排氣消聲器的結構參數(shù)與其消聲效果的關系
——基于臺架試驗的分析

李存鵬 魏少東

(1. 安徽國防科技職業(yè)學院， 安徽 六安 237011； 2. 北京東方振動和噪聲技術研究所， 北京 100085)

臺架試驗是研究消聲器性能的基本方法。通過合理設置試驗條件進行臺架試驗，得到真實的試驗數(shù)據(jù)，既可為驗證理論模型和優(yōu)化計算模型的正確性提供依據(jù)，也可以運用試驗方法測得消聲器樣機的傳遞損失曲線，分析其消聲性能。本次研究以指定的排氣消聲器為研究對象，通過消聲器臺架試驗進行數(shù)據(jù)測試及性能評價分析，驗證理論分析和優(yōu)化計算結果，為工程機械消聲器的設計和改進提供參考。

1 臺架試驗與數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗原理

消聲器臺架試驗主要是圍繞消聲器的聲學性能和空氣動力性能兩方面展開。一般是將聲級計與聲學分析儀器相連接，測量消聲器的插入損失和傳遞損失；或者通過在消聲器進出口位置設置壓力測試裝置，測量消聲器的壓力損失。試驗臺架通過信號發(fā)生器、功率放大器、揚聲器等設備引入初始聲源(聲源類型一般為白噪聲)，能在整個試驗頻率范圍內(nèi)獲得較高的初始能量。通過鼓風機引入相應的氣流狀態(tài)，模擬消聲器在一定流速范圍內(nèi)工作時受氣流影響下的動態(tài)聲學性能[1-2]。

本次試驗，著重采用雙傳聲計測量反映消聲器性能的傳遞損失，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對消聲器的理論設計模型和優(yōu)化分析模型進行驗證和修正，得到合理的模擬效果，為裝機試驗和結構改進奠定基礎。

1.2 試驗對象

本次試驗，選用5個不同結構參數(shù)的消聲器。其中，1號消聲器的結構參數(shù)是按照消聲器結構設計理論和經(jīng)驗所得；3號、4號消聲器的結構參數(shù)是利用遺傳算法優(yōu)化所得；0號、2號消聲器為模擬試驗用消聲器，用于對比驗證3號、4號消聲器的優(yōu)化效果，其結構參數(shù)根據(jù)1號消聲器結構尺寸參數(shù)計算確定。

0號、2號消聲器結構參數(shù)的確定步驟：在1號消聲器結構參數(shù)中，選取4個重要的關鍵性尺寸參數(shù)作為影響消聲效果的4種因素，同時在這4種因素中各選取3個水平參數(shù)(見表1)，設計形成4因素、3水平的正交表。在此正交表中，任意選取一組尺寸參數(shù)作為基礎設計參數(shù)，其余尺寸參數(shù)按照1號消聲器的結構尺寸參數(shù)確定，所得消聲器為0號消聲器。對正交表中各組參數(shù)所對應的消聲器，均使用Matlab軟件進行傳遞損失數(shù)值模擬曲線分析，然后選擇最優(yōu)傳遞損失曲線參數(shù)所對應的消聲器作為2號消聲器。

1.3 試驗臺架搭建

圖1 消聲器試驗臺架的結構

從試驗目的和節(jié)約成本兩方面考慮，試驗在國標基礎上進行了以下幾個方面的改進。

(1) 試驗以研究消聲器的聲學性能為主，并通過測量出口風速的變化，間接考慮其空氣動力性能。

(2) 將測點由排氣管口移至上下游管道內(nèi)壁，以測量傳遞損失取代測量插入損失，著重評價消聲器自身的性能。

(3) 不采用消聲室，只在揚聲器放置處粘貼吸聲、隔聲材料。由于傳感器設置在管內(nèi)，保證測量精度就只需內(nèi)外聲壓級有10個分貝差值。改進后，內(nèi)外頻帶聲壓級實測差值在20～30 dB范圍內(nèi)，完全符合測量精度要求。

1.4 試驗過程

各消聲器樣機傳遞損失及出口風速的測量，主要通過臺架試驗的方式[3]開展。每組試驗開始前，都要檢查消聲器臺架管道的氣密性及試驗儀器的精度，并測量背景噪聲，以保證試驗正常進行的必要條件。由于是在室內(nèi)進行，略去了對環(huán)境風速和溫度的測量，因此各組試驗均可在相同的氣候條件下進行。試驗工作狀況分為2類：一類為靜態(tài)工作狀況，在試驗過程中風機不開，只開揚聲器，信號發(fā)生器的信號強度設定至1.25 V檔位，功率放大器設定在 30 dB的放大倍數(shù)；另一類為動態(tài)工作狀況，在試驗過程中風機、揚聲器均打開，信號發(fā)生器的信號強度、功率放大器的放大倍數(shù)與靜態(tài)工作狀況時一致。利用噪聲分析儀，在靜態(tài)和動態(tài)工作狀況下，測量2個測點處的聲壓級(噪聲分析儀的0通道接2號線，噪聲分析儀的1通道接4號線)。利用聲學測量分析軟件，得到兩種工況下的13倍頻程聲壓級和出口風速。

