三通管路的管壁聲傳遞損失測試方法

孫中政 雷坤 王宇飛 韓旭

(杜邦中國研發(fā)管理有限公司 上海 201203)

0 引言

汽車輕量化是當(dāng)前工程師不斷努力的方向，作為汽車動力總成的重要組成部分的汽車進(jìn)氣管道，以塑料替代金屬后，通常可以減重30%以上，從而促進(jìn)節(jié)能減排；如以全制造周期來看，總成本可降低20%。在實際應(yīng)用開發(fā)中，聚己二酰己二胺(尼龍66)塑料材料能夠滿足連接渦輪增壓器的進(jìn)氣管道所需的在汽車使用壽命周期內(nèi)的耐油、耐高溫以及疲勞耐久等機(jī)械性能要求，因此渦輪增壓進(jìn)氣管道通常采用尼龍66代替金屬管道。但是在以塑料代替金屬的輕量化過程中，汽車進(jìn)氣系統(tǒng)存在由發(fā)動機(jī)、渦輪增壓器和廢棄再循環(huán)裝置帶來的噪聲問題。通常情況下進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲以進(jìn)氣口噪聲為主，介入消聲器是降低進(jìn)氣口噪聲的常用方法之一。然而渦輪增壓器的連接管路在消聲器前端，靠近噪聲源，因此無法通過消聲器降低該段管路內(nèi)的噪聲，特別是一些典型的運(yùn)行工況，如急加速等，會在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生以該段進(jìn)氣管路的輻射聲和透射聲為主的管外噪聲。由于塑料相對于金屬密度低，所以塑料進(jìn)氣管路更容易產(chǎn)生這類噪聲問題。一般來說，這類渦輪增壓器連接管路輻射或者透射的噪聲與管路設(shè)計和管壁的隔聲性能密切相關(guān)，需要通過實驗準(zhǔn)確評價渦輪增壓器連接管道的自身聲學(xué)性能，辨識并分析出這類噪聲產(chǎn)生的根源。

發(fā)動機(jī)臺架實驗和整車實驗是常用的噪聲測試方式。但是這兩種實驗成本偏高、準(zhǔn)備周期長，而且企業(yè)中發(fā)動機(jī)臺架和整車的實驗資源緊張，僅僅對于渦輪增壓器連接管道的聲學(xué)性能來組織這種實驗測試往往開發(fā)效率偏低，且浪費(fèi)實驗資源。因此，需要找到一種不依靠發(fā)動機(jī)系統(tǒng)就能夠準(zhǔn)確評價管道輻射聲的實驗室測試方法。現(xiàn)有的實驗室測試方法通常是在測試管道內(nèi)外分別放置一個揚(yáng)聲器，取一定時間內(nèi)的噪聲譜進(jìn)行分析判斷，但是這種方法的測量結(jié)果與測試系統(tǒng)有關(guān)，不能準(zhǔn)確得到管道管壁本身的噪聲輻射能力[1]。一般情況下，聲傳遞損失是評價管道本身聲學(xué)性能的客觀指標(biāo)，與測試系統(tǒng)無關(guān)，因此可以用來評價管道管壁的聲學(xué)性能。對于單輸入單輸出的管壁聲傳遞損失測試方法，文獻(xiàn)[1]中做了詳細(xì)闡述，并與其他方法進(jìn)行對比，表明了傳遞損失測試方法能夠反映管道管壁自身的聲透射和輻射特性，是一種有效的評價方法。對于目前越來越多的雙渦輪或單渦輪雙渦管系統(tǒng)的汽車進(jìn)氣系統(tǒng)，則需考慮三通管路的管壁聲傳遞損失，單輸入單輸出傳損測試方法不再適用。本文針對某雙渦輪增壓器進(jìn)氣管道，結(jié)合管道內(nèi)聲波傳導(dǎo)特性和空間聲場特性，開發(fā)了多通管路的管道管壁傳遞損失測試，準(zhǔn)確評價不同頻率下塑料和金屬管道的聲學(xué)性能。在管道內(nèi)基于平面波測試，管道外采用自由場測試，再通過計算得到管路管壁的聲傳遞損失。三通管道傳遞損失測試方法能夠準(zhǔn)確辨識出不同頻率下各段管道通過管壁透射和輻射的聲學(xué)特性，找到管道隔聲的薄弱環(huán)節(jié)。再結(jié)合近場聲全息和遠(yuǎn)場波束形成的方法進(jìn)行聲源識別，找到不同頻率下的主要噪聲來源，分析噪聲的產(chǎn)生原因。

