一种燃料电池车用多腔体消声器设计方法与流程

1.本发明涉及燃料电池汽车降噪技术领域，尤其是涉及一种燃料电池车用多腔体消声器设计方法。


背景技术：

2.燃料电池汽车(fcv)是一种采用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。燃料电池汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。随着环境问题和能源问题的日益突出，燃料电池汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点。
3.然而，由于燃料电池汽车缺少发动机的掩盖作用，使得燃料电池空压机的噪声成为了燃料电池车的主要噪声源，尤其影响乘坐舒适性。燃料电池堆对进气的要求很高，因此当消声器用于燃料电池空压机排气端降噪时，必须具有低流阻、不污染气体的特点，在实际应用中，车用燃料电池堆的工况多变，空压机的匹配转速范围宽，这导致空压机气动噪声在车用工况下的频带很宽。因此为了保证舒适性，有必要在满足低流阻及不污染气体的要求前提下，提出一种宽频带消声器的设计方法。
4.中国专利cn110500261a提出一种氢燃料电池系统排气消声器，其在内层网孔板和消音器筒体之间的腔体中填充了消音棉，尽管它可以达到较宽频段的高频消声能力，但是当它用于空压机排气端降噪时，消音棉的存在可能会引起燃料电池堆的进气污染，从而破坏电堆；中国专利cn109737066a提出一种燃料电池用空气压缩机消声装置，其占用空间小，但是流道弯曲复杂，会使流经消声器的气体产生较大的压力降，可能导致进气压力不足，影响燃料电池堆的输出性能；中国专利cn103256258a提出一种用于燃料电池汽车空气辅助系统的消声器，但其难以满足降低高频噪声的需求，且无法确定消声器最佳消声器腔体数目，也不能有效降低空压机的阶次噪声，无法达到最优的降噪效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池车用多腔体消声器设计方法，以实现一种低流阻宽频带消声器，能够有效抑制高频噪声，提高降噪效果。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池车用多腔体消声器设计方法，包括以下步骤：
7.s1、选用微穿孔直通管作为多腔体消声器的内部流道；
8.s2、获取燃料电池空压机的加速噪声频谱，以得到该燃料电池空压机对应的主要阶次噪声；
9.s3、通过比较主要阶次噪声与目标噪声的声压级，确定燃料电池空压机的降噪量
要求，并构建消声器目标传递损失曲线以满足该降噪量要求；
10.s4、计算有限布置空间体积下的最佳消声器腔体数目，并结合目标传递损失曲线，确定消声器各腔体的结构参数，完成多腔体消声器的设计。
11.进一步地，所述步骤s1中微穿孔直通管包括直通管，所述直通管的管壁上开设有多个微穿孔，所述微穿孔的直径小于1mm。
12.进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：
13.s21、利用声压计测量燃料电池空压机在加速工况下的噪声数据；
14.s22、对步骤s21测量得到的噪声数据进行数据处理，得到对应的加速噪声频谱；
15.s23、从加速噪声频谱中提取出主要阶次噪声，所述主要阶次噪声的数值大于设定的目标噪声数值。
16.进一步地，所述步骤s3具体是通过以下公式确定降噪量要求：
17.nr
nth order noise
＝spl
nth order noise
‑
spl
objective
18.其中，nr
nth order noise
为空压机第n阶次噪声所需要的降噪量，spl
nth order noise
为空压机第n阶次噪声的声压级，spl
objective
为目标噪声的声压级。
19.进一步地，所述步骤s3中消声器目标传递损失曲线上的所有数据点均大于降噪量要求的数值。
20.进一步地，所述步骤s4具体包括以下步骤：
21.s41、根据单位腔的传递损失峰值，计算得到有限布置空间体积下的最佳消声器腔体数目；
22.s42、基于最佳消声器腔体数目，构建对应的多腔体消声器传递损失二维解析模型；
23.s43、结合多腔体消声器传递损失二维解析模型以及目标传递损失曲线，构造目标函数；
24.s44、对目标函数进行求解计算，以得到对应于目标函数取值最小的消声器各腔体的结构参数。
25.进一步地，所述步骤s41中计算最佳消声器腔体数目的公式具体为：
26.n＝tl
peak
/a
