熊云，左曙光，董志亮，陳思越

（1.上海氫雄信息科技有限公司，上海 201805；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 201805）

0 引言

本文提出了一種考慮抑制階次噪聲的多腔體微穿孔消聲器的新型設(shè)計(jì)方法。以羅茨壓縮機(jī)為例，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)消聲器，對消聲器進(jìn)行了完整的聲學(xué)性能與流動性能試驗(yàn)研究[1]。首先確定空壓機(jī)的主要噪聲階次，設(shè)計(jì)消聲器來抑制這些階次噪聲。對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，接著通過有限元法進(jìn)行驗(yàn)證及參數(shù)微調(diào)。最后將消聲器安裝于空壓機(jī)試驗(yàn)臺架，通過試驗(yàn)研究消聲器裝機(jī)的降噪效果與流動壓力損失。

1 燃料電池車空氣壓縮機(jī)噪聲試驗(yàn)

本研究以羅茨壓縮機(jī)為例，該空壓機(jī)的型號為UQM R410。應(yīng)用于燃料電池公交車[2]。

試驗(yàn)測量了C1-C5五個(gè)位置的噪聲，結(jié)果表明各工況下C1處的噪聲總聲壓級是最高的，因此以該處噪聲為后續(xù)的分析重點(diǎn)。

試驗(yàn)測試了3000-15000RPM范圍內(nèi)定轉(zhuǎn)速下的噪聲，轉(zhuǎn)速間隔為1000RPM，因?yàn)檫@些是空壓機(jī)的常用工況。各工況下，羅茨壓縮機(jī)在C1處的最大總聲壓級為115 dBA。

最主要的兩個(gè)噪聲階次為8階和16階，可以推斷8階次噪聲來源于排氣壓力脈動，而16階次噪聲來源于進(jìn)排氣壓力脈動。此外，4階次和24階次噪聲也有一定的貢獻(xiàn)量，因此以這四個(gè)階次噪聲為降噪目標(biāo)。

預(yù)選70 dB為目標(biāo)來確定所需要的降噪量，它可以表示為：

2 基于一維TMM的預(yù)設(shè)計(jì)

在下面部分中，介紹了一維傳遞矩陣法。基于一維傳遞矩陣法，確定了最佳腔數(shù)，并且預(yù)設(shè)計(jì)了多腔體微穿孔消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。

2.1 確定最佳腔室數(shù)

計(jì)算不同腔數(shù)消聲器的單位腔數(shù)峰值傳遞損失，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腔數(shù)為1時(shí)，單位腔數(shù)峰值傳遞損失最高，單腔消聲器的整體聲學(xué)性能很差，無法滿足降噪要求。除了單腔消聲器外，當(dāng)腔數(shù)為4時(shí)，單位腔數(shù)峰值傳遞損失最高，故確定消聲器最優(yōu)腔數(shù)為4個(gè)。

2.2 多室微穿孔消聲器的預(yù)設(shè)計(jì)

確定消聲器的腔數(shù)后，基于一維傳遞矩陣法研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對于傳遞損失的影響，初步確定消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)。該消聲器的傳遞損失可以滿足降噪要求。

對于該消聲器尺寸來說，一維傳遞矩陣法的截止頻率為：

該頻率的傳遞損失并不準(zhǔn)確，需要通過有限元法計(jì)算驗(yàn)證。

3 基于有限元法的參數(shù)驗(yàn)證與調(diào)整

有限元法對各頻率下的傳遞損失都可以準(zhǔn)確預(yù)測。本文通過商業(yè)軟件Actran對微穿孔消聲器的傳遞損失進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算前利用Hypermesh進(jìn)行消聲器的幾何建模和網(wǎng)格劃分，

對于穿孔板，傳遞導(dǎo)納為：

根據(jù)Mechal公式，其中

最終確定消聲器的四腔穿孔率分別為4.5%、5.2%、5.7%、5.3%。該消聲器的傳遞損失顯然可以滿足降噪目標(biāo)。

4 傳輸損耗測試

利用阻抗管基于雙負(fù)載法測量該消聲器的傳遞損失，兩個(gè)負(fù)載分別為在阻抗管出口加端蓋與不加端蓋。為了避免外界噪聲對不加端蓋負(fù)載的影響，在半消聲室中進(jìn)行傳遞損失測量試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果作對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本吻合，因此所設(shè)計(jì)的消聲器可以滿足降噪要求[4]。

5 安裝消聲器的降噪效果

為了研究微穿孔消聲器實(shí)際降噪效果，將消聲器安裝于空壓機(jī)排氣出口，接著同樣地按照GB-T 2888-2008標(biāo)準(zhǔn)布置噪聲試驗(yàn)中的麥克風(fēng)，安裝消聲器后，為了更加直接地反映消聲器的降噪效果，如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的多腔體微穿孔消聲器具有優(yōu)越的聲學(xué)性能，可以滿足工程要求。

圖1 加權(quán)聲壓等級轉(zhuǎn)速對比圖

6 壓降測量

為了研究微穿孔消聲器對于燃料電池堆進(jìn)氣的影響，測量了消聲器的壓力降。兩個(gè)壓力傳感器布置在消聲器的兩端。壓力傳感器的分辨率為1 kPa。

同樣地對與消聲器長度相同的橡膠直管也進(jìn)行了測試?？梢园l(fā)現(xiàn)，羅茨壓縮機(jī)排氣出口增加微穿孔消聲器幾乎不影響燃料電池堆的進(jìn)氣，即不會導(dǎo)致燃料電池堆缺氧[5]。

7 結(jié)語

本文提出了多腔體微穿孔消聲器的新型設(shè)計(jì)方法。為了驗(yàn)證該方法，為羅茨空壓機(jī)設(shè)計(jì)并制造了多腔體微穿孔消聲器，并且試驗(yàn)測試了該消聲器。通過分析和討論試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）階次噪聲對于空壓機(jī)噪聲來說占主導(dǎo)地位。考慮抑制階次噪聲來設(shè)計(jì)消聲器可以得到良好的降噪效果。

（2）在常用工況下，安裝該消聲器后，羅茨壓縮機(jī)的最大總聲壓級115 dBA降低至97dBA。在空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為15000 RPM時(shí)，總聲壓級降低了22.2 dB。大部分工況下降噪量都超過10 dB。

（3）在常用工況下，該消聲器與橡膠直管相比只增加不到1kPa的壓力損失，幾乎不影響燃料電池堆進(jìn)氣。