第40卷第2期声学技术Vol.40, No.2
引用格式：吴飞, 余神志, 刘苏行, 等. 车用制动空气压缩机结构辐射噪声特性研究[J]. 声学技术, 2021, 40(2): 228-233. [WU Fei, YU Shenzhi, LIU Suhang, et al. Simulation and experimental study on the radiation noise characteristics of air compressor structure of vehicle brake[J]. Technical Acoustics, 2021, 40(2): 228-232.] DOI: 10.16300/jki.1000-3630.2021.02.013
车用制动空气压缩机结构辐射噪声特性研究
吴飞，余神志，刘苏行，吴泽昊，丁军，程科
(武汉理工大学，湖北武汉430070)
摘要：针对某公司生产的KYV480型号车用制动活塞式空气压缩机(简称：空压机)运行过程中，振动噪声较大，一定程度上影响了驾驶员和乘客的乘车舒适性和身心健康的情况，文章基于有限元和声学边界元联合求解的方法对空压机的结构表面辐射噪声特性进行研究。在计算得到空压机运行过程中壳体所受载荷的基础上，对空压机壳体表面的振动加速度响应进行仿真计算，并与实验得到的壳体振动加速度数据进行对比分析，两者吻合较好。将仿真计算得到的空压机壳体表面加速度作为声学仿真的边界条件，采取声学边界元法计算壳体表面辐射噪声。结果表明，空压机运行过程中的中低频噪声主要是由壳体振动辐射噪声引起的，为空压机后续的结构设计和改进提供了有效的指导。
关键词：空压机；结构噪声；瞬态动力学；声学边界元
中图分类号：TH457 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2021)-02-0228-06
Simulation and experimental study on the radiation noise
characteristics of air compressor structure of vehicle brake
WU Fei, YU Shenzhi, LIU Suhang, WU Zehao, DING Jun, CHENG Ke
(Wuhan University of Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan 430070, Hubei, China) Abstract: In view of the fact that the vibration and noise of KYV480 brake piston air compressor are relatively strong in its operation process, which affects the riding comfort and the physical and mental health of drivers and passengers to a certain extent, the radiation noise characteristics of the shell surface of air compressor are studied based on the joint solution of finite element method and acoustic boundary element method in this paper. On the basis of calculating the loads on the shell in its operation process of the air compressor, the vibration acceleration response of the shell surface of the air compressor is simulated and compared with the vibration acceleration data of the shell obtained from the experiment, and the results are in good agreement. Acoustic boun
dary element method is used to calculate the noise radiated from the surface of an air compressor shell. The results show that the medium and low frequency noise in the operation process of an air compressor is mainly caused by the radiation noise of the shell vibration, which provides an effective guidance for the subsequent structural design and improvement of the air compressor.
