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汽车空气滤清器声学性能优化设计

作 者：刘池 郝志勇 陈鑫瑞

关键词：声学性能 空气滤清器 进气噪声源 有限元法

摘 要：本文采用数值模拟方法和实验方法对空气滤清器声学性能优化设计进行了研究。并提出了一种改进的测量方法,解决了原始测量布局引起的气流噪声问题。经改进后的测量结果取得了良好的效果。在数值模拟方法的基础上,对空气滤清器的声效果进行了研究,并对空气滤清器的降噪性能进行了预测。然后采用模拟方法预测实际进气噪声。为提高空气滤清器的声学性能进行侧支消声器设计.结果表明,新优化的空气滤清器在发动机运行时具有较好的消声性能。

1.基本介绍

近来，随着发动机噪声限制变得越来越严格，人们对进气噪声进行了越来越多的研究。 对于往复运动的发动机，进气噪声包含许多与点火频率有关的低频分量，这极大地影响了车辆的进气噪声和内部噪声。 因此，空气滤清器应根据进气噪声精确设计，以便在低频范围内具有良好的声学性能。 空气滤清器的声学特性是其样机设计中要考虑的重要因素。

以往对空气滤清器和排气消声器声学性能的研究主要分为两大类: (1)进气噪声源的确定(2)空气滤清器声学性能的改善。

近年来，人们对进气噪声源的确定进行了许多研究。为了准确预测进气噪声的特性,即:应获得源强度和源阻抗。采用非线性和时间不变的数值分析方法来得到它们,但在计算速度和计算机存储空间方面有局限性。一些线性方法也应用于确定进气噪声源,并证明产生了可接受的结果。线性和时不变技术可以分为两类。( 1 )直接测量外部声源发, ( 2)直接使用多种附加声学负荷法。而直接法的主要问题是,当使用外部源时,压力传感器只要拾取来自该源的声场,而不要测试下的机器的声场。直接最小二乘法”是博德提出的一种直接方法,使用它得到了精确的结果。当采用这种方法时,声音传感器放置在发动机和负载的连接处。然而,当发动机运行时,流动空气会严重影响传感器测量的信号,因为空气流动噪声在信号中混合。因此,应改进以前的测量。

研究人员对利用数值模拟方法对空气净化器声学性能的改善做了很多研究。阎彦高效地利用边界元法提高了空气滤清器的声学性能。 贾维新通过对据进气噪声添加旁通管，提高了空气净化器的噪声消除能力。鲁西还使用边界元方法来预测进气系统的插入损耗。 并且使用一维流体动力学来预测排气消声器的声学性能。 然而，很少有研究人员考虑了滤波器的声效，这影响了仿真的准确性。 在本文中，研究了滤波器的效果，并设计了一个实验来获得滤波器的声学特性。

在本文中，优化了以前的9.7升空气净化器以用于2升排量的自然吸气汽油发动机。进气噪声源的修正测量将在第一部分中提出。然后采用模拟方法预测空气滤清器的降噪效果,并考虑滤清器的影响将会有较好的降噪效果。最后,根据预测的进气噪声,设计了新型侧支消声器,以提高空气滤清器的声学性能。

2.进气噪声源声学特性的确定

进气噪声的声源可以被认为是发动机的节气门发出，并且需要获得它以计算固定有空气净化器的源的出口处的声压。 声压是进气噪声模拟的边界条件。 为了提供准确的边界条件，可以应用博登提出的“直接最小二乘法”。直接最小二乘法是通过计算由传感器直接测量的四种不同负载的声压来确定源特性的方法。 在他的研究中，声传感器被放置在发动机和每个负载的接合处，然而这种布局使测量信号包含流动空气引起的噪声的问题。 因此，提出了一种改进的测量方法来解决问题。

2-1直接最小二乘法的原理

当其他发动机噪声被屏蔽时，发动机的进气系统可以被认为是单口源。 其声传导原理图如图1所示。 在频域中，可以通过源强度和源阻抗来描述声学单端口声源。其中是源压力。 是归一化的源阻抗。是源的出口处的声压，Z是来自声源的系统其余部分的归一化声阻抗。

