窄縫式消聲器嘯叫原因分析及解決

劉 楊，鄧玉偉，侯杭生，李仁俊

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130011）

窄縫式組合消聲器屬于一種抗性消聲器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展、靜態(tài)消聲效率高的特點(diǎn)，可以對增壓器產(chǎn)生的大部分氣流噪聲和嘯叫起到抑制作用[1]，因此被廣泛地應(yīng)用于渦輪增壓車型的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲控制。然而，由于窄縫式消聲器的管道空腔結(jié)構(gòu)有氣流經(jīng)過，在滿足一定來流及幾何形狀的條件下，會在空腔開口處發(fā)生強(qiáng)烈的自激振蕩，產(chǎn)生再生噪聲問題甚至嘯叫問題。

空腔的流致噪聲問題是典型的聲-渦干涉問題，該問題涉及到流體力學(xué)中許多基本問題，如非定常流、剪切層不穩(wěn)定性、聲與流動的相互作用等，是流體力學(xué)中令人感興趣的問題之一，常出現(xiàn)在航空領(lǐng)域，如飛行器起落架倉、武器艙在高速氣流作用下會產(chǎn)生劇烈的流激振蕩[2]，也會出現(xiàn)在汽車領(lǐng)域，比如車窗的風(fēng)振問題[3]，此類問題也會出現(xiàn)在管路內(nèi)部[4–5]。

從50年代起，國外學(xué)者就對空腔流動的壓力振蕩、聲輻射進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[6]綜述了在空腔流動方面所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值計(jì)算等研究工作。在頻率預(yù)測的研究中，對于開式空腔流，Rossiter 提出了一個(gè)簡單的聲學(xué)反饋模型，并導(dǎo)出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式[7]。該公式可以很好地預(yù)測高流速工況時(shí)振蕩頻率，而在低馬赫數(shù)工況下，需進(jìn)一步修正公式。朱幼君的修正公式[8]在馬赫數(shù)小于0.5時(shí)與試驗(yàn)符合較好，適用于低流速、小尺寸、深腔的窄縫消聲器的振蕩頻率預(yù)測。在振蕩幅值預(yù)測和嘯叫問題預(yù)測方面，近年來多位研究者基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行了廣泛的研究[9–12]，迄今為止，在車用消聲器方向尚無成熟仿真軟件和算法可準(zhǔn)確預(yù)測消聲器嘯叫問題。

本文研究了一個(gè)在項(xiàng)目開發(fā)過程中發(fā)生嘯叫的窄縫消聲器案例，結(jié)合自激振蕩理論、內(nèi)流場CFD分析、空腔聲模態(tài)分析、流聲共振等分析對嘯叫發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，識別了關(guān)鍵影響因素，提出了有針對性的改善方案，解決了這個(gè)消聲器的嘯叫問題。這一失效問題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有助于為后續(xù)窄縫消聲器的設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 消聲器嘯叫問題

為了改善增壓器相關(guān)聲品質(zhì)問題，根據(jù)相關(guān)噪聲頻率分布特性，需要設(shè)計(jì)一組具有4 個(gè)空腔的窄縫式消聲器，其初版消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 窄縫式組合消聲器示意圖

對消聲器樣件進(jìn)行傳聲損失測試，靜態(tài)測試結(jié)果與計(jì)算一致，確認(rèn)樣件關(guān)鍵尺寸是準(zhǔn)確的；在測試有流狀態(tài)下傳聲損失時(shí)，當(dāng)流速達(dá)到20 m/s 和40 m/s 時(shí)，均可聽到明顯嘯叫聲，40 m/s 時(shí)傳聲損失在1 755 Hz出現(xiàn)大幅衰減，對比結(jié)果見圖2。

圖2 傳聲損失對比

圖3為流速在20 m/s和40 m/s時(shí)在消聲器出口下游管內(nèi)測得的聲壓級。圖3中顯示，在20 m/s時(shí)，頻率877 Hz和1 755 Hz處的噪聲幅值明顯高于其它頻率處的噪聲幅值，差值可達(dá)到20 dB以上。40 m/s時(shí)，在1 755 Hz處的噪聲幅值也明顯高于其他成份，差值接近20 dB。經(jīng)濾波重放確認(rèn)，這兩個(gè)工況所出現(xiàn)的主要嘯叫聲的頻率均為1 755 Hz。

