10.16638/jki.1671-7988.2020.18.044
基于Virtual Lab研究影响空气滤芯消声
能力的因素
李光武，王志强
（华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁沈阳110000）
摘要：进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一，它直接影响着车内噪声和通过噪声，从而影响着驾乘人员的驾乘感受和能否满足通过噪声的法规要求。空气滤清器作为进气系统的关键零部件之一，它不仅仅起到保护发动机的能力，还具备着降低进气系统噪声的能力。空气滤芯作为多孔介质，不仅能吸收噪声，还可以通过多孔区域将声能转化为热能从而消除噪声，而影响空气滤芯降噪能力的因素主要为流阻率、孔隙率和结构因子，而三个因素是如何影响空气滤芯的消音能力就需要通过仿真分析进行验证。文章通过Hyper mesh和Virtual Lab软件进行传递损失联合仿真分析，验证各个因素对滤芯消声能力的影响。
关键词：空气滤芯；Hyper mesh；Virtual Lab；传递损失
中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)18-131-03
Using Virtual Lab to Valid Factors Effect Ability of Noise Elimination
of Air Filter Element
Li Guangwu, Wang Zhiqiang
( Brilliance Auto R&D Center, Powertrain Integrated Technology Section, Liaoning Shenyang 110000 )
Abstract: Noise of intake system is one of the main noise souse of vehicle, it affects noise level of driving cab and bass-by noise directly, thus driving feeling and regulation of bass-by noise will be affected. As a main component of vehicle, air filter box not just protects engine, also has ability of noise elimination. As a porous material, air filter element can absorb noise, also can transfer acoustic power to heating power and eliminate noise. There are three factors influence ability of noise elimination of air filter element, they are flow resistivity, porosity and tortuosity, we need to valid how the factors impact ability of noise elimination by simulation. Hyper mesh and Virtual Lab will be used to simulate transmission loss of air filter box and valid factors effect ability of noise elimination.
Keywords: Air filter element; Hyper mesh; Virtual Lab; Transmission loss
CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)18-131-03
1 前言
在进气系统前期开发阶段，流场仿真分析、声学仿真分析和结构模态仿真分析是设计和优化的主要依据。项目开发初期，NVH工程师会根据项目需求提出进气系统传递损失要求，而传递损失直接影响着进气系统的消声能力和进气口噪声性能，从而影响着驾驶室噪声水平和整车通过噪声，传递损失在前期无法通过样件进行台架验证的前提下，我们可以
作者简介：李光武，进气系统工程师，就职于华晨汽车工程研究院
动力总成综合技术处，研究方向：传递损失仿真分析。
131
汽车实用技术
132 通过传递损失仿真分析去计算进气系统消声能力。
空气滤芯作为空气滤清器吸声[1]和消声的主要零部件，它的特性是研究空气滤清器的传递损失分析的主要方向。
2 滤芯的声学参数
2.1 流阻率
流阻率为流阻为材料两边的静压差和流速之比，通常多孔吸声材料的流阻率为5×103～6×104Pa ·s/m 2[2]。为了对比流阻率对空气滤清器传递损失的影响，空气滤芯的流阻率分别取5000 Pa ·s/m 2、8000 Pa ·s/m 2和10000 Pa ·s/m 2。 2.2 空隙率
孔隙率为气孔体积与材料总体积之比，多孔材料的孔隙率一般都大于70%，滤纸的空隙率相对高一些，一般达90%以上[3]