1.4.1 傳遞損失的測量

消聲器的傳遞損失(TL)指消聲器出口和入口處的聲功率級之差。通過測量前后2個測點處的1/3倍頻程聲壓級，即可計算得到傳遞損失。在測量前，利用變頻器改變風機轉速，用風速計在出口處對管口處的氣流速度進行標定。通過不斷調定變頻器頻率，設定信號發(fā)生器檔位，待風速穩(wěn)定后即進行測量。試驗標定的測試頻率和對應的出口風速見表2(0號消聲器出口風速達到45.1 m/s、變頻器頻率超過67 Hz時，風機超過額定轉速，振動劇烈。考慮到試驗安全，該點沒有進行測量)。

表2 變頻器的頻率與出口風速的對應關系

按照表2標定的變頻器頻率，調節(jié)風機的轉速和風量，測量傳遞損失。試驗時，先讓儀器設備處于靜態(tài)試驗工況，待穩(wěn)定后開始進行測量。利用專門的聲學測量分析軟件，對前后2個測點同時進行測量，得到其1/3倍頻程聲壓級。每4 s采樣一次，共進行3次測量。然后，讓儀器設備處于動態(tài)試驗工況。試驗時，將變頻器頻率從小往大調。每次頻率調好后，待氣流和聲源穩(wěn)定，則開始進行測量。同樣利用專門的聲學測量分析軟件，對前后2個測點同時進行測量，得到其1/3倍頻程聲壓級。對每個頻率點都測量3次，每4 s采樣一次。在測量過程中注意觀察噪聲分析儀的量程指示燈，如果紅燈閃爍，說明噪聲分析儀過載，立即停止測量；調整噪聲分析儀的量程后，再重新開始測量[4]。

1.4.2 出口風速的測量

測量出口風速是為了比較各個消聲器樣機的壓力損失。在風機風量和入口風速不變的情況下，測量各個消聲器樣機的管道出口風速的大小，由此分析各樣機的壓力損失，說明其空氣動力性能的優(yōu)劣。測量時，變頻器頻率按照由小往大的順序調節(jié)，設置7個測試頻率點(0、18、27、36、53.5、60、65 Hz)，每個頻率點的出口風速測量3次，最后取3次測量結果的平均值。

2 數(shù)據(jù)分析及性能評價

2.1 消聲性能分析

本次消聲器臺架試驗，對5個給定消聲器的傳遞損失進行了測量。根據(jù)測量結果，各個消聲器樣機對應的消聲頻率特性曲線，如圖2至圖6所示。

圖2 3號消聲器消聲頻率特性曲線

圖3 4號消聲器消聲頻率特性曲線

圖4 0號消聲器消聲頻率特性曲線

圖5 1號消聲器消聲頻率特性曲線

圖6 2號消聲器消聲頻率特性曲線

給定的5個消聲器在0風速(無氣流)和10 m/s風速的工況時都符合設計要求，但隨著工況風速不斷提高，它們的消聲量明顯下降。其中，在低風速時下降較快且表現(xiàn)明顯；在高風速時下降較慢，有時還略有回升。

不考慮0風速和10 m/s風速的測量結果，給定的5個消聲器的消聲效果如表3所示，其中的優(yōu)化消聲器指3號和4號消聲器。在高頻段1 000～5 000 Hz時，除0號消聲器的消聲量維持在-10～5 dB外，其他消聲器的消聲量基本都在-5～10 dB。對比不同頻率下5種消聲器的消聲量及優(yōu)化效果，很明顯，優(yōu)化后的3號、4號消聲器的消聲量比0號、1號、2號消聲器的消聲量要大，消聲效果更好；3號與4號消聲器相比，4號消聲器的消聲效果稍好。在不考慮氣流影響的情況下，5個消聲器的消聲量都比較大。

2.2 出口風速分析

在變頻器給定頻率(f)下，測量消聲器樣機的出口風速(v)。給定7個頻率點，每個頻率點的出口風速測量3次，取3次測量結果的平均值。根據(jù)獲得的測量平均值，繪制的5個樣機的出口風速比較曲線如圖7所示。

表3 消聲器樣機的消聲效果比較

圖7 出口風速比較

由圖7可以看出，變頻器頻率、風機風量和轉速相同時，出口風速較大的為優(yōu)化后的3號和4號消聲器；其他3個消聲器的出口風速偏小、壓力損失較大。優(yōu)化后的3號、4號消聲器的壓力損失相對較小，空氣動力性能好一些。比較3號、4號消聲器的壓力損失，因3號消聲器出口風速偏大，其壓力損失相對更小，空氣動力性能比4號消聲器也要更好一些。

3 結 論

在排氣消聲器臺架試驗中，按照相關測量標準配置噪聲測量分析系統(tǒng)，測量了設計消聲器的傳遞損失，對幾種結構參數(shù)不同的消聲器的空氣動力性能進行了評價。試驗基本達到預期目標，驗證了所設計消聲器的理論設計模型和優(yōu)化計算分析模型的正確性。優(yōu)化后的消聲器，其消聲性能和空氣動力性能都比初定的消聲器更好。