圖3 消聲器下游管內(nèi)噪聲測試結(jié)果

2 成因分析

本案例嘯叫聲在特定流速出現(xiàn)，呈單頻、定頻特征，初步判斷問題與主管道流速相關(guān)，且與消聲器特定結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。

根據(jù)Sarohia 準(zhǔn)則[13]，消聲器內(nèi)部空腔流可以分為兩種類型。參考圖4 結(jié)構(gòu)，L為開口長度，D為空腔深度，則L/D>1時(shí)稱為淺空腔；L/D<1 時(shí)稱為深空腔。本案例的消聲器中，8處開口均為深腔結(jié)構(gòu)。低流速、小容積、深腔結(jié)構(gòu)的流體振蕩多為空腔聲學(xué)模態(tài)控制的流體-聲學(xué)共振問題。

圖4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在航空航天領(lǐng)域，對于開口空腔流體，Rossiter提出了一個(gè)簡單的聲學(xué)反饋模型[7]，如圖5所示。

圖5 空腔聲學(xué)反饋模型原理圖

圖5 中U為自由流速度。在該模型中，上游的剪切層在空腔前緣產(chǎn)生一系列的漩渦，這些漩渦以一定的速度向下游運(yùn)動，到達(dá)空腔后邊緣發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生的聲波向上游傳播，當(dāng)這些聲波到達(dá)前壁面時(shí)，擾動進(jìn)入剪切層，產(chǎn)生新的漩渦，如此往復(fù)，形成一種持續(xù)的自激振蕩。當(dāng)自激振蕩的頻率與空腔的聲學(xué)共振頻率相近時(shí)，形成了流體-聲學(xué)共振，或稱為流體-聲學(xué)耦合振蕩[8]，這種現(xiàn)象在宏觀上體現(xiàn)為嘯叫聲。

依據(jù)Rossiter模型，本案例消聲器主管道內(nèi)部存在多個(gè)空腔聲學(xué)反饋模型，如圖6 所描繪。各腔開口處均可獨(dú)立發(fā)生自激振蕩，如果其中某一自激振蕩頻率與消聲器聲腔模態(tài)頻率發(fā)生耦合，則那個(gè)空腔就會產(chǎn)生一個(gè)單一頻率的噪聲，體現(xiàn)為嘯叫的發(fā)生。

2.1 聲腔模態(tài)分析

利用聲學(xué)仿真軟件，可以計(jì)算3 000 Hz 以下的內(nèi)消聲器空腔聲學(xué)模態(tài)，所得結(jié)果共計(jì)16 個(gè)模態(tài)，其中848 Hz、1 689 Hz、2 178 Hz 為典型易激發(fā)圓柱體周向模態(tài)，振型見圖7。

圖7 易激發(fā)圓柱體周向模態(tài)振型

2.2 內(nèi)部流場計(jì)算

利用CFD 軟件進(jìn)行管內(nèi)流場分析，圖8 為20 m/s時(shí)消聲器內(nèi)部兩個(gè)不同截面的渦量分布。

由圖8 可知，主管路存在彎曲導(dǎo)致各腔開口處的流場產(chǎn)生顯著的湍流現(xiàn)象。

圖8 消聲器內(nèi)部渦量圖

在20 m/s 工況下，消聲器內(nèi)部流速分布結(jié)果見圖9。由于主管路空間存在彎曲，管路內(nèi)部流動均勻性差，第1 腔、第2 腔開縫處流速低于20 m/s，3 腔、4腔開縫處流速高于20 m/s。

圖9 消聲器內(nèi)部流速圖

圖10展示了4個(gè)聲腔開縫位置氣動噪聲仿真分析結(jié)果，4 個(gè)測點(diǎn)均在465 Hz、931 Hz、1 396 Hz、1 861 Hz、2 318 Hz、2 784 Hz 出現(xiàn)峰值，中心頻率一致，幅值各有高低，931 Hz與1 861 Hz峰值與實(shí)測結(jié)果較接近。

