口处的质点振速v1给定时，使用有限元法可计算出进口和出口处的声压p1和p2，于是代入式（16）即可求出消声器的传递损失。

3 吸声材料声学特性和穿孔声阻抗

本文使用的吸声材料为硅酸铝岩棉，使用 B＆K 4206T阻抗管实验测量系统测量其复阻抗和复波数。由于此套系统为固定件，声源位置固定不能改变，因此采用两载荷法测量吸声材料的声学特性［2］。在实验之前要根据测量频率范围的不同选择粗管（内径为100 mm）和细管（内径为29 mm），其中粗管宽间距的测量范围为50 Hz－1.6 kHz，在100 Hz以下能给出更好的自谱和互谱结果，测量更准确；细管的测量范围为500 Hz－6.4 kHz。考虑到不同管的测量范围，为测得0 Hz－6 400 Hz内吸声材料的声学特性，需要采用粗管、细管相结合的方法，使用粗管测量低频段，细管测量高频段。

实验测量材料的密度分别为66 g/L和89 g/L，实验测试的样品粗管中的厚度为70 mm，在细管的厚度为17 mm，为了减少因材料自身的差异对测量结果的影响，本实验制作了三个样品，最终结果取所测得的复阻抗和复波数的平均值。

图3和图4分别为密度为66 g/L和89 g/L的硅酸铝岩棉的复阻抗和复波数的测量结果和拟合曲线，通过曲线拟合可以得到不同频率下表征硅酸铝声学特性的经验公式，如式（17）至式（20）所示。

对于密度为66 g/L的硅酸铝岩棉，

对于密度为89 g/L的硅酸铝岩棉，

贴附有吸声材料的穿孔板由于一侧是空气，另一侧是吸声材料，穿孔声阻抗通常可以表示成［3］：

其中，Rh为单孔声阻抗率中的阻性部分，tw为穿孔板厚度，dh为孔径，z0和分别为空气和吸声材料的复阻抗，k0和分别为空气和吸声材料中的波数，α0是一个只与穿孔率有关，与吸声材料属性无关的值，表达式如下：

其中，φ为穿孔率。

4 消声器的传递损失

4.1 直通进气消声器

图5为直通进气消声器的实验测量结果与有限元计算结果的比较，穿孔率为16%，穿孔板的孔径为4 mm，壁厚为1 mm，吸声材料的填充密度为66 g/L。图中表明，传递损失的测量结果与有限元计算结果吻合很好，在高频段两者有较小的偏差。

4.2 进气滤清消声器

图6为进气滤清消声器的实验测量结果与有限元计算结果比较，穿孔率为16%，穿孔板的孔径为0.004 m，壁厚为0.001 m，吸声材料的填充密度分别为0 g/L和89 g/L。可以看出，在整个频率范围内有限元计算结果与实验测量结果吻合良好。图中表明，在低频域（500 Hz以下）有吸声材料的消声器比不带吸声材料的消声器的消声量稍高，随着频率的增加，抗性消声器出现了多个共振峰，并且在1 100 Hz～1 400 Hz内消声量有下降的趋势，而当频率高于1 400 Hz消声量又有上升的趋势。对于阻抗复合式消声器，随着频率的增加，吸声材料的消声作用就体现出来，因吸声材料的存在，消声器不再有共振频率，具有良好的宽频消声性能。

5 组合结构的消声特性

直通进气消声器虽然具有良好的声学性能，但是没有过滤功能，在实际应用中通常需要与空气滤清器一同使用，空气滤清器本身也是一个进气消声器，所以两者的组合可获得更好的消声效果。图7为组合结构的示意图，在进行声学性能分析时，右侧空气滤清器中的滤纸的声学特性参数源自文献［4］。组合结构与单独的直通进气消声器传递损失的比较如图8所示，组合结构在消声量上有明显的提高，这也说明了空气滤清器在消声功能方面不应被忽略。

为改善进气滤清消声器的低频特性，可以在进气口处增加一个亥姆霍兹共振器。为了便于确定其尺寸，首先需要讨论共振腔的共振频率。亥姆霍兹共振器的共振频率可由下式求得：

式中，V=π·Iv为共振腔容积；Sc=π为颈部管道截面积；lc为颈部管道长度，δv和δp分别为对共振腔体和主管道的端部修正，其表达式分别为［5，6］：

进气滤清消声器与亥姆霍兹共振器构成的组合结构及尺寸如图9所示，将具体尺寸代入式（24）和式（25）可得 δv=0.015 6 m，δp=0.013 m，进而计算出共振频率为158.7 Hz。图10为进气滤清消声器与组合结构的传递损失比较，可以看出，有限元法计算得到的共振频率为152 Hz，与式（23）计算得到的结果基本一致，亥姆霍兹共振器改善了共振频率处的消声性能。

6 结论

本文根据涡轮增压发动机进气噪声特性设计了两套进气消声器，结合穿孔管阻性消声器的有限元法计算公式，给出了吸声材料声学特性参数的实验测量结果和贴附有吸声材料时穿孔板声阻抗的修正公式。使用有限元计算和实验测量相结合的方法来验证有限元模型的合理性，进而采用有限元计算来分析组合结构对进气消声器声学特性的影响。结果表明，直通进气消声器与空气滤清器的组合可以改善整个频域上的消声性能，而进气滤清消声器与亥姆霍兹共振腔的组合可以改善消声器的低频特性。