。为了对比流阻率对空气滤清器传递损失的影响，空气滤芯的流阻率分别取75%、90%和97%。 2.3 结构因子
结构因子是影响多孔材料微观结构声学特性的一个量，其数值一般为1～10[3]。为了对比流阻率对空气滤清器传递损失的影响，空气滤芯的结构因子分别取2、4和6。
3 建立有限元及空气滤芯声学参数
3.1 有限元网格建立
使用Hyper mesh 划分空气滤清器壳体和空气滤芯的3D 网格，网格大小为2mm ，壳体网格数量为1,181,103个，空气滤芯网格数量为359,096个，如图1。
图1  空滤壳体和滤芯网格&边界条件
3.2 边界条件设置
根据声学特性，将实际的空气滤清器进口设置为声学出口，实际的空气滤清器出口设置为声学进口，空气滤芯设置成多孔材料，空气滤芯区域设置为吸声流体区域，如图1。 3.3 空气滤芯参数建立
3.3.1 验证流阻率的影响 3.3.2 验证孔隙率的影响
表1  验证流阻率影响的空气滤芯参数
表2  验证孔隙率影响的空气滤芯参数
3.3.3 验证结构因子的影响
表3  验证结构因子影响的空气滤芯参数
4 仿真分析及结果
4.1 不同流阻率的空气滤清器传递损失仿真结果
图2为孔隙率和结构因子相同，流阻率分别为5000 Pa ·s/m 2、8000 Pa ·s/m 2和10000 Pa ·s/m 2的空气滤芯的空气滤清器传递损失仿真分析结果。
图2  不同流阻率的空气滤清器传递损失仿真结果
仿真分析结果分析：
空气滤芯流阻率为10000 Pa ·s/m 2的空气滤清器整体的传递损失要大于流阻率为8000 Pa ·s/m 2空气滤清器，大于流阻率为8000 Pa ·s/m 2空气滤清器，在200～400Hz 较为明显。 4.2 不同孔隙率的空气滤清器传递损失仿真结果
图3为流阻率和结构因子相同，孔隙率分别为75%、90%
和97%的空气滤芯的空气滤清器传递损失仿真分析结果。
图3  不同孔隙率的空气滤清器传递损失仿真结果
李光武 等：基于Virtual Lab 研究影响空气滤芯消声能力的因素
133
仿真分析结果分析：
空气滤芯的空隙率对空气滤清器的传递损失是有影响的，但与流阻率和孔隙率不同，孔隙率的影响是阶段性的，在低频和中高频范围内，孔隙率小，传递损失较好。 4.3 不同结构因子的空气滤清器传递损失仿真结果
图4为流阻率和孔隙率相同，结构因子分别为2、4和6的空气滤芯的空气滤清器传递损失仿真分析结果。
图4  不同结构因子的空气滤清器传递损失仿真结果
仿真分析结果分析：
空气滤芯结构因子为6的空气滤清器整体的传递损失要大于结构因子为4的空气滤清器，大于结构因子为2空气滤清器，在中高频较为明显。
5 结论
根据仿真分析结果可知，空气滤芯的流阻率、孔隙率和结构因子都会对空气滤清器的传递损失结构产生影响：
（1）空气滤芯的流阻率越大，空气滤清器的传递损失越大，但不明显，区别在1～2dB 之间；
（2）在低频和中高频范围内，孔隙率越小，空气滤清器的传递损失越好，在650～900Hz 范围反之；需要注意的是，孔隙率越小，空滤的压降性能会产生不好的影响，需要平衡压降性能和传递损失性能；
（3）空气滤芯的结构因子越大，空气滤清器的传递损失越好，在中高频最为明显。
参考文献
[1] 方丹.空气动力性噪声与消声器[M].北京：北京科学出版社,1978:
110-120.
[2] 李增刚.SYSNOISE REV5.6详解[M].北京：国防工业出版社,2005:
75-79.
[3] 贾维新.发动机结构噪声和进气噪声的数字化仿真及优化设计研
究[D].杭州：浙江大学,2008:138.
（上接第127页）
得出其固有频率与振型，确定了车身结构容易受到外部激励而形成共振的频率段。
（3）通过模型的建立，可以为后续的低频噪声的频响分析和与实测测试对比验证模型有效性做铺垫。对产品的正向设计提供可靠的支撑。
参考文献
[1] 高中美，曾发林.车室噪声预估及声-固耦合有限元分析[B].拖拉机
与农用运输车.2006.2.
[2] S.H.Sung.Automotive applications of Three-dimensional acoustic
finite element methods. SAE paper 810397.
[3] S.H.Sung.A coupled structure-acoustic finite element model for
vehicle interior noise Analysis.Transation of the ASME vol. 106. 1984.
[4] D. J.Nefske. Vehicle interior acoustic design using finite element
methods Int, J. Of Vehicle design .vol6 no. 1 .1985.
[5] D.J.Nefske. Automobile interior noise prediction using a coupled
structure-acoustic finite element model.Int. J. of vehicle design. V ol. 6 no.l 1986.
[6] 刘美志，杨鄂川，刘伟.某特种车车内低频噪声分析与改进[J].噪声空气动力汽车
与振动控制,2016,36(02):121-125.