圖10 氣動噪聲計(jì)算結(jié)果

2.3 開口空腔自激振蕩

本文中的消聲器各空腔的長深比均符合L/D≤4，屬于管道內(nèi)開式空腔、深空腔結(jié)構(gòu)，參考Rossiter提出的公式[7]，自激振蕩頻率可以表達(dá)為

其中：U、L分別為自由流速度和空腔開口長度（如圖5 所示），M為馬赫數(shù)，n為開口中渦的個(gè)數(shù)，α和為由試驗(yàn)確定的常數(shù)，空腔長寬比不同，流速不同，修正參數(shù)需取不同值。

當(dāng)馬赫數(shù)M?1 時(shí)，朱幼君基于試驗(yàn)對式（1）作了進(jìn)一步修正，試驗(yàn)常數(shù)1/k取1.75；α為隨來流馬赫數(shù)線性變化的修正參數(shù)[8]：

利用以上關(guān)系式，修改后的剪切層自激振蕩頻率方程為[8]：

本文管道內(nèi)氣流速度在0 m/s至40 m/s區(qū)間，馬赫數(shù)M＜0.2，屬于超低馬赫數(shù)范疇，因此可利用式（3）計(jì)算各腔開口自激振蕩頻率。圖11給出了各腔開縫處前兩階自激振蕩頻率隨流速變化曲線，圖中顯示，在20 m/s和40 m/s時(shí)，多個(gè)聲腔自激振蕩頻率均在1 700 Hz附近。

圖11 各腔自激振蕩頻率隨流速變化

當(dāng)流速為20 m/s時(shí)，第4腔和第2腔的自激振蕩頻率850 Hz，第2 腔、第3 腔和第4 腔自激振蕩頻率大致在1 900 Hz 左右。參考圖9 中的流速分布信息，振蕩頻率實(shí)際可能在1 700 Hz至1 800 Hz區(qū)間，與實(shí)測符合。

當(dāng)流速為40 m/s時(shí)，第4腔和第2腔的自激振蕩頻率在1 700 Hz左右，與實(shí)測結(jié)果一致。

2.4 流體-聲學(xué)耦合共振

綜合分析消聲器聲腔模態(tài)、內(nèi)部流場和自激振蕩頻率，可知1 755 Hz 嘯叫由消聲器第2 腔、第3 腔和第4腔開口處剪切層自激振蕩頻率與聲腔模態(tài)頻率一致，產(chǎn)生流體-聲學(xué)耦合共振導(dǎo)致，流速為20 m/s 時(shí)第2 腔、第3 腔、第4 腔共同起作用，流速為40 m/s時(shí)主要是第2腔、第4腔起作用，其他流速工況下各腔振蕩頻率均避開了聲腔模態(tài)，無共振。此外，第2腔、第3腔、第4腔開口處流場不穩(wěn)，渦量大也是關(guān)鍵影響因素。

3 解決方案

周向1階聲腔模態(tài)是圓柱型窄縫式消聲器固有特性，該模態(tài)的頻率與聲腔最大尺寸相關(guān)。剪切層自激振蕩頻率是開口空腔的固有特性，與開口尺寸和流速相關(guān)。兩者在常用流速區(qū)間一定會發(fā)生流體-聲學(xué)共振，無法避頻，但事實(shí)上并非是所有共振都會導(dǎo)致嘯叫。本案例嘯叫出現(xiàn)的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）消聲器設(shè)計(jì)在彎管處，內(nèi)部流場湍流嚴(yán)重，激勵源強(qiáng)度大；

（2）開口尺寸相近或成倍數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致同流速條件下多個(gè)開口處自激振蕩頻率相近，激勵源個(gè)數(shù)多；