27.其中，a为单位腔的传递损失峰值，tl
peak
为多腔体消声器的传递损失峰值，n为消声器的腔体数。
28.进一步地，所述步骤s42中多腔体消声器传递损失二维解析模型具体为：
29.tl
muffler
＝h(f,l1,...,l
m
,d1,...,d
m
,d1,...,d
m
,t1,...,t
m
,σ1,...,σ
m
)
30.其中，tl
muffler
为消声器的传递损失曲线，m为腔体总数目，f为频率，l为腔体的长度、d为膨胀腔直径、d为腔体的穿孔直径、t为腔体的穿孔板厚度、σ为腔体的穿孔率。
31.进一步地，所述目标函数具体为：
[0032][0033]
其中，f
max
为消声器设计过程的最大频率，tl
objective
为消声器的目标传递损失曲线。
[0034]
进一步地，所述步骤s44具体是采用遗传算法对目标函数进行求解计算。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0036]
一、本发明采用微穿孔直通管作为多腔体消声器的内部流道，通过在直通管管壁上开设多个微穿孔，不仅可以极大地降低消声器的流阻，而且可以很好地提升消声器的降噪效果，由于消声器内部无填充物，因此也不会对流经消声器的气体产生污染；此外，本发明提出的多腔体消声器能够获得很宽的降噪频带、对高频噪声具有很好的抑制效果。
[0037]
二、本发明根据单位腔的传递损失峰值来确定最佳消声器腔体数目，能够在给定布置空间体积下得到最佳消声器腔体数目，由此保证消声器结构设计的可靠性。
[0038]
三、本发明提出的设计方法通过测量空压机加速噪声频谱、提取主要阶次噪声、确定目标传递损失曲线以及构造目标函数并求解，即可准确地得到消声器各腔体对应的结构参数，不仅避免了复杂的有限元计算，能够根据空压机噪声特征，快速设计消声器的结构参数，大大提高消声器的开发效率，而且将空压机的阶次噪声作为主要降噪目标，能够达到最优的降噪效果。
[0039]
四、本发明提出的设计方法对于各种类型的燃料电池空压机都适用，具有普适性。
附图说明
[0040]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0041]
图2为实施例中消声器的截面结构示意图；
[0042]
图3为实施例中燃料电池空压机的主要阶次噪声曲线图；
[0043]
图4为实施例中给定空间体积下最佳腔体数目确定方法；
[0044]
图5为实施例中设计消声器的传递损失解析模型结果图；
[0045]
图6为实施例中消声器传递损失实验测量值与解析模型值的对比图；
[0046]
图7为实施例中燃料电池空压机安装消声器前后各工况下总声压级的对比图；
[0047]
图8为实施例中消声器的流阻实验曲线图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0049]
实施例
[0050]
如图1所示，一种燃料电池车用多腔体消声器设计方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、选用微穿孔直通管作为多腔体消声器的内部流道，其中，微穿孔直通管包括直通管，直通管的管壁上开设有多个微穿孔，微穿孔的直径小于1mm；
[0052]
s2、获取燃料电池空压机的加速噪声频谱，以得到该燃料电池空压机对应的主要阶次噪声，具体的：
[0053]
首先利用声压计测量燃料电池空压机在加速工况下的噪声数据；
[0054]
之后测量得到的噪声数据进行数据处理，得到对应的加速噪声频谱；
[0055]
最后从加速噪声频谱中提取出主要阶次噪声，主要阶次噪声的数值大于设定的目标噪声数值；
[0056]
s3、通过比较主要阶次噪声与目标噪声的声压级，确定燃料电池空压机的降噪量要求，并构建消声器目标传递损失曲线以满足该降噪量要求，具体是通过以下公式确定降噪量要求：
[0057]
nr
nth order noise
＝spl
nth order noise
‑
spl
objective
[0058]
其中，nr
nth order noise
为空压机第n阶次噪声所需要的降噪量，spl
nth order noise
为空压机第n阶次噪声的声压级，spl
objective
为目标噪声的声压级；
[0059]
此外，构建的消声器目标传递损失曲线上的所有数据点均大于降噪量要求的数值；
[0060]
s4、计算有限布置空间体积下的最佳消声器腔体数目，并结合目标传递损失曲线，确定消声器各腔体的结构参数，完成多腔体消声器的设计，具体的：
