基于三維有限元分析的汽車風(fēng)道材料降噪方法

劉 昉，王爭(zhēng)論，康 偉

（上海泰瑞電子科技有限公司，上海 201402）

基于三維有限元分析的汽車風(fēng)道材料降噪方法

劉 昉，王爭(zhēng)論，康 偉

（上海泰瑞電子科技有限公司，上海 201402）

聲波在汽車空調(diào)通風(fēng)道道中主要以平面波成分出現(xiàn)，然而，當(dāng)聲波的波長(zhǎng)大于管道截面尺寸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)高次波成分，采用一維計(jì)算方法或二維方法就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，三維有限元方法能夠有效解決計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的誤差。采用傳遞函數(shù)法在阻抗管中對(duì)PE發(fā)泡材料和三種面密度的模壓織物平板材料吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，閉孔發(fā)泡塑料吸聲性能最差，模壓織物面密度越大，吸聲性能越好。以測(cè)得的阻抗作為邊界條件，采用三維有限元方法，對(duì)直管風(fēng)道樣件管口輻射噪聲。直管樣件測(cè)試和仿真分析結(jié)果表明，模壓織物材料的面密度對(duì)隔聲性能影響較小，900 gsm模壓織物風(fēng)道比500 gsm和700 gsm改善0.8 dB左右，模壓織物比發(fā)泡塑料噪聲改善3 dB。

聲學(xué)；汽車空調(diào)風(fēng)道；三維有限元方法；PE發(fā)泡材料；模壓成型織物；吸聲性能

汽車空調(diào)風(fēng)道的主要作用是滿足車內(nèi)通風(fēng)、除霜除霧要求[1]。汽車風(fēng)道是汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響車輛的舒適度。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其材料、截面形狀、工藝性能和密封性能[2]，這些因素直接影響出風(fēng)口的出風(fēng)效果、除霜除霧效果和車廂內(nèi)的噪聲水平。當(dāng)聲波在汽車空調(diào)通風(fēng)道內(nèi)傳播時(shí)，主要以平面波形式進(jìn)行傳播。然而，平面波在管道中傳播會(huì)存在一個(gè)截止頻率[3]，當(dāng)聲源的頻率低于該截止頻率時(shí)，只有平面波在管道中傳播；大于該頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)高次波成分。在采用一維平面波理論或二維有限元方法分析時(shí)，若聲波的波長(zhǎng)大于管道的截面尺寸，就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，三維有限元方法是解決該問(wèn)題的有效工具[4]。

1 汽車風(fēng)道聲學(xué)仿真分析

對(duì)于汽車風(fēng)道，當(dāng)聲波在管道內(nèi)傳播時(shí)，滿足運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)性方程和物態(tài)方程，可以得到理想流體中小振幅聲波的三維波動(dòng)方程為

假設(shè)聲波為簡(jiǎn)諧波，則聲壓可以表示為

將上式代入式（2）中，可以得到Helmholtz方程

求解三維Helmholtz方程，就可以得到三維聲場(chǎng)。

利用加權(quán)余量法計(jì)算Helmholtz方程在整個(gè)三維計(jì)算域V中的積分方程

其中p?為 權(quán)函數(shù)，利用散度定理可改寫為

其中Ω為計(jì)算域中的邊界，一般包含下面三種邊界條件：

1）剛性壁面邊界條件Ωr

2）法向質(zhì)點(diǎn)速度邊界條件Ωv

3）法向阻抗邊界條件

在采用有限元法求解三維聲場(chǎng)V的時(shí)候，首先需要將聲場(chǎng)離散成有限個(gè)單元，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，每個(gè)單元的聲壓由節(jié)點(diǎn)的聲壓來(lái)確定，節(jié)點(diǎn)的聲壓與任意點(diǎn)的聲壓由形函數(shù)來(lái)表達(dá)。