無論管道內(nèi)的聲場分解方法，還是自由場測試的近場全息，以及波束形成方法，均是基于波動方程或者頻率域的赫姆霍茲方程，根據(jù)不同邊界條件和格林函數(shù)進(jìn)行源識別或者特性分析，都有大量文獻(xiàn)做了相關(guān)研究。管道內(nèi)基于平面波的入射反射聲研究，是最基本的方法[2]，對于高次波分解的方法，亦有許多方法[3?6]，主要有直接法[7]、空間傅里葉法[8]、壓縮感知法[9]等。直接法存在計算精度的問題；空間傅里葉法利用軸向和周向正交性進(jìn)行分解，需要滿足奈奎斯特采樣定理，使用的傳感器數(shù)量非常多；壓縮感知法對于某幾類聲模態(tài)主導(dǎo)的方法是非常好的，但是如果各聲模態(tài)能量接近，則并無優(yōu)勢。近場全息也有許多方法，正則化的空間傅里葉法[10]、等效源法[11]、統(tǒng)計最優(yōu)的局部全息法[12]、基于球諧函數(shù)法[13]等?？臻g傅里葉變換法存在逆變換的求解精度問題；點源的等效源法可以通過控制源到邊界的距離保證解的唯一性和準(zhǔn)確性；統(tǒng)計最優(yōu)局部全息法不需要測量面包含源面，但會產(chǎn)生相似聲源錯誤空間定位；球諧函數(shù)法使用了球源的正交性，是一類精準(zhǔn)方法，只是計算復(fù)雜度高，基于正交球諧函數(shù)的等效源法對于復(fù)雜邊界的求解也較困難。遠(yuǎn)場波束形成也有較多方法，波束陣列需要考慮穩(wěn)健性、增益性、主旁瓣特性等，主要分陣元域、頻域和模態(tài)域。常用的基礎(chǔ)方法是延遲求和波束形成，一類常用的較高精度方法是反卷積法，如反卷積聲源成像(Deconvolution approach for the mapping of acoustic sources,DAMAS)[14]，還有一類是基于貪婪算法的壓縮感知法，如HR-CleanSC[15]。本文管道內(nèi)波導(dǎo)場基于平面波，忽略倏逝的高次波；空間場采用聲功率測試法和陣列法，陣列的近場為統(tǒng)計最優(yōu)點源的局部全息法，遠(yuǎn)場為延遲求和波束形成法。

1 理論與測試系統(tǒng)

1.1 管路管壁傳遞損失理論基礎(chǔ)

以行波表征管道內(nèi)的聲波特性，管道內(nèi)的聲波包含入射波與反射波。管道外聲波包含透射聲波與外界入射聲波，測試環(huán)境為消聲室，工程應(yīng)用上管道外只存在透射聲波。對于雙渦管的三通進(jìn)氣管路可建立如圖1所示的聲傳播模型。

圖1 管道管壁輻射聲Fig.1 Duct wall sound radiation

圖1中，P1i為一增壓器側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)入射聲，P1r為一增壓器側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)反射聲，P2i為另一增壓器側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)入射聲，P2r為另一增壓器側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)反射聲，P3i為連接進(jìn)氣端管道側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)入射聲，P3r為連接進(jìn)氣端管道側(cè)的測量管道口處管道內(nèi)反射聲，Pt為管道向外透射聲，Pd為管道外入射進(jìn)管道聲。

對于僅考慮管道內(nèi)平面波的情況，每個管道需要兩個揚(yáng)聲器分離入射波、反射波，每個管道至少一種聲源特性共3次測量求解傳遞向量。管道內(nèi)僅考慮截至頻率內(nèi)的平面波，管道外聲場為消聲室，忽略管道外入射到管道內(nèi)的聲能量，可以得到如下聲壓關(guān)系：

通過3次測量，可求解傳遞向量，方程如下：

式(2)中，P1、P2、P3分別為第一、第二、第三次測量對應(yīng)的聲壓。

參考多通管道傳遞損失的定義[16]，管道管壁的傳遞損失為僅有單一管道入射聲時管道外聲功率級與有入射聲的管道內(nèi)聲功率級差：

式(3)中，TL為管道內(nèi)外的聲功率傳遞損失，L1in為管道內(nèi)聲功率級，Lt為管道外聲功率級，W1in為管道內(nèi)聲功率，Wt為管道外聲功率。傳遞損失與聲功率相關(guān)，而整車測試時，通常采用單點揚(yáng)聲器聲壓測量。因此實驗室測試時，分別測量對應(yīng)于整車測量的單點聲壓級傳遞損失和能夠更好評價聲能量特性并與揚(yáng)聲器分布無關(guān)的傳遞損失。聲壓級傳遞損失與傳遞損失如下：

其中，SPTL為聲壓級傳遞損失，tl為管道外透射聲對單一管道內(nèi)聲壓的傳遞函數(shù)，Si為管道內(nèi)截面面積，St為管道外測量揚(yáng)聲器包羅面面積。

