【Actran案例】有效降低排气管道系统噪声

CAE大拿

“凭借Actran仿真，工程师可以完全理解排气管道系统中的噪声问题，并得到简单有效的解决方法。”

在芬兰城市瓦萨一个居住区的居民们对附近的噪声干扰提出了投诉。居民区的噪声来自于附近的一个瓦锡兰船用四冲程中速发动机的陆上测试工厂。为了满足发动机行业竞争激烈的市场需求，这个工厂生产的瓦锡兰32型发动机具备较高的输出功率，采用较低的油耗，装配精简的元器件，同时配备集成电脑控制系统。瓦锡兰工厂年产500台发动机，每台都要经受运转测试。初步调查结果表明，这让人难以忍受的噪声来源于一台W6L32E发动机1000小时耐久测试的排气设备。此发动机在满载的条件下以750RPM的速度运行。

挑战
在发动机夜间测试时进行了一次环境噪声的调查，在位于测试厂房及附近居住区之间的三个测点位置进行了噪声测量。噪声级测量结果显示噪声尖值在100Hz三分之一倍频程中的94Hz附近产生。此频率对应于发动机曲轴转动频率的7.5阶频率。正常情况下，W6L32E型发动机的噪声尖值会出现在其曲轴转动频率的3阶和4.5阶上。而此次测量到的噪声远不满足夜间环境噪声的限制标准。初步猜测认为噪声主要来自于半阶数的模块化部件产生的低频噪声。通过进一步实验希望找到在100Hz三分之一倍频程中产生噪声的确切原因。于是安排了新的实验在厂房屋顶进行，用于近距离测量发动机排气系统附近的噪声。此次测试在第一级消声器附近测得了较高的噪声。此消声器为双阔张室式抗性消声器。新的噪声测试在距离消声器表面1米的数个位置进行。当发动机的负载由100%降到75%的时候，发现100Hz三分之一倍频程的尖值噪声下降了10dB，全频段总体噪声则下降了8dB。接下来改变发动机的运行速度及载荷，希望找到整个排气系统的共振特性。发现当发动机在100%满载情况下，噪声尖点出现在94Hz，而当发动机在75%至80%的载荷运转时，噪声尖值则出现在90Hz。

问题解决及验证
芬兰技术研究中心研究员Erin Komi表示：“我们的客户瓦锡兰要求我们使用Actran软件对这个问题进行分析，这是因为客户希望验证Actran对于求解振动噪声问题的有效性”。ErinKomi对此问题进行了Actran的建模仿真工作。她首先建立了一个Actran振动噪声模型，包括消声器内部空气和外部空气，以及声学无限单元设置用来计算噪声辐射。整个模型包括2万3千4百个网格节点。在消声器入口处分别施加单位速度或者真实声压激励，在出口处设置声学无反射边界条件用以模拟无限出口管道。在模型中试验厂房的屋顶位置添加零声学导纳条件，用于模拟固壁边界条件。在消声器模型内部及外部分别布置了场点，其结果用于和实验测试进行比对。

“声学测试只能提供有限几点的声压结果，Actran却可以呈现整个模型区域的细节仿真结果”，Komi还表示：“通过Actran我们还可以轻松修改模型，迭代分析，以确定某种设计改变产生的影响。在这个例子中，当原始模型对分析噪声问题帮助不大的时候，我们将模型拓展，把管路考虑其中，便快速的找到了问题的根源。”

结果
Actran模型中的更改最终在真实消声器上得以实现，噪声测试在更改后的消声器上重新进行。测试结果表明新的设计使100Hz三分之一倍频程的噪声降低了20dB，并使总体噪声降低了10dB。基于Actran的仿真结果，工程人员可以完全理解这个特定的噪声问题，并提出简单有效的解决方法。

关于芬兰技术研究中心VTT
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