式中[N]為形函數(shù)，[pi]為節(jié)點(diǎn)聲壓。

假設(shè)p?和p具有相同的形函數(shù)，將式（6）至式（10）代入式（5）中，經(jīng)過(guò)整理可得

在得到形函數(shù)的情況下，求解式（11）就可以得到節(jié)點(diǎn)處的聲壓。

以矩形管道為例，長(zhǎng)度取0.5 m，截面形狀為正方形，邊長(zhǎng)取0.07 m。在風(fēng)道入口處施加單位速度邊界條件，出口施加AML屬性。對(duì)于塑料風(fēng)道，壁面假設(shè)為剛性，對(duì)于發(fā)泡塑料風(fēng)道和織物風(fēng)道，壁面采用法向阻抗邊界條件。

采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5 mm，計(jì)算頻率取為5 000 Hz，網(wǎng)格單元數(shù)量為3.57萬(wàn)。

2 風(fēng)道壁面材料的聲學(xué)邊界條件

織物風(fēng)管具有較好的降噪效果，其吸聲性能、材料的阻抗特性都需要通過(guò)阻抗管實(shí)驗(yàn)獲取。

采用傳遞函數(shù)法在阻抗管中對(duì)PE發(fā)泡材料[6–7]和三種不同面密度（500 gsm、700 gsm以及900 gsm）的模壓織物進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試和阻抗測(cè)試，測(cè)試得到的吸聲系數(shù)見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，PE發(fā)泡材料的吸聲性能最差，模壓織物的吸聲性能優(yōu)于PE發(fā)泡材料。隨著面密度增大，2 000 Hz以下各吸聲系數(shù)基本相同，2 000 Hz以上，模壓織物的吸聲系數(shù)隨面密度的增大而增大。

將阻抗管測(cè)試結(jié)果中的阻抗比導(dǎo)出，計(jì)算得到阻抗實(shí)部和虛部，如圖3和圖4所示，加入到計(jì)算模型的壁面邊界中，進(jìn)行風(fēng)道聲學(xué)計(jì)算。

3 簡(jiǎn)易樣件聲學(xué)性能驗(yàn)證

為了加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，節(jié)約成本，以模壓原材料吸聲系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)模壓織物風(fēng)管進(jìn)行測(cè)試和仿真計(jì)算，以獲取最優(yōu)的降噪材料，可以減少零件模具模壓測(cè)試次數(shù)，加快研發(fā)速度。

圖1 織物風(fēng)道幾何形狀及有限元模型

圖2 吸聲系數(shù)曲線

圖3 風(fēng)道壁面不同材質(zhì)條件下阻抗實(shí)部

圖4 風(fēng)道壁面不同材質(zhì)條件下阻抗虛部

以直管樣件為例，評(píng)價(jià)各種材料制作成直管的降噪效果。為了簡(jiǎn)化分析，未考慮氣流條件中由于湍流引起的氣流噪聲。因此，可以采用無(wú)氣流條件下聲源激勵(lì)直管管口，測(cè)量距管口0.5 m處的聲壓級(jí)，測(cè)試原理如圖5所示。

圖5 管口輻射噪聲測(cè)試原理

同時(shí)，采用LMS Vritual.lab Acoustic有限元方法進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6、圖7所示。

在混響室放置球形聲源，施加白噪聲信號(hào)，在半消聲室測(cè)量得到的管口聲壓級(jí)如圖6所示。

從圖6可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差在1 dB左右。發(fā)泡PE風(fēng)道管口噪聲比塑料風(fēng)道管口噪聲低3 dB；而模壓織物風(fēng)道比發(fā)泡PE風(fēng)道管口噪聲低3.3 dB。