1.2 測試系統(tǒng)

為準(zhǔn)確評價汽車渦輪增壓器發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管道使用塑料代替鋁的聲學(xué)性能，分別進(jìn)行管路管壁傳遞損失測試和聲源識別。測試環(huán)境為截至頻率200 Hz、聲壓級20 dB(A)的半消聲室。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要為B&K的傳感器、數(shù)據(jù)采集器及分析系統(tǒng)，如表1所示。測試管道包含兩段密閉聲源管路以及一段末端邊界條件可調(diào)測試管路。每段測試管路上均布置兩個0.64 cm壓力場揚(yáng)聲器。管道外按照1 m半球面聲功率測試方法布置10個1.27 cm自由場揚(yáng)聲器。采用聲強(qiáng)探頭和30通道的聲學(xué)相機(jī)分別進(jìn)行聲源識別，聲學(xué)相機(jī)的測試頻率為140 Hz～12 kHz，空間分辨率為50～30 mm；其中近場測試頻率為140～2810 Hz，近場測試要求在一個波長以內(nèi)，實際測試時，為0.1 m以內(nèi)。

表1 測試系統(tǒng)元件Table 1 Test system comp onent

2 管道聲學(xué)性能測試

2.1 管路管壁傳遞損失測試

本實驗采用兩個聲源、8個0.64 cm壓力場揚(yáng)聲器進(jìn)行測量，如圖2所示。本次測量的管道內(nèi)徑是40 mm，因此(1,0)階截止頻率為4900 Hz。在管道內(nèi)傳遞矩陣測試時，可以改變末端管道長度從而提供不同聲邊界，而管道管壁測試需要管道內(nèi)聲音封閉，管道內(nèi)聲音從測量管道處產(chǎn)生。

圖2 聲壓級傳遞損失測試Fig.2 Sound pressure level transmission loss test system

本次測試為平面波范圍內(nèi)對管道管壁進(jìn)行傳遞損失測試。兩個喇叭分別在兩測量管發(fā)聲提供兩種管道聲學(xué)邊界，然后改變第3個測量管道的末端聲學(xué)條件滿足3次測量要求。每個測量管道采用兩個壓力場麥克風(fēng)對入射波和反射波進(jìn)行分離，對于3個管路，共用6個麥克風(fēng)進(jìn)行測試(測點1～6)。基于公式(2)求解管道內(nèi)外傳遞函數(shù)向量，從而得到傳遞損失。本次測量，管道外采用兩種分布，一種是在測量管道上方10 mm處布置3個揚(yáng)聲器(測點7～9)，測量對于輸入管道1、2(1、2號聲源)的聲壓級傳遞損失，這種方法的測量結(jié)果更接近實車測試結(jié)果；另一種是在1 m半球形上布置10個自由場揚(yáng)聲器測量對輸入管道1、2的傳遞損失，傳遞損失反映了管道內(nèi)外聲能量特性，與測試系統(tǒng)和揚(yáng)聲器分布無關(guān)，能更準(zhǔn)確提供各頻率聲學(xué)性能。針對汽車渦輪增壓器塑料管道和金屬管道，分別測量3個管道外揚(yáng)聲器對連接渦輪增壓器的兩個管道的聲壓級傳遞損失，測試結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 測點7對1號聲源的聲壓級傳遞損失Fig.3 Sound pressure level transmission loss between Test Point 7 and Source 1

圖4 測點7對2號聲源的聲壓級傳遞損失Fig.4 Sound pressure level transmission loss between Test Point 7 and Source 2

圖5 測點8對1號聲源聲壓級傳遞損失Fig.5 Sound pressure level transmission loss between Test Point 8 and Source 1

圖6 測點9對1號聲源聲壓級傳遞損失Fig.6 Sound pressure level transmission loss between Test Point 9 and Source 1

聲壓級傳遞損失結(jié)果表明，在2200～3700 Hz，塑料件的隔聲量明顯差于金屬件，是需要改進(jìn)的地方。分別測試金屬件和塑料件對渦輪增壓連接管路的傳遞損失，結(jié)果如圖7、圖8所示。傳遞損失測試結(jié)果也表明在2200～3700 Hz，塑料件的隔聲量也差于金屬件。

圖7 對1號輸入管道的傳遞損失Fig.7 Duct wall transmission loss of Input 1

圖8 對2號輸入管道的傳遞損失Fig.8 Duct wall transmission loss of Input 2

金屬件和塑料件的傳遞損失頻率特性與管道外單點的聲壓級傳遞損失頻率特性相似。單點測試10 mm在測試頻率內(nèi)為近場測試，而聲功率的傳遞損失測試在頻率340 Hz以上均為遠(yuǎn)場測試。聲功率的傳遞損失包含了面積的修正項，能夠更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的聲能量特點。在近場測試，聲壓能量不隨距離衰減，能夠更好地體現(xiàn)管道本身輻射聲特性。聲壓級傳遞損失和聲功率傳遞損失均表明塑料件在特定頻率相對金屬件隔聲性能差距較大。