Key words: air compressor; structural noise; transient dynamics; acoustic boundary element
0 引言
空气压缩机(简称：空压机)作为客车刹车的气源装置，广泛应用于公交、客运等大型客车上，是车辆行驶过程中的主要噪声源之一[1]。按其产生机理主要分为结构噪声和空气动力性噪声，很多学者对空压机的空气动力性噪声都做了不同方面的研究，但是对由于结构振动引起的辐射噪声研究较少。
空压机的大部分零部件均被密封在机体内，所以空压机的部分噪声是由于机体的振动所导致的收稿日期: 2019-10-07; 修回日期: 2019-10-23
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助(191004005)。
作者简介：吴飞(1973－), 男, 河南叶县人, 教授, 研究方向为汽车零部件性能检测、机械振动分析。
通信作者: 余神志,E-mail:*****************(活塞连杆机构转动过程中产生的往复惯性力和气体力，通过轴承传递到机体上，进/排气口由于气流脉动导致的振动带动机体振动等)，但是无论是何种原因导致的机体振动，噪声均通过机体辐射出去。本文通过计算得到空压机运行过程中壳体所受载荷，采用ANSYS和LMS Virtual. Lab Acoustics软件联合仿真计算得到空压机的结构辐射噪声特性[2]。
1 空压机壳体载荷计算
本文的研究对象是某公司生产的型号为KYV480的活塞式空压机，如图1所示，为四个气缸两排呈V型布置，气缸中心线夹角为90°，额定转速为1 500 r·min-1，曲轴由内部的曲柄-连杆-活塞机构的三维模型图如图2所示。
第2期 吴飞等：车用制动空气压缩机结构辐射噪声特性研究 229
图1 KYV480的活塞式空压机 Fig.1
KYV480 piston air compressor
图2 曲柄-连杆-活塞机构
Fig.2 Crank-connecting rod-piston mechanism
空压机在运行过程中壳体载荷主要包括气缸内的摩擦力、气体力、活塞的侧向敲击力，曲轴通过两侧及中间支撑轴承对机体的作用力[3]。由于空压机运行过程中活塞侧向敲击力和各零部件处的摩擦力受
力部位不断变化，准确仿真其带来的振动效应有较大难度，同时经过计算表明这两种力的数量级是气体力和支撑力的1/8左右，故在研究空压机的振动响应时不考虑其带来的影响。
以气体力和中间轴承为例，以一定的时间步长进行离散化，计算单个气缸所受气体力和中间支撑轴承在空压机一个旋转周期0.04 s 内所受载荷随时间变化，结果如图3和图4所示。
图3 气体力随时间变化曲线
Fig.3
Variation curve of gas force with time
图4 轴承水平和竖直方向受力变化
Fig.4 Variation s of b earing f orce in h orizontal and
v ertical d irections
2 壳体振动响应计算与实验验证
2.1 振动响应仿真分析
建立KYV480的活塞式空压机壳体的三维模型，并进行网格划分。根据实验测试结果发现空压机壳体x 、y 、z 三个方向的频率f 主要集中在400 Hz 以下，根据NEWMARK 积分方案时间步长∆t =1/(20f )，所以本文选择0.04 s/400=0.000 1 s 作为时间步长。网格单元尺寸为4 mm ，网格的平均质量为0.73(0为最差，1为最好)，基本满足仿真精度需求。壳体的有限元模型如图5所示。对空压机进行瞬态动力学分析，约束空压机的四个机脚处各节点的6个自由度，同时将底座视为完全刚性[4]，此种处理方式对空压机的整体的动态响应影响较小。
图5 空压机壳体模型的监测点布设
Fig.5 Arrangement of the measuring points on the air compressor shell model
选择计算总时间为一个旋转周期0.04 s ，载荷步长为400步。整机振动工况为空压机转速1 500 r·min -1，约束条件和激励力如上所述。由于空压机机体辐射噪声仿真分析是以加速度为噪声的计算边界条件，此处给出空压机壳体在时间t =0.01 s 时的加速度云图以及对应实验验证测点的加速度
曲线分别如图6、
7、8所示，图中g 为重力加速度，取值为9.8 m·s -2。