圖6 管口輻射噪聲

圖7 管口輻射噪聲仿真結(jié)果

因此，模壓織物風(fēng)道比傳統(tǒng)塑料風(fēng)道管口噪聲低6.3 dB。

從圖7可以看出，模壓織物風(fēng)道的降噪?yún)^(qū)域主要在1 000 Hz以上，1 000 Hz以下的中低頻區(qū)域基本無(wú)降噪效果。三種不同面密度的模壓織物中，900 gsm模壓織物比其他兩種具有0.8 dB的降噪優(yōu)勢(shì)，其他兩種材料噪聲水平一致，模壓織物面密度改變對(duì)降噪不敏感。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)發(fā)泡塑料的吸聲系數(shù)最低，不到0.2；模壓織物的吸聲系數(shù)大于發(fā)泡塑料的吸聲系數(shù)，且密度增大，吸聲系數(shù)增大；

(2)三維有限元分析結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，誤差在1 dB左右；

(3)PE發(fā)泡風(fēng)道具有3.4 dB的降噪量，模壓織物比PE發(fā)泡風(fēng)道具有2 dB的降噪優(yōu)勢(shì)；

(4)當(dāng)厚度一定時(shí)，模壓織物面密度增加，降噪能力加強(qiáng)；當(dāng)面密度增加到一定程度時(shí)，面密度增加不能顯著降低噪聲水平，900 gsm風(fēng)道比500 gsm和7 00 gsm風(fēng)道噪聲只降低0.8 dB；

(5)模壓織物風(fēng)道最優(yōu)的降噪頻帶在1 000 Hz以上，對(duì)于1 000 Hz以下的中低頻區(qū)域，模壓織物風(fēng)道基本無(wú)降噪效果。

[1]常利偉，郝維.基于CFD分析技術(shù)的汽車除霜優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2014，41（5）：40-42.

[2]朱娟娟，陳江平，陳芝久，等.汽車空調(diào)雙后風(fēng)道結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化分析[J].制冷技術(shù)，2004(3)：8-10.

[3]MUNJAL M L.Acoustic of ducts and mufflers[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

[4]GIH J,LEE B H.Analysis of high-order mode effects in the circular expansion chamber with mean flow[J].J.Acoust.Soc.Am,1985 77:1377-1388.

[5]畢嶸.復(fù)合式消聲器聲學(xué)特性的分析方法和實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[6]許小強(qiáng)，楊汝平，熊春曉.吸聲聚氨酯泡沫塑料的研究[J].宇航材料工藝，2011(2)：17-20.

[7]梁李斯，姚廣春，穆永亮，等.閉孔泡沫鋁材料吸聲性能分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（1）：114-117.

Noise Reduction Method forAir Duct Materials ofAutomobiles Based on 3D Finite ElementAnalysis

LIU Fang,WANG Zheng-lun,KANG Wei
(Shanghai Tairich Electronic Technology Company,Shanghai 201402,China)

The sound wave appears in air duct of automobiles mainly in the type of plane wave components.However,when the wavelength of the sound is larger than the dimension of the air-duct cross section,high-order wave components will appear.In this case,the computations using one-dimensional method or two-dimensional method will bring large errors.However,the three-dimension finite element analysis can yield precise results of computation.In this paper,the sound absorption coefficients of PE foam and three non-woven fabrics with different area densities are tested in an impedance tube using transfer function method.The testing results reveal that the PE foam has poor absorption performance,and for the nonwoven fabric,the larger the area density is,the better the absorption performance is.Then,using the tested impedance as the boundary condition,the radiation noise of the air duct is simulated by means of the 3D finite element analysis.The testing and simulation results show that the area density of the non-woven fabric sheets only has a small effect on the acoustic performance of the air dust.The non-woven fabric with 900 gsm area density only has 1 dB improvement for the absorption performance compared to that with 500 gsm area density.The non-woven fabric air duct has 3 dB noise absorption improvement compared to the PE foam air duct.

acoustics;air duct;three-dimension finite element analysis method;PE foam;thermo-compression molding of non-woven fabric;sound absorption performance

U467

A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.041

1006-1355(2017)04-0206-03+217

2016-08-08

劉昉（1981－），男，西安市人，主要研究方向?yàn)槠嚶晫W(xué)包、NVH材料等。

E-mail:a-vic.lau@163.com