空气滤清器内吸声材料位置研究VIP

空气滤清器内吸声材料位置研究 蒲大宇 慧华，左正兴 （北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081） 摘 要 ： 室内声学研究证明，在高声压区域布置吸声材料能够有效地抑制低频模式，提高室内的低频声学性能。 为进一步提高空气滤清器的消声量，结合该项研究成果，提出通过在空气滤清器模态高声压集中区域布置吸声材料的方法，来实现消声量的增加。采用有限元方法，建立类似于方形箱体的简化空气滤清器模型，得到内部空腔共振模式，发现高声压区域主要集中于腔体角部和棱边，在上述高声压集中区域布置吸声材料，以提高空气滤清器的消声效果，计算结果显示，在中高频传递损失有较大提高，并且优于增加等量滤纸厚度方法。将以上方法用于某型号空滤器设计中，通过空腔的模态分析，发现模态高声压集中区域，并布置吸声材料，传递损失计算结果证明方法合理可行，能够有效地用于实际空气滤清器以提高进气系统消声量。 关键词： 空气滤清器；吸声材料；传递损失；声学模态； 中图分类号： 文献标识码： A 空气滤清器内的滤纸材料具有很好的中高频吸声性能，但是由于其布置位置和流通性的限制并不能起到很好的吸声效果，需要在进气系统中增加特殊的结构如旁支管、谐振腔或者采用特殊材料1等方法以抑制部分频段的噪声，对进气系统结构布置增加了难度。已知提高空气滤清器传递损失的方法包括提高材料流阻率，增加滤纸厚度或者特殊的结构设计2等，前两种方法会很大程度上增加空气的流阻，从而降低了进气效率，特殊结构的设计会增加加工和布置的难度。等将多孔材料布置于进气管内并结合共振腔消除进气噪声，取得了一定的中高频消声效果，然而受管道容积影响不可能布置较多材料，进一步提高消声量较为困难；而室内声学研究证明在高声压区域布置吸声材料能够有效地吸收室内声波，提高室内的低频声学性能4。因此，本文借助索在空气滤清器中增加多孔吸声材料，并探讨其布置位置以不改变进气效率，同时提高空滤器的传递损失。 本文研究目的在于采用有限元方法，结合室内声学的研究成果，探讨在空气滤清器模态高声压集中区域布置多孔材料的消声效果即可行性，及其对传递损失的影响程度和范围。在空气滤清器中布置吸声材料以及对其布置位置的系统研究仍未见报道。 1 理论分析及参数确定 封闭空间的稳态声场可以通过求解结构形状较为复杂时，不存在解析解。数值方法则是求解声场的有效手段。通过微分方程转化为积分方程，并将流体域离散组集得到基于节点声压的有限元公式： ( ) 2K p Q V =+(1) 其中： K 为刚度矩阵， C 为阻尼矩阵， M 为质量矩阵， p 为节点声压向量， Q 为声源向量， V 为输入速度向量， P 为输入声压向量。第 i 行 j 列的阻尼矩阵为： ij i = （ 2） 其中：为流体密度， 分别为 i、 j 单元的形状函数，阻抗， 为场域。 Z 主要包括边界阻抗和内部具有吸声属性流体的特性阻抗。从上式可以看出，调节阻抗值可以有效的改善声场的声学特性。收稿日期： ；修订日期： 作者简介：蒲大宇（1979- ），男，博士生，主要研究方向为内燃机结构辐射噪声 1,6证明了在小阻尼情况下，对于任意一阶振型 其衰变系数 为 *12 = （ 3） 其中， 为忽略非对角元素的阻尼矩阵，若振型向量经过正则化处理使得，*C 1，则式可简化为 *12=i（ 4） 进一步推导可得式， 112 5） 分析式5可知，在添加等量阻尼材料时，若阻尼项最大值 和于同一项，可得到最大的声衰变系数。由此推论可知，在最大模态声压位置添加吸声材料，能够最有效的降低噪声，增加消声量。 在入口处施加速度边界条件 1m/s,出口设置为空气的特性阻抗m，计算式(1)可得到入口声压出口声压再代入下式， 0020 （ 6） 得到进出口管面积相等的声学传递损失。 本文空腔模态计算假设空气滤清器壁为刚性，而进出口封闭，因此，小阻尼情况下的刚性空腔的模态计算公式为式为， ( ) 20 （ 7） 空气滤清器中的滤纸为纤维材料，它能有效地吸收中高频噪声。根据吸声材料的声学理论，多孔材料可以等效为流体。7对纤维材料进行了分析，得出了复波数和复阻抗的表达式。的吸声材料复波数和复阻抗表达式如下： ) ) =+ + (8) ) )kk j =+ + (9) 其中， 为空气密度，R 为流阻率，可由实验测试得到7，0Z 为空气的特性阻抗，为空气波数， 为等效波数。 0声材料位置分析及传递损失对比 根据声学理论，在腔体内由于壁面等反射，常常会形成各种驻波。即在腔体不同位置声波的声压常常是不均匀的，只有在腔内驻波分布十分密集时，才会造成腔内各处的声压平均地趋于均匀，形成混响声场。