直接最小二乘法的一般思想是根据四个不同载荷的已知阻抗和在载荷每个入口测得的声压分别计算声源的声压和阻抗。

要应用该方法,有三个步骤。第一步是得到四种不同载荷的声阻抗,并采用数值模拟方法对其进行研究。第二步是测量四个不同载荷入口的声压作为下一步的输入数据。第三步是基于直接最小二乘法输入数据的法确定源特征。

2-2改进后的测量

在步骤2中,原始实验方法是将传感器放置在负载入口以测量声音压力,如图2所示。然而,当发动机运行时,测量的声压信号受到空气流动噪声的严重影响。因此,提出了改进的测量作为图3所示。

要应用改进后的方法，发动机噪音必须被屏蔽掉。 把传感器安装在距离负载的出口100mm，这时空气流量低，避免了发动机噪声的干扰。 由于入口处的压力仍然需要步骤3的输入数据，所以在这里应用了仿真方法。对于声学元件，声学传递函数定义如下（参见公式（2））：。其中P是负载入口端口的声压,P是传感器放置的声压。

由于传递函数是声学元件的自然特性，所以即使在入口处的声压不同，也不会充电。 因此，我们可以在第一步中通过模拟获得传递函数，然后可以通过 计算负载入口处的实际声压，其中是负载入口处的实际声压，其中 将用作第三步中的输入数据。 是由传感器测量的声压，如图3所示。

2-3进气噪声源测定实验及其验证

在实验中，发动机在满负荷条件下稳定运行，发动机转速从1000转到6000转。每次提高200转。 四个声学负载的图像如图4所示。 其中两个是长度不同的直管，另外两个是膨胀室有不同的膨胀长度。 它们固定在发动机上如图5。

实验设备：B＆K 3560C数据采集仪; 相应的振动和噪声分析软件Pulse 8.0; 北京盛旺声学传感器MPA 201。

每个速度的进气噪声源可以由直接最小二乘法来确定。 以1500转时的进气噪声源为例，声压和源的阻抗如图 6和图7所示。将另一个长管道固定在发动机上,以证明直接最小二乘法得到的结果。根据改进后的测量或基于声源的模拟,可以直接计算连接处的声压。将两个结果作比较。从图8可以看出,直接最小二乘法具有良好的精度,可以作为后续仿真的边界条件。

为了预测发动机的实际进气噪声，空气净化器应被视为声学负载，发动机和空气滤清器的接合处的声压需要使用公式（1），其中和是由直接最小二乘法确定的源特性。 那么可以用作预测进气噪声的边界条件。

3.空气滤清器消声能力的实验与数值模拟

一般来说,消声元件只能在特定频率或某些频率范围内降低噪音。因此,在安装到系统之前知道消声材料的消声能力是非常重要的。并且,在噪声控制设计的全过程中,对消声元件的消声能力的评价是十分必要的。

3-1消声能力评价指标

有三个常见的指标来评估 消音元件的消声能力：传输损耗（TL），插入损耗（IL）和降噪（NR）。 NR定义为声音的差异，消音元件的声学入口和出口之间的确定水平。NR测量系统如图9所示。假设两个传感器测量的声压级为L和, NR可计算如下:NR==20lg.

降噪是评价汽车工业领域消声能力的常用方法,其操作简单,效率高。本文采用降噪作为评价指标。

3-2空气滤清器降噪(NR)试验

将空气滤清器固定到混响室的出口端口,作为测量系统如图9所示。 .传感器分别放置在空气滤清器的入口和出口端口,如图10所示 .混响室的内部结构如图11所示。

在带和不带过滤器两种情况下测量空气滤清器的降噪效果，结果比较如图12所示。可以看到,滤波器大大影响空气净化器的声学性能,特别是在高频范围内。因此,它具有不可忽视的作用,并由此提出了一种新的滤波效果研究。

3-3过滤器的声学效应研究

过滤器可以被认为是吸音材料，因为在通过它时声音衰减。 对于吸音材料，需要确定五个参数：材料的声速，体积质量，结构因子，电阻率和孔隙率。 为了确定这些参数，设计了一个新的实验，如图13所示。