（3）渦量大的位置恰好是多重共振位置。

針對這3 個(gè)重要影響因素，消聲器主管道的設(shè)計(jì)按如下方案改進(jìn)：

（1）在現(xiàn)有邊界條件下，將主管道改為直管，消聲器偏置，以改善管路內(nèi)流場，降低局部湍流強(qiáng)度；

（2）改進(jìn)聲腔設(shè)計(jì)，使得各腔深度、開縫尺寸盡量不同；

社區(qū)商家一般是居民比較熟悉的商戶，其產(chǎn)品更容易得到消費(fèi)者的信任，消費(fèi)者通過平臺購買更為便捷，對商家信任感和滿意度不斷提升，購買次數(shù)增多，商家收益也相應(yīng)增加，雙方價(jià)值均得到提升。

（3）結(jié)合傳聲損失計(jì)算重新調(diào)音，保證新消聲器靜態(tài)消聲能力與原設(shè)計(jì)相當(dāng)。

新方案的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖12，整體改為單側(cè)偏置窄縫式組合消聲器。

圖12 新消聲器示意圖

圖13為兩輪方案傳聲損失計(jì)算結(jié)果對比，結(jié)果顯示，新老消聲器的傳聲損失基本相當(dāng)。

圖13 兩輪方案傳聲損失計(jì)算結(jié)果對比

圖14展示了新消聲器的聲腔模態(tài)分析結(jié)果，原有的易激發(fā)嘯叫的圓柱體周向模態(tài)不復(fù)存在。圖15 為新腔內(nèi)流場渦量分布圖，與原設(shè)計(jì)的圖8 比較，新方案的內(nèi)部流場比較穩(wěn)定，因此激勵源較原設(shè)計(jì)小。

圖14 新消聲器聲模態(tài)排查

圖15 新消聲器內(nèi)部渦量分布圖

圖16為各腔開縫處自激振蕩頻率分布，由圖可知新消聲器各腔前兩階自激振蕩頻率已分離，降低了多重共振風(fēng)險(xiǎn)，因此嘯叫出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)大為降低了。

圖16 各開縫處前2階自激振蕩頻率分布

基于單體臺架進(jìn)行試驗(yàn)，新消聲器樣件在常用流速區(qū)間無明顯嘯叫問題。對比兩版消聲器管口處氣流再生噪聲，流速為20 m/s時(shí)，新方案峰值能量較原方案低10 dB。圖17 為臺架試驗(yàn)環(huán)境，圖18 為管口噪聲對比。

圖17 有流狀態(tài)管口噪聲對比試驗(yàn)

圖18 20 m/s時(shí)兩方案管口噪聲對比

4 結(jié)語

結(jié)合自激振蕩理論、聲模態(tài)分析以及內(nèi)流場分析可以解釋此類消聲器嘯叫發(fā)生的機(jī)理，并簡單地預(yù)測嘯叫流速和頻率，也可橫比不同方案的嘯叫風(fēng)險(xiǎn)。但仿真分析尚不足以準(zhǔn)確模擬嘯叫問題，亦無法基于模擬早期判斷嘯叫是否一定發(fā)生，這種非定常紊流場的流聲共振問題尚需進(jìn)行更多的試驗(yàn)與仿真方法研究，這是整個(gè)行業(yè)的難題和挑戰(zhàn)。

（1）應(yīng)避免將消聲器設(shè)計(jì)在彎曲管路及附近，即避免將窄縫開口設(shè)計(jì)在流場不穩(wěn)定區(qū)域；

（2）避免多腔同深度、開縫同尺寸，即避免多腔耦合振蕩發(fā)生在同流速、同頻率；

（3）早期識別易被激發(fā)的聲模態(tài)振型，結(jié)合流場分析確定存在嘯叫風(fēng)險(xiǎn)的流速；

（4）聲學(xué)方案確定后先試制樣件，使用小型風(fēng)洞進(jìn)行變流速有流噪聲試驗(yàn)排查嘯叫問題；

（5）窄縫式消聲器比穿孔式更容易發(fā)生嘯叫問題，在滿足傳聲損失要求的前提下，盡量選擇設(shè)計(jì)穿孔式消聲器。