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消声器设计中的振动声学分析

2023-01-10 1037

Actran振动声学建模软件用于解决涉及大型柴油发动机测试的社区噪声问题。消声器的重新设计为该问题提供了可接受的解决方案。

瓦锡兰位于芬兰瓦萨市中心的一家大型四冲程中速发动机工厂附近的居民区发出了夜间噪音投诉。该工厂每年生产约500台发动机,每台发动机都要进行1000小时耐久性测试的排气噪音,该发动机在750rpm和满载下连续运行。

在测试发动机运行的午夜进行了环境噪声研究,在测试设施和附近居民区之间的三个位置进行了测量。声压级测量表明在100Hz处的声谱中有一个峰值。测得的噪声远远低于夜间环境噪声限值,由于主要的、半阶的、调制的低频噪声成分,人们认为烦恼程度很高。在第一级消声器(图1)附近发现了高噪声级,这是一个双膨胀室反应式消声器。在距消音器表面1m处的几个点进行测量。研究发现,当发动机负荷从100%降至75%时,总噪声水平下降了近8dB。在不同负载下进行速度扫描,以确定整个排气系统的共振。测得的声压曲线中的主峰出现在100%发动机负载的94Hz和75-80%负载的90Hz。

图1 第一级排气消音器

Actran软件用于创建消声器的振动声学模型(图2),包括内部和外部空气体积以及用于声辐射计算的无限元素。网格有23.4k个节点。

图2 原始Actran振动声学模型

在消声器入口施加单位速度或实际压力激励,在消声器出口施加无反射无限管道边界条件。初始模拟结果表明,在75Hz的第一腔室中出现纵向驻波模式,在106Hz的两个腔室中出现交叉通道模式。模型预测的主要声学共振与理论非常吻合,但未能解释94Hz噪声的来源(图3)。然而,通向消音器入口的弯曲管道的长度可能具有接近94Hz的第一轴向共振频率。

图3 室1中的均方声压

然后将有限元模型扩展为包括4.2m垂直管道和弯曲的入口侧管道(图4)。在75和107Hz处仍然可以看到尖锐的峰值,但现在94Hz处的峰值也清晰可见(图4)。94Hz处的峰值不如与实际消声器共振相关的峰值尖锐,很可能是因为相关的驻波与垂直管道强烈耦合,导致更高的表观阻尼。

图4 改进的Actran模型和第1室中的均方声压

Actran可以实现快速修改模型并重新运行分析,以确定更改的影响。在这种情况下,当原始模型没有阐明问题时,我们可以扩展模型将管道包含。建议将消音器入口延伸至第一室中心线1.4m,以解决噪音问题(图5)。延长通向消声器的水平管道会改变共振频率,因此它不再与94Hz的发动机指令相匹配。第二,延伸的入口大致位于第一腔室的第一纵向和横向通道模式的节点线处,从而大大降低了两种模式的影响。模拟预测,这种变化将使94Hz处的声级降低7dB,并且在75和106Hz附近的频率处也会显著降低(图5)。延伸的入口大致位于第一腔室的第一纵向和横向通道模式的节点线处,从而大大降低了两种模式的影响。模拟预测,这种变化将使94Hz处的声级降低7dB,并且在75和106Hz附近的频率处也会显著降低(图5)。

图5 简单建议的消声器修改和模拟第1室中的均方声压

图6 原始设计与修改设计的声压测量。

对物理消声器进行了修改,以匹配对Actran模型所做的更改,并重复了声压级测量。最终测量结果表明,改进后的消声器100Hz噪声降低了20dB(图6)。

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