室内声学的研究表明，在低频段，可以利用驻波的分布在模式高声压集中的区域布置吸声材料4，优化室内的低频性能10。对于空气滤清器内腔，相对房间容积结构较小，考虑中心频率的声波波长与腔体平均线度接近，因此在考虑的3000位频段内简正频率数较小，不能形成扩散声场。 本文考虑空滤器结构如图1所示，滤纸位于长方体膨胀腔正中间，假定吸声材料是均匀、各向同性的。根据声波传播的介质不同，将整个有限元模型划分成：空气区域和吸声材料区域。取腔长、宽和高分别是2606000、出 口内径相同为68度为100声材料位于腔体中间略偏下，其厚度h=50算中声速为340m/s，空气的 纸的流阻率取经实验测定为15764m。 2对于图1中的空气滤清器，可利用有限元方法分析其内腔的声场，主要考虑的频段是50到3000据每波长内6个线性单元的标准，声学网格模型取10算得到3000位频段内简正频率数不够密集，腔体内声压分布是不均匀的。进一步考察空气滤清器腔体内的各阶模态可以发现，1000500数模态在各个角落处都有较大的声压值。以1500表1所示，模态声压在所有腔体角落处都有极大值。根据理论分析，如果在各个声压极大值集中区域放置消声材料，能够得到很好的消声效果。因此，可以推断在该区域布置吸声材料能够提高1500 腔模态频率与振型 模态频率（ 1571 1830 2047 2773 振型 为对比消声效果，建立模型I型型置如图2；模型I，为新设计的空气滤清器；模型滤纸体积与模型对比增加流阻和本文提出的布置多孔吸声材料方法的消声效果。 (a) 模型I (b) 模型图1 空气滤清器模型 01020304050600 1000 2000 3000频率 f/ 角部布置吸声材料结果对比 3010203040500 1000 2000 3000频率 f/ 优化模型传递损失对比 从图2可知，将等量滤纸材料放于四棱边位置，使得传递损失低频有明显下降，而在中高频区却变得更加平滑，并有较大的增加，与模态分析结果相符。证明了在各阶模式高声压集中区域，放置滤纸材料能够有效的提高声能的吸收，增加空气滤清器在相应频段的传递损失。1800从图3可知，模型1200于1200曲线更加平缓。因此，增加等体积滤纸也不能达到在各个角部布置滤纸的效果，模型且，增厚滤纸会增加流动阻力导致进气损失增加，不易采用。 对于不规则形状腔体，腔体内声压模式分布复杂，并非所有腔体角部都是声压模式集中区域，而在低声压区域布置吸声材料不能有效发挥其作用4。如果吸声材料均布置在各个角部位置，这些位置流速相对较低，因此，增加材料对内部流场影响较小，也可将吸声材料根据贴附位置做成适合于气流流动的形状，以减小气体的流动损失。 3 空气滤清器设计与验证 针对某型空气滤清器，采用本文提出的方法，在高声压集中区域布置多孔吸声材料以增加空滤器对中高频声的吸收。模态计算结果显示，在3000这些模态中，高声压区域主要集中在顶部尖角处和底部弧面，如图4所示，共有21阶模态的最高声压出现在这两处位置。在这些区域布置吸声材料，布置位置和材料所占体积如图4所示，设填充材料为与滤纸有相同流阻率的纤维多孔吸声材料，图 4 吸声材料布置位置 4010203040500 500 1000 1500 2000 2500 3000频率 f/递损失计算对比 由图5的计算结果可知，低于800声材料对传递损失没有任何增加，830 到930000到2000200到2700递损失有2到8算结果证明了，本文提出的方法合理可行，能够用于实际空气滤清器及其它设备的消声设计。由于多数高模式声压集中区域都在结构的角部或者棱边，因此将多孔吸声材料布置在这些区域，对区域流速影响较小，因此，适量的增加吸声材料，添加穿孔板并设计成流线型，对整体流场影响不大。 4 结论 针对进气系统消声的要求，结合室内声学研究成果，提出通过在空气滤清器内布置吸声材料以降低进气系统的噪声。研究表明在高模式声压集中区域布置吸声材料，对空气滤清器的中高频消声量有明显的影响。并总结出对于空气滤清器，选取吸声材料的位置时应该遵循下列程序：采用有限元方法分析各阶模态的声压分布，统计发现模式声压极大值集中的区域，确定布置位置，并通过反复计算选择适量材料。实际空气滤清器模型计算显示本文提出的方法能够有效地提高传递损失。 参考文献： 1 of 2000 2 of a 2005, 6A(10):11073 et of by a on an . 20054 沈小祥, 沈勇. 基于有限元法的小房间内吸声材料位置研究J. 声学学报, 2005, 30(4):3245 . A of in s . 1994, 173 (4) : 5686 . of s or . 1994, 170(1):130 7 of . 97