空气滤清器声学性能仿真研究

杨神林

【摘 要】汽车进气系统除了有过滤空气和消声的功能之外，通常还要求有良好的声学特性并有效控制发动机的进气噪声。本文通过有限元及边界元的声学性能仿真方法，对三种空气滤清器的设计方案进行空腔声学模态和壳体结构模态计算，发现三种方案的空腔声学模态基本接近，但方案Ⅲ各阶声学模态频率普遍有所降低。结合无滤纸和有滤纸状态下的空气滤清器传递损失计算，方案Ⅲ更长的插入管，更细的入出口管，更高的流阻率或者更厚的滤纸对空气滤清器会有更好的消声效果，使得空滤器在整个频段内都有良好的消声性能，最终选用方案Ⅲ作为最终的设计方案。

【关键词】空气滤清器；声学；空气动力学；边界元；有限元

空气滤清器在进气系统中起到过滤空气和消声这两大作用，受发动机舱空间的限制，进气系统的设计需要进行合理的布置，充分利用有效的空间，因此，通常情况下，进气系统的结构都比较复杂，利用一维仿真很难得到准确的仿真结果。有鉴于此，发动机进气系统设计普遍采用三维仿真方法，如声学边界元法（Acoustic BEM，ABEM）、声学有限元法（Acoustic FEM，AFEM）。

声学边界元法（ABEM）一般只需建立好进气系统内腔的表面，并采用二维单元划分内腔表面即可建立起三维的边界元模型，由于进气系统属于开口结构，通常采用间接边界元法（Indirect BEM，IBEM），壳体被默认为刚性的。声学有限元法（AFEM）则需要建立进气系统内腔的空气介质及滤芯模型，并采用三维单元进行网格划分，若材料仅定义成空气，则与声学边界元结果基本一致，壳体被默认为刚性的，将滤芯定义为吸声材料，可以考虑到滤芯对气动噪声的影响。

1.声学材料常数及边界条件设置

空气滤清器中的滤纸为纤维材料，能有效地吸收中高频噪声。根据吸声材料的声学理论，若多孔介质的骨架静止时，在宏观尺度上，多孔介质材料可用等效的流体代替。流体域的材料参数分别设定为空气声速为340m/s，空气密度为1.225Kg/m3，滤纸的流阻率为15760Rays/m；结构外壳的材料参数主要包括密度、弹性模量、泊松比，具体数值分别为1120kg/m3、6000Mpa、0.4。

滤清器空腔声学模态分析模型采用封闭腔体边界条件，即设定腔体四周为没有弹性的硬边界；声传递损失计算用分析模型的边界条件施加方式为，入（出）口侧施加速度边界条件，幅值为-1m/s，出（入）口设置特性阻抗为416.5Rays，其余边界为硬边界；滤清器壳体模态分析中，根据实际工作情况、约束壳体底部三个支点。

2.声学模态计算结果

结构模态较为密集，而在能量集中的低频模态区域，声腔模态较少，有利于整体结构的振声性能。壳体结构模态和空腔声学模态基本没有重合，发生结构与声学模态耦合共振的可能性较小。从声学模态振型可知，在第5阶模态之后，声腔模态不再是平面波传播，因此，声腔的截止频率约在800Hz。和结构模态对比，在声腔的第3阶模态频率和结构的第15阶模态频率相近，有共振的可能性。与方案Ⅰ相比，方案Ⅲ各阶声学模态频率普遍有所降低。

3.空气滤清器声传递损失计算

传递损失（Transmission Loss）是评价消声元件对声能衰减能力的主要指标，其定义为消声元件声能量入、出口声功率级之差。分别采用表1.2所示滤清器内腔声学流体网格模型，入口施加单位声速，在0～3000Hz频率范围内对声学模型的声响应进行计算。测取进、出口声压级结果，带入式（3.1）求得三种方案的传递损失结果。

