汽车排气阶次噪声与气流噪声试验平台

为了能对消声结构的气流噪声进行试验分析和验证，搭建了气流噪声试验平台。气流噪声试验平台主要由冷流试验台和气流噪声测试系统组成。

（1）冷流试验台。

冷流试验台的构造如图6.30所示。

图6.30　冷流试验台构造示意

冷流试验台主要由三叶罗茨风机、冷凝器、气罐、迷宫消声器、半消声室、传感器、自动控制阀门以及自动化控制柜几大部件组成，其实物如图6.31所示。

图6.31　冷流试验台实物

三叶罗茨风机有三个叶片，可以有效减小排出气流的波动。风机采用变频控制柜进行转速控制，实现0～1 500 r/min的无级转速调节，风机在最高转速时最大体积流量可达22 m3/min。风机在最高转速时，在各种排出压力下进口状态风量如图6.32所示。

图6.32　不同排出压力下风机进风量

注：标准状态，20°C，绝对压力 101.3kPa，相对湿度 65％。

从图6.32可以看出，风机的进风量受排出压力的影响较小，从而能够保证在各种测试中提供稳定的气流量。

但三叶罗茨风机随着工作时间的增加，出口气流的温度会持续上升，最高能接近 100°C。温度的升高会使得声波的传播性质以及空气特性发生变化，进而影响流噪声的产生。为保持前后试验测量温度的一致性，在风机出口加装冷凝器，保证不同测试温度变化波动在5％以内。另外冷凝器的多孔结构也可以消除风机产生的中高频噪声。罗茨风机的转速频率在 50 Hz以下，会产生低频的压力波动。为了消除由风机带来的低频气流波动，在冷凝器的后端加装一个3 m3的储气罐，起到稳压和消除低频噪声的作用。紧接气罐后面装了迷宫式阻性消声器，主要是为了消除台架上游系统所产生的中高频气动噪声，同时也为台架测试端的入口形成一个无反射端环境，消除上游端声波反射的影响。

台架系统管内流速的测量精度是试验台的重要性能指标，直接影响气流噪声测试结果。本书中冷流试验台的流速采用V形锥差压式流量计，流量计的构造如图6.33所示。流量计中悬挂在管道中心轴线上的锥体起到良好的整流功能。当流体流经锥体元件时，在其节流作用下流场会从非稳定流变化成为恒（常）流，从而在锥体节流元件的上游管段部分达到差压式流量测量原理所需要的理想条件，保证了流量计测量的精度。试验台上采用的 V形锥差压式流量计的量程比可达到 50∶1，精度等级为±0.5％，重复精度为0.1％。

图6.33　V形锥差压式流量计构造

V形锥差压式流量计测量原理见式（6.14）。

式中　Qv——体积流量；

K——节流系数，与节流件形式（流速收缩系数）、直径比、取压方式、雷诺数及管道粗糙度有关；(https://www.xing528.com)

ξ——气体膨胀系数；

PH——上游取压管的高压；

PL——下游取压管的低压。

冷流试验台的自动化控制柜采集V形锥差压式流量计、热电偶、压力计以及湿度计的电信号，通过计算可获得台架出口实际流速，然后再通过 PID算法自动控制风机转速、旁通阀和减压阀的开度，从而获取期望流速。在旁通阀全关、减压阀全开时，管内流速与风机转速的关系如图6.34所示。

图6.34　冷流试验台管内流速与风机转速关系

（2）气流噪声测试系统。

气流噪声测试系统安装于冷流试验台的末端，位于消声室内，用于测量膨胀腔的流噪声，其结构示意及实物如图6.35所示。

图6.35　气流噪声测试系统示意及实物

测试系统中用到4支传声器，其中两支为G.R.A.S公司生产的Type 40SA型探针式传声器，另外两支为G.R.A.S公司生产的Type 26CA型自由场传声器。传统的管内声压信号测量方式一般是将传感器固定在管壁上，取管壁处的声压信号。但当管内通有气流时，气流会因壁面安装座上的孔隙或台阶产生扰动，并产生噪声，从而影响测量的精确性。而本试验中将两支探针式传声器的探针通过安装座直接探入管道中心处，获取管道中心处的声信号，可以有效减小管壁处噪声的影响。由于探针的直径（1.2 mm）与管道直径之比为2.5％，对流体的影响基本可以忽略，因而能够保证测量不会引入其他噪声的干扰。另外两支自由场传感器安装于尾管口处，与管口分别相距 1 000 mm和500 mm，并与管道轴线成45°角，用于测取膨胀腔内部辐射出来的噪声。为了减轻地面反射对尾管辐射噪声的影响，使辐射环境接近全自由场的声场条件，在尾管口处的地面上放置了较大面积的尖劈。四支传声器的电信号由 LMS公司的TypeSCM02型数据分析仪采集并进行频谱分析。

采用气流噪声测试系统测得的消声室的背景噪声如图6.36所示。

图6.36　消声室内背景噪声声压级

将旁通阀全开、减压阀全闭，即管内无气流时，管内的噪声声压级随风机转速变化的曲线如图6.37所示。

图6.37　管内的噪声声压级随风机转速变化曲线

测试管段安装直管，远场辐射噪声声压级随流速变化的曲线如图6.38所示。从图中可以看出，随着冷流台中流速的增高，直管的远场辐射噪声声压级也逐渐增高，但总体保持在较低的声压级水平。

图6.38　直管辐射噪声声压级随流速变化曲线