增压器蜗壳结构的隔声性能改进设计

2019-07-24 10:33祝胜慧
智富时代 2019年6期
关键词:隔声增压器

祝胜慧

【摘 要】首先以薄板为对象,利用吸声材料吸声和薄板结构隔声的原理设计5组数值仿真方案,探讨薄板厚度、吸声材料及其厚度对隔声量的影响规律。再将同类实验方案的蜗壳与薄板隔声特性曲线进行比较,验证了以薄板模型研究蜗壳包覆层隔声的可行性。在此基础上,将蜗壳模型仿真结果与实验数据进行对比,验证统计能量模型的可行性。

【关键词】增压器;隔声;吸声材料;统计能量法

一、背景

增压器标况下每分钟转度高达16万转,废气在涡轮中膨胀做功会产生大量噪声,目前大多数学者都在研究涡流噪声和叶片旋转噪声的噪声控制技术,对于蜗壳的隔声几乎未涉及。蒋国鑫[1]测得的蜗壳噪声为115.0dB,已达人耳痛阈声级,严重危害健康。

二、统计能量法的原理

统计能量法是一种从统计的角度对密集模态进行研究的分析方法,考虑的是输入能量与总能量间的关系[2],其应用对象为子系统,只反映空间和频域上的各子系统的平均值,且只适用于解决频态数大于5的高频区域问题。模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、激励和响应是统计能量分析的几个重要参数。

三、薄板结构隔声方案设计及性能研究

以薄板结构为研究对象,讨论各参数对隔声特性曲线的影响规律,得出最优隔声量对应的各参数取值,并比较该参数下薄板的仿真曲线与实验曲线。

对某蜗壳制造公司进行调研后发现,现有的船用柴油机增压器蜗壳结构均采用了隔热设计,一般参数取值:100mm岩棉+1mm钢板。以该参数为参考值,选用矿渣棉(与岩棉物理化学属性类似)、玻璃棉、毛毡三种常用的工程吸声材料,设计数值仿真方案如表1所示。

表1 数值仿真方案

基于VA one建立平板结构模型[2],左侧与声腔耦合的平板设置为球墨铸铁板[3],中间平板采用不锈钢板,在不锈钢板外侧附上吸声材料,设置吸声材料的材料物理属性[4],分析频率范围取63-64kHz,各方案的仿真结果如下:

从图1~图3可以得出:

1)各方案的隔声特性曲线总体趋势基本相同:63-500Hz的低频区内,隔声量波动较大;500-2500Hz的中频区,隔声量随频率增加而增大;2500-64kHz的高频区,隔声量减小后增大;

2)基本吻合频率增大一倍频程,隔声量提高6dB的规律;

3)毛毡隔声效果最差,玻璃棉和矿渣棉趋势基本一致;

4)矿渣棉厚度越大,隔声效果越好,增量越小;毛毡厚度从100mm增大到150mm,隔声量基本不变;中频段,玻璃棉隔声量增量呈“小-大-小”的波峰趋势;

综合上述数据可以得出平板结构模型1.2mm不锈钢板+150mm矿渣棉的隔声效果最好。在现有蜗壳隔热尺寸前提下,选择1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉的包覆层组合,隔声量最高可达15dB,较现有的隔热设计隔声量提高了5dB。

对薄板结构隔声量仿真值和实验值对比分析。在半消音室运用东方所振动噪声测试系统测量包覆层隔声量。将喇叭声源放置在半混响室圆筒内部,圆筒端口包覆吸声材料,外侧附加不锈钢板。隔声包覆层的实际隔声量为内部声压级与增压器蜗壳壁隔声量之差,隔声量取平均值。由于实验条件限制,实验时频率范围为63-12.5kHz。薄板结构下1mm不锈钢板+50mm矿渣棉隔声量仿真值与实验值如图4所示。

总体上看,仿真结果与实验结果吻合良好,但是平板结构仿真值较实测值约大1dB,低频段预测精度低。

四、蜗壳结构隔声性能研究

将蜗壳及包覆层简化为双层结构:内层为蜗壳结构,外层为包覆层的薄板,薄板上附加吸声材料;建有两个声腔,内声腔和环声腔;在蜗壳外围创建四个半无限流体场,该结构形成内声腔、内层结构(采用球墨铸铁材料)、环声腔、外层结构(采用不锈钢材料)及外部半无限流场五个模块,对应五个SEA子系统。确定该模型材料结构参数、吸声材料特性参数、平板内损耗因子、声腔内损耗因子、激励声压级,按照平板模型的设计方案分析计算隔声量。

各隔声特性曲线形成图5,比较相同不锈钢板下不同厚度的矿渣棉、毛毡、玻璃棉对隔声量的影响可以得出,1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉的包覆层组合隔声效果最好,最高可达19dB。

将蜗壳结构和薄板结构进行对比分析,可以看出:

1、蜗壳模型500Hz处为一隔声低谷,为“板-空气-板”的共振形成。

2、蜗壳模型的隔声量较薄板模型低2-4dB,考虑到内损耗因子的计算值与实际值有差异;蜗壳简化为多块耦合的平板等造成;

对蜗壳结构隔声量仿真值和实验值对比分析。实验以某型增压器蜗壳作为研究对象,蜗壳壁厚约为12mm,并将喇叭放置在蜗壳内部模拟噪声源。实验数据与薄板结构下隔声量的仿真值和实验值趋势类似:在中高频区域,兩者曲线趋势基本一致,但是仿真值普遍偏大。

五、结论

本文分别以薄板和蜗壳为研究对象,改变薄板厚度、吸声材料种类、吸声材料厚度,采用统计能量法对包覆层的隔声性能进行分析预测,对比分析了两大结构隔声特性曲线,并与实验结果比较验证了统计能量模型的正确性,结论如下:

(1)薄板结构和蜗壳结构的隔声量仿真结果与实验结果误差约2dB,满足工程精度要求,运用统计能量法划分子系统并预测蜗壳隔声量的方法是可行的。

(2)对比薄板结构和蜗壳结构的包覆层隔声量,薄板结构预测误差3dB左右,证明了利用薄板研究蜗壳隔声的可行性,节约复杂结构的建模时间。

(3)改变吸声材料及其厚度,得出1.2mm不锈钢板+50mm矿渣棉组合隔声性能最优,隔声量提高19dB。

【参考文献】

[1]蒋国鑫.涡轮增压器的噪声控制[J].噪声与振动控制,1986(4):43-47.

[2]彭子龙,温华兵等.基于统计能量法的单双层玻璃窗隔声量分析[J].噪声与振动控制,2014(4).

[3]卢兆刚.基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D]. 浙江大学,2011.

[4]周锦银.涡轮增压器壳体材料的现状和发展[J].江苏冶金,2006,34(5):1-3.

[5]机械设计手册[M].机械工业出版社,2009.

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