TL=101gW

W

=101gS

P

u

S

P

u

=101gS

P

S

P

=101g+201g （3.1）

在高于1500Hz高频区域，通过频率点分布较为密集，且无明显规律可循，但安装滤纸后该区域的传递损失情况会有较大改善，可不必过于注意。在1270～1320Hz频率区域传递损失幅值较低，是该结构空腔声能量易通过区。此外，在1150Hz附近，方案Ⅰ具有一较高传递损失峰值（63.63dB）。

当频率较低时，如低于滤纸起始作用的频率点280Hz，带有滤纸的和不带滤纸的空气滤清器具有相近的消声性能，传递损失幅值之差不超过1dB。不带滤纸的空滤器在中低频有多个拱形衰减，但消声量均不高，在高频范围内因存在着较多的通过频率，消声性能不够理想。由于滤纸的存在，空滤器的第一个拱形衰减范围向更高频率推移，并且消声量有较大幅度提高；中高频消声性能有很大改善，在整个计算频率范围内有良好的宽频消声效果，不再有通过频率存在，也说明了滤纸使得声腔的消声性能更加平均。

对比考虑滤纸前后传递损失计算结果还可看出，考虑滤纸与否所计算得到的传递损失结果在频率域内的幅值与分布情况还是有较大相关性的。滤清器空腔本体传递损失频谱中幅值较高、峰较密集区域往往也是安装滤纸后传递损失数值较大区域，反之亦然。因此，通过改变空气滤清器壳体或进出管结构参数，不仅可显著改变滤清器空腔本体传递损失频谱曲线，也是调整安装滤纸后滤清器总体传递损失特性的有效途径。

声腔的传递损失随着流阻率的增加整体呈上升趋势，并变得更加平缓，说明滤纸的流阻率使得声腔的消声性能更加平均。随着流阻率的增大，传递损失在高频消声量明显增大，这也进一步证明了多孔材料对高频消声有较好的作用。

从计算结果可知，更细的入出口管，更高的流阻率或者更厚的滤纸对空气滤清器会有更好的消声效果，使得空滤器在整个频段内都有良好的消声性能。综合上述仿真及计算结果，最终选用方案Ⅲ作为最终的设计方案。

4.结论

（1）从声学模态振型可知，在第五阶模态之后，声腔模态不再是平面波传播，因此，声腔的截止频率约在800Hz。和结构模态对比，在声腔的第三阶模态频率和结构的第十五阶模态频率相近，有共振的可能性。与方案I相比，方案III各阶声学模态频率普遍有所降低。

（2）比较了不带滤纸和带有滤纸的空滤器传递损失计算结果。当频率较低时，带有滤纸的和不带滤纸的空气滤清器具有相同的消声性能。不带滤纸的空滤器在中低频有多个拱形衰减，但消声量均不高，在高频范围内因存在着较多的通过频率，消声性能不够理想。由于滤纸的存在，空滤器的第一个拱形衰减范围向更高频率推移，并且消声量有较大幅度提高；中高频消声性能有很大改善，在整个计算频率范围内有良好的宽频消声效果，不再有通过频率存在，即滤纸使得空滤器的消声性能更加平均。

（3）声腔的传递损失随着流阻率的增加整体呈上升趋势，并变得更加平缓，说明滤纸的流阻率使得声腔的消声性能更加平均。随着流阻率的增大，传递损失在高频消声量明显增大，这也说明了多孔材料对高频消声有较好的作用。

（4）方案II、III的消声性能近似，传递损失结果曲线整体变化趋势相同。较方案I具有更好的低频性能，且中高频更加平缓，整体消声量更大。低频区域内，方案III具有比方案II更低的声传递损失幅值，而在中高频段则具有比方案II更佳的消声性能。

（5）从计算结果可知，更长的插入管，如方案II、III相对于方案I，更细的入出口管，更高的流阻率或者更厚的滤纸对空气滤清器会有更好的消声效果，使得空滤器在整个频段内都有良好的消声性能。 [科]

【参考文献】

[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动——理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006，06.

[2]张振良.发动机进气消声器研究.重庆大学硕士学位论文，2003.

[3]朱廉洁.汽车发动机空气滤清器消声特性研究.哈尔滨工程大学，2007.