实验所用的过滤器是用相同的材料和相同的方式折叠作为空气滤清器的实际过滤器。然后设计了一个特殊的管道,以保持过滤器。以此得到整个管道的降噪数据。我们对比没有装过滤器测量管道的降噪数据,两个比较结果如图14所示。

然后利用有限元模拟方法,通过调整代表滤波器的有限元的五个参数来拟合试验的降噪能力曲线。其中应设置不同的参数,直到模拟降噪曲线与试验降噪匹配,并具有可接受的精度,如图15所示。

图15证明过滤器被认为是吸收材料的假设是合理的，过滤器的五个参数是正确的。 对于本文研究的滤波器，通过材料的声速为150 m / s; 体积质量为2 kg / m; 结构因子为3; 电阻率为10,000 kg /（s m ），孔隙率为0.95。 在以下模拟中，只需要将五个参数分配给表示过滤器的有限元，然后就以模拟出空气净化器的降噪能力NR，该NR考虑过滤效果。

3-4空气滤清器降噪（NR)的数值模拟

一般来说,空气滤清器总是有一个非常复杂的结构,它不会干扰发动机室的其他部件。由于其在高频范围内的性能较差,一维模拟方法可能不合适。因此,本文提出了一种三维声学仿真方法。

三维仿真最常用的方法是边界元法和有限元法。边界元法易于操作,但不能考虑滤波器的声效应,实验表明其效果较差,耗费了较长的计算时间。考虑滤波器的滤波效果和具有较短的计算时间,本文采用有限元法。

滤波器的有限元模型如图16所示，包含26207个三维元素和6439个节点。将五个参数分配给代表过滤器的元素,然后对空气滤清器的降噪能力NR进行模拟,与实验数据进行比较，如图17所示。从图可以看出模拟和实验结果吻合。比较表明,有限元法的精度和实用性以及数值模拟方法的良好可行性,将在优化设计的进一步研究中得到应用。

4空气滤清器声学性能优化设计

基于由确定的源产生的边界条件，可以使用模拟方法来预测发发动机转速从1000转到6000转，每次提高200转的各个速度的实际总进气噪声。 空气滤清器的噪声消除效果可以通过比较以下两种情况下的进气噪声（带和不带空气滤清器），结果如图18所示。从图中可以看出,通过安装空气滤清器,已大大降低了噪音。然而,仍有一些噪声峰值和空气滤清器需要进一步优化.为了提高性能,第一步是拾取噪声峰值的频率,然后进行优化。

4-1确定要优化的消声频率

对于4缸4冲程发动机的进气噪声，发动机基本频率的2,4,6和8倍频率的噪声比其他噪声的噪声要更大， 我们称它们为二，四，六，八级进气噪音。 只有当第2，第4，第6，第8，第8阶进气噪声减小时，总进气噪声将会降低。 为了符合车辆通过噪声限制规定，空气滤清器进气口距离100mm的进气噪音应至少低于100 dB（A）。 因此，为了获得更好的性能，给出了第二，第四，第六，第八，八阶进气噪声的更严格的目标，如图19所示。而所有速度下的第二，第四，第六，第八，第八级进气噪声如图20所示。从图中可以看到,空气滤清器具有良好的消声能力,因为大多数进气噪声都在噪声限制规定范围内;然而,仍有一些峰值远高于规定,这些峰值的频率是要优化的目标。把它们单独列在表1。

表1，需要优化的频率

4-2侧分支消声器的设计

常用的侧分支消音器是亥姆霍兹共振器，包括1/4波长旁路管和1/2波长旁路管。 亥姆霍兹共振器适用于消除低噪声及其消声频率：，并且1/4波长旁通管是连接到空气滤清器总管的封闭管道,它一直被用来消除高频噪声。其消声频率为。经过几次仿真，设计了两个谐振器，其消声频率分别为83Hz和281Hz。 谐振器的振荡频率为83Hz，谐振器体积为1.84L; 连接管的直径和长度为32 mm和160 mm。 对于另一个谐振器，其体积为0.4L;连接管的直径和长度为24mm和23mm。 1/4波长旁路管设计为消声频率为773 Hz。 并且旁通管的直径和长度为22mm和110mm。 有限元网格如图21所示。 最优设计后，可以预测第二，第四，第六，第八，八阶进气噪声如图22所示。如图22

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