由图7和图8可以看出：(1)由于气缸盖所受气体力较大，同时刚度较小，所以加速度幅值较大，对应的振动也较剧烈，是结构辐射噪声主要的结构关注部位，也是后面减振降噪主要的研究对象；(2)机体加速度幅值在x 、z 方向上较大，是由于轴承传递给机体的激励力主要作用在x 、z 方向上的缘故，由于机体整体噪声辐射面积较大，且加速度也与整机的振动水平有关，如果整机的振动水平较高，空压机机体的加速度也会相对较大，而不平衡力及不平衡力矩的大小是影响整机的振动水平的重要因素，所以要降低控制整机的振动水平，就必须降低不平衡力及不平衡力矩的数值[5]。
230 声 学 技 术 2021年
图6 空压机壳体模型在t =0.01 s 时的加速度云图
Fig.6 Acceleration nephogram of the air compressor shell model at t
=0.01 s
图7 空压机壳体模型缸盖处的x 、y 、z 方向加速度 Fig.7 Acceleration s in x , y and z directions measured at the cylinder head of the air compressor shell model
图8 空压机壳体模型机体机体处的x 、y 、z 方向加速度 Fig .8 Acceleration s in x , y and z directions measured at the body of air compressor shell model
2.2 空压机机体振动测试
KYV480空压机机体振动测试是在额定工况下，转速为1 500 r·min -1，采用NI 公司的PXIe-4492动态信号分析仪和加速度传感器，在空压机机体上选择缸盖测点一和机体测点二，如图9和图10所示。测量空压机运行过程中的振动加速度信号，以便更好地了解空压机运行过程中由于机体振动向外部辐射的
噪声。同时与瞬态动力学仿真的振动加速度信号对比，验证模型和激励的正确性，为下一步对结构噪声的准确仿真和分析提供依据[6]。测试结果如图11和图12所示。
从时域曲线中明显可以看出，仿真得到的加速度要小于实验测得的加速度，但是从时域信号中能看出的信息有限，分别将试验和仿真的数据经傅里叶变换转换到频域中，以便能够更清晰地对比验证仿真结果和可靠性。以缸盖测点一为例分别对比试验和仿真x 、y 、z 三个方向的加速度频域分布如图
图9 KYV480空压机振动测试时在缸盖处的测点 Fig.9 Measuring point at the cylinder head of KYV480
air compressor
图10 KYV480空压机振动测试时在机体处的测点 Fig.10 Measuring point at the body of KYV480
air compressor
图11 缸盖测点处的加速度曲线
Fig.11
Acceleration curve at the cylinder head measuring point
图12 机体测点处的加速度曲线
Fig.12 Acceleration curve at the body measuring point
13～15所示。
分析图13～15可知，缸盖表面振动加速度在频域范围内，主要振动频率仿真数据与实验数据基本一致。因为空压机额定转速为1 500 r·min -1，空压机为V 型立式四缸结构，x 方向主要频率集中在100 Hz ，幅值为0.54 g ；y 方向主要频率集中在150 Hz 和225 Hz ，最大幅值为0.45 g ；z 方向主要频率集中在200 Hz 和225 Hz ，对应的幅值分别为0.16 g 和0.158 g 。对比缸盖的实验和仿真振动数据可知，实验测得的加速度幅值整体大于仿真得到的数据，这是由于仿真计算的边界条件忽略了空压机
第2期 吴飞等：车用制动空气压缩机结构辐射噪声特性研究 231
图13 在x 方向加速度频谱的实验与仿真结果对比
Fig.13 Comparison between the tested and simulated acceleration spectrums in the x direction
图14 在y 方向加速度频谱的实验与仿真结果对比 Fig.14 Comparison between the tested and simulated acceleration spectrums in the y
direction
图15 在z 方向加速度频谱的实验与仿真结果对比 Fig.15 Comparison between the tested and simulated acceleration spectrums in the z direction
运行过程中的摩擦力、不平衡惯性力、二阶往复惯性力等激励力，以及对模型做了一定的简化，导致
仿真数据与实际的实验数据有一定的差距，但趋势基本一致，说明模型比较准确，能够在一定程度上反映空压机的工作特性。
3 声学仿真及结果分析