2.2 聲源識別測試

分別采用聲強(qiáng)探頭掃描聲功率測試、聲學(xué)相機(jī)近場聲全息和遠(yuǎn)場波束形成進(jìn)行塑料件和金屬件的聲源識別，找出測量管道的主要輻射聲位置并分析原因。聲源識別沒有消除管道內(nèi)聲學(xué)特性影響，因此頻率結(jié)果既與管道管壁聲學(xué)特性有關(guān)，也與管道內(nèi)聲源特性相關(guān)。隔聲薄弱的頻率輻射聲能量大。

聲強(qiáng)探頭聲功率法測試結(jié)果如圖9、圖10所示。聲強(qiáng)掃描顯示主要噪聲源是兩個連接渦輪增壓器管道處。用聲學(xué)相機(jī)分別對金屬和塑料管道進(jìn)行遠(yuǎn)場和近場聲源識別。近場測試頻率為144～2810 Hz，遠(yuǎn)場測試頻率為144～6400 Hz，測試結(jié)果如圖11、圖12所示。近場在低頻有好的空間分辨率，遠(yuǎn)場能夠識別高頻的主要聲來源。

圖9 聲強(qiáng)法金屬管道聲源識別Fig.9 Steel duct sound source identify using sound intensity

圖10 聲強(qiáng)法塑料管道聲源識別Fig.10 Plastics duct sound source identify using sound intensity

圖11 金屬件遠(yuǎn)場全頻聲源識別Fig.11 Steel duct sound source identify using far field method

圖12 塑料件遠(yuǎn)場全頻聲源識別Fig.12 Plastics duct sound source identify using far field method

聲學(xué)相機(jī)與聲強(qiáng)掃描法結(jié)果相接近，但略有差異。產(chǎn)生差異的原因之一是聲學(xué)相機(jī)測試和聲強(qiáng)測試是兩次分開的測試，而該測試與管道內(nèi)聲源特性有關(guān)。塑料管道的兩種測量方法均表明，主要輻射聲是在連接渦輪增壓器的管道上。

圖13、圖14近場聲全息測試結(jié)果表明，塑料件在2000 Hz以前的主要聲源在兩個渦輪連接管靠近進(jìn)氣連接管處，與結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果相似，產(chǎn)生的原因是結(jié)構(gòu)輻射聲；金屬件的主要聲源在進(jìn)氣管道處。塑料密度低，具有更好的阻尼特性，傳遞損失測試結(jié)果表明，在小于2000 Hz頻率段，塑料件隔聲性能與金屬件相似，測試結(jié)果與理論符合。

圖13 金屬件近場聲源識別Fig.13 Steel duct sound source identify using near field method

圖14 塑料件近場聲源識別Fig.14 Plastics duct sound source identify using near field method

傳遞損失測試表明，在高頻，傳遞損失低，更容易輻射出噪聲。結(jié)合傳遞損失測試結(jié)果和自由場聲源識別可知，塑料件在2200～3700 Hz隔聲差的原因既與自身特性有關(guān)，也與其焊接工藝有關(guān)，在2200～3700 Hz頻率段，主要噪聲來源于焊接焊縫處，因此提高焊接質(zhì)量是改進(jìn)塑料件隔聲性能的有效方法。

3 結(jié)論

本文研究了多通管道管壁的聲傳遞損失測試方法，并通過實例驗證了該方法的有效性。對于汽車雙渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道的聲學(xué)性能，分別對塑料管道和金屬管道進(jìn)行了聲傳遞損失測試、聲強(qiáng)掃描和聲學(xué)相機(jī)的聲源識別。該方法中的聲傳遞損失測試能夠消除管道內(nèi)聲源特性影響，準(zhǔn)確進(jìn)行頻率特性評價，測試顯示塑料管道在2200～3700 Hz隔聲性能偏低，需要改進(jìn)。再結(jié)合聲強(qiáng)法和聲學(xué)相機(jī)的聲源定位結(jié)果，確定塑料管道在中低頻段的主要噪聲為管道結(jié)構(gòu)輻射聲，而在中高頻段的主要噪聲來源于焊縫位置，特別是塑料件傳遞損失低的頻率，需要提高焊接質(zhì)量。該測試方法為塑料材料在該類型多通管道的輕量化開發(fā)應(yīng)用開發(fā)過程中解決噪聲問題提供了技術(shù)指導(dǎo)和支持。