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燃料電池轎車是以采用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)的零排放新型環(huán)保汽車，其動(dòng)力總成、傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)方式等與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有很大的不同，因此噪聲源發(fā)生了很大的改變。試驗(yàn)測(cè)試表明[i-4]，在燃料電池轎車的怠速工況下，旋渦石家莊風(fēng)機(jī)和氫泵輻射的噪聲和傳遞的振動(dòng)最為突出，特別是旋渦石家莊風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量大，氣流速度快，高頻的嘯叫聲極大地影響了燃料電池轎車的聲品質(zhì)，因此旋渦石家莊風(fēng)機(jī)噪聲的研究受到越來越多的關(guān)注。石家莊風(fēng)機(jī)的噪聲主要由石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部的湍流及流體與固體之間相互作用產(chǎn)生的?？偟膩碚f，石家莊風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲大于結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲。因此一直以來，風(fēng)機(jī)噪聲研究的熱點(diǎn)都是氣動(dòng)噪聲[5。6]，這些研究大都采用聲類比方法，且大都假設(shè)聲音是在自由空間傳播的，沒有考慮聲音在殼體表面的反射、衍射、散射現(xiàn)象，也沒有考慮非定常流場(chǎng)作用下殼體振動(dòng)引起的噪聲。燃料電池車上旋渦石家莊風(fēng)機(jī)在使用現(xiàn)場(chǎng)時(shí)進(jìn)出口都連接著管道，內(nèi)部的氣流封閉在機(jī)殼和管道內(nèi)，氣動(dòng)噪聲是通過流體激勵(lì)引發(fā)機(jī)殼振動(dòng)從而向外傳播，此時(shí)通常采用各種消聲器來控制石家莊風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲，能夠取得良好的降噪效果。然而，此時(shí)石家莊風(fēng)機(jī)廠殼體振動(dòng)輻射出來的結(jié)構(gòu)噪聲就顯得越來越重要，往往上升為主要的噪聲成分，必須予以重視。文獻(xiàn)[7]探討了殼體的固有頻率、聲腔共振頻率和石家莊風(fēng)機(jī)噪聲之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[8]計(jì)算了石家莊風(fēng)機(jī)殼體外部聲學(xué)特性，對(duì)石家莊風(fēng)機(jī)機(jī)殼進(jìn)行了模態(tài)分析和噪聲預(yù)測(cè)，然而這些工作都沒有考慮到石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)殼體的作用。
石家莊風(fēng)機(jī)殼體在非定常氣動(dòng)載荷作用下的受迫振動(dòng)屬于微小位移振動(dòng)，忽略其對(duì)流場(chǎng)的反向作用不會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)計(jì)算出現(xiàn)較大誤差[9]。筆者利用FLU—ENT計(jì)算石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維非定常流場(chǎng)，得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)下的脈動(dòng)壓力信號(hào)，然后將內(nèi)流場(chǎng)作用下的氣動(dòng)載荷加載到殼體上，使用ANSYS軟件計(jì)算石家莊風(fēng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。筆者還進(jìn)行了燃料電池車上石家莊風(fēng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果對(duì)比，為殼體振動(dòng)聲輻射機(jī)理研究打下基礎(chǔ)，也為降低石家莊風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲輻射的研究作準(zhǔn)備。
燃料電池轎車旋渦石家莊風(fēng)機(jī)的聲振特性試驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行：a．在石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000，1 400，1800，2 200，2 600，3 000，3 400和3 800r／min的各穩(wěn)定工況下進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)噪聲信號(hào)采集，采樣時(shí)間為20 s，得到各個(gè)穩(wěn)態(tài)工況下的振動(dòng)噪聲情況；b．在轉(zhuǎn)速?gòu)? 000～3 800 r／rain的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行振動(dòng)噪聲信號(hào)采集。采用信號(hào)處理軟件Head公司的Artimes7．0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，考慮到篇幅限制，這里給出2600 r／m{rt穩(wěn)態(tài)工況下的石家莊風(fēng)機(jī)中部振動(dòng)加速度頻譜圖和前側(cè)噪聲頻譜圖(見圖2)。測(cè)量分析數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示，頻率范圍為20-～2 000Hz。根據(jù)旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力機(jī)械旋轉(zhuǎn)噪聲理論，2600 r／min下的旋渦石家莊風(fēng)機(jī)諧波的基頻為43．3 Hz。從石家莊風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度頻譜圖看出，石家莊風(fēng)機(jī)廠10倍頻處433．6 Hz及其諧波頻率振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于其他頻率；從石家莊風(fēng)機(jī)噪聲頻譜圖中也可以看出，石家莊風(fēng)機(jī)在433 Hz及其諧波峰值頻率出現(xiàn)噪聲峰值。同樣石家莊風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下轉(zhuǎn)速為3000～3 800 r／min時(shí)，石家莊風(fēng)機(jī)廠噪聲峰值頻率也出現(xiàn)10倍頻，即500和S32 Hz處，因此有必要對(duì)石家莊風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速下10倍頻及其諧波噪聲成因進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步實(shí)施降噪控制。旋渦石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)認(rèn)為是三維粘性不可壓縮動(dòng)，數(shù)學(xué)模型采用三維雷諾守恒型N—S方程和RNGk-￡湍流模型，控制方程采用隱式耦合算法，取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。葉輪和進(jìn)出口及葉輪和殼體之間采用動(dòng)靜交接面的網(wǎng)格滑移技術(shù)，取葉輪轉(zhuǎn)速為3000 r／min，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為7．27×10一，每步迭代次數(shù)為30次，滿足收斂要求。
將試驗(yàn)測(cè)量得到的殼體振動(dòng)響應(yīng)和計(jì)算所得的加速度幅值一頻率圖進(jìn)行對(duì)比，如圖8，9所示。在3點(diǎn)和4點(diǎn)處，試驗(yàn)測(cè)得的石家莊風(fēng)機(jī)10倍頻、42倍頻處石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度幅值明顯比其他頻率振動(dòng)幅值大。在殼體模態(tài)分析中，殼體第1階固有頻率接近石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)載荷激勵(lì)頻率，兩者發(fā)生共振使殼體向外輻射噪聲。于是，當(dāng)石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 600 r／min以上時(shí)，石家莊風(fēng)機(jī)所受氣動(dòng)載荷激振頻率與石家莊風(fēng)機(jī)某一階固有頻率接近，發(fā)生一定程度共振，使得石家莊風(fēng)機(jī)殼體振動(dòng)被放大，向外輻射噪聲。表3給出了有限元模擬的石家莊風(fēng)機(jī)在內(nèi)流場(chǎng)作用下的石家莊風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值和試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果比較，在測(cè)點(diǎn)4處，石家莊風(fēng)機(jī)20倍頻附近處仿真與試驗(yàn)結(jié)果有較大的偏差，可能因?yàn)榧铀俣葌鞲衅魑恢脛偤迷谑仪f風(fēng)機(jī)殼體上下端蓋連接附近，而有限元沒有考慮連接剛度的影響，從而導(dǎo)致有限元模擬和試驗(yàn)結(jié)果有偏差。整體上有限元仿真的結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，說明筆者較為準(zhǔn)確地模擬了石家莊風(fēng)機(jī)殼體在脈動(dòng)壓力下的動(dòng)力響應(yīng)。