将空压机结构网格模型导入 Virtual. Lab Structure-cavity 软件，从结构网格直接提取面网格。由于空压机的噪声以中低频为主，这里选择计算0～5 000 Hz 内的噪声，根据计算频率范围粗化网格，以满足声学网格标准。网格模型如图16所示。用于结果输出的场点网格(传声器位置)则可以通过各种标准形状(球面、半球面、盒子、平面等)建立，
以获取结构噪声在空气中以及工作空间的传播特性[7]。声学场点网格根据《GB/T 4980-2003 容积式
压缩机噪声的测定》[8]
中规定的测量表面建立，测量距离距空压机每个侧面为1 000 mm ，监测点分布如图17所示，共9个监测点。
图16 空压机声学边界元网格模型
Fig.16 The acoustic boundary element mesh model of
air compressor
图17 六面体网格模型的9个监测点布设 Fig.17 Layout of the nine measuring points on the hexahedron mesh model
将瞬态动力学分析的结果即空压机结构表面节点的加速度时域结果导入Virtual. Lab Acoustics 软件进行FFT 频谱变换，转化为在频域的加速度响应，然后将空压机结构表面的频域加速度响应转移到声学边界元网格上，作为结构辐射噪声的边界条件，进行声场分布计算和场点计算。定义流体材料和属性，采用直接边界元法计算机体声场分布，进一步再计算场点网格的声学参数[9]。以400、800、1 500、2 000 Hz 为例，计算结果如图18所示。
由图18可知，频率较低时，声压较大的部位主要集中在气缸盖的周围和机体两侧和中间支撑轴承，其他部位声压相对较低。这主要是由于气体力和轴承支撑力主要集中在低频区域，周期性的冲击气缸和壳体导致壳体的周期性振动，辐射出低频噪声[10]。
提取出六面体辐射声场中的机体两侧和中间支撑轴承2、4、5三个测点在A 计权下的声压频率响应曲线，如图19所示。由三个监测点在0～5 000 Hz 范围内频率响应可知：(1) 空压机机体结构辐射噪声主要以中低频为主，高频噪声成分较少；(2) 结构辐射噪声主要来源于缸盖和轴承座附近，符合空压机工作时的受力特征，在缸盖和轴承
232 声 学 技 术 2021年
(a) 400 Hz 辐射声场声压云图
(b) 800 Hz 辐射声场声压云图
(c) 1 500 Hz 辐射声场声压云图
(d) 2 000 Hz 辐射声场声压云图
图18 不同频率的六面体辐射声场声压分布云图
Fig.18 Nephograms of the sound pressure distribution on the
hexahedron at different frequencies
图19 不同测点处的声压频率响应曲线
汽车辐射Fig.19 Frequency response curves of sound pressures at different measuring points
座附近，1 000 Hz 以下辐射噪声占主要地位，在大于1 000 Hz 时，辐射噪声逐渐减小；(3) 气缸盖周围最大辐射噪声值出现在频率400 Hz 时，最大值为84.392 dB(A)，机体左右侧轴承座周围的最大噪声值出现在频率400 Hz 时，最大值为79.38 dB(A)和77.18 dB(A)。
4 实验验证
在空压机额定工况下，采用NI 公司的PXIe-4492动态信号分析仪和NI 公司与G.R.A.S. Sound & Vibration 携手合作开发的测量级传声器搭建空压机声压测试平台，对空压机5号测点的声压进行采集测试。由于空压机结构辐射噪声主要以中低频为主，实验时测试空压机运行过程中5 000 Hz 以下的噪声，验证仿真结果的正确性，测试场景如图20所示。
图20 噪声声压级的测试场景
Fig.20 Test scenario for noise sound pressure level
1/3倍频程上声压级分布测试结果如图21所示，由图可知，空压机运行过程中测点5的声压级主要分布在400 Hz 和800 Hz 附近，其中400 Hz 时达到峰值，为86.1 dB(A)。超过1 000 Hz 的部分，声压级主要集中在1 250 Hz 和2 500 Hz 附近，声压级为60 dB(A)左右。
对5号测点仿真结果进行1/3倍频程处理，图22为测点5处的实验与仿真数据1/3倍频程对比图。对比实验和仿真可知，在2 000 Hz 以下的中低频区域，实验测得的空压机运行过程中的噪声声压级分布吻合较好，峰值频率较为接近，均在400 Hz 时到达峰值，实验测得峰值为86.1 dB ，仿真数据峰值为84.4 dB ，两者同时在800 Hz 和1 250 Hz 时达到较大值。但是比发现，仿真数据均略小于实验数据，这是由于仿真计算的边界条件忽略了空压机运行过程中的摩擦力、不平衡惯性力、二阶往复惯性力等激励力，以及对模型做了一定的简化，导致仿真数据与实际的实验数据有一定的差异，但是中低频区域的趋势基本一致。2 000～5 000 Hz 频段的实验与仿真数据差距较大，实验数据远远大于仿真
发布评论