[0061]
s41、根据单位腔的传递损失峰值，计算得到有限布置空间体积下的最佳消声器腔体数目：
[0062]
n＝tl
peak
/a
[0063]
其中，a为单位腔的传递损失峰值，tl
peak
为多腔体消声器的传递损失峰值，n为消声器的腔体数；
[0064]
s42、基于最佳消声器腔体数目，构建对应的多腔体消声器传递损失二维解析模型：
[0065]
tl
muffler
＝h(f,l1,...,l
m
,d1,...,d
m
,d1,...,d
m
,t1,...,t
m
,σ1,...,σ
m
)
[0066]
其中，tl
muffler
为消声器的传递损失曲线，m为腔体总数目，f为频率，l为腔体的长度、d为膨胀腔直径、d为腔体的穿孔直径、t为腔体的穿孔板厚度、σ为腔体的穿孔率；
[0067]
s43、结合多腔体消声器传递损失二维解析模型以及目标传递损失曲线，构造目标函数：
[0068][0069]
其中，f
max
为消声器设计过程的最大频率，tl
objective
为消声器的目标传递损失曲线；
[0070]
s44、对目标函数进行求解计算，以得到对应于目标函数取值最小的消声器各腔体的结构参数，在实际应用中，可采用遗传算法对目标函数进行求解计算。
[0071]
本实施例应用上述技术方案，其具体过程包括：
[0072]
一、选定直通管作为多腔体消声器的内部流道，管上的穿孔为微穿孔，即选定微穿孔直通管作为消声器的内部流道，本实施例中微穿孔直通管结构如图2所示；
[0073]
二、测量燃料电池空气压缩机的加速噪声频谱，提取主要的阶次噪声曲线，具体是根据燃料电池空压机的加速噪声频谱数据，获得主要的阶次噪声曲线，即超过目标噪声的阶次噪声，本实施例中，如图3所示，空压机的主要阶次噪声为4、8、16、24阶次噪声；
[0074]
三、通过比较燃料电池空压机主要阶次噪声与目标噪声的声压级，确定空压机的降噪量要求，构造消声器的目标传递损失曲线来满足该降噪要求，具体是根据燃料电池空压机主要的阶次噪声曲线计算空压机的降噪量要求，其通过下式确定：
[0075]
nr
nth order noise
＝spl
nth order noise
‑
spl
objective
[0076]
其中，nr
nth order noise
为空压机第n阶次噪声所需要的降噪量，单位为db；spl
nth order noise
为空压机第n阶次噪声的声压级，单位为db；spl
objective
为目标噪声的声压级，单位为db；
[0077]
构造的消声器目标传递损失曲线需要完全超过空压机要求的降噪量；
[0078]
四、确定有限布置空间体积下的最佳消声器腔体数目，根据目标传递损失曲线确定消声器各腔的结构参数(设计的结构参数包括各腔的长度l、膨胀腔直径d、穿孔直径d、穿孔板厚度t、穿孔率σ)，其具体过程为：
[0079]
1)、根据给定的布置空间体积，通过多腔体消声器传递损失二维解析模型，确定出该空间下的最佳消声器腔体数目，具体是根据单位腔的传递损失峰值来确定最佳消声器腔体数目，计算方法如下：
[0080]
a＝tl
peak
/n
[0081]
其中a为单位腔的传递损失峰值，单位为db；tl
peak
为多腔体消声器的传递损失峰值，单位为db；n为消声器的腔体数；
[0082]
本实施例中，如图4所示，给定的布置空间体积为3.5l，通过多腔体消声器传递损失二维解析模型，确定出该空间下的最佳消声器腔体数目为4；
[0083]
2)、在确定腔体数目后建立多腔体消声器传递损失二维解析模型，当确定最佳消声器腔体数目n
best
之后，建立n
best
腔对应的消声器传递损失二维解析模型：
[0084]
tl
muffler
＝h(f,l1,...,l
m
,d1,...,d
m
,d1,
…
,d
m
,t1,...,t
m
,σ1,...,σ
m
)
[0085]
其中tl
muffler
为所设计消声器的传递损失曲线，单位为db；m为第m个腔；f为频率，单位为hz；
[0086]
图5所示为本实施例中消声器的传递损失解析模型结果；
[0087]
3)、构造目标函数，采用遗传算法优化以获得使目标函数取值最小的消声器各腔体的结构参数，其中，目标函数具体为：
[0088][0089]
其中f
max
为消声器设计过程的最大频率，单位为hz；tl
objective
为消声器的目标传递损失曲线，单位为db。
[0090]
图6所示为本实施例实验测量的消声器传递损失曲线图，与解析模型结果较吻合。如图7所示，安装该消声器之后，空压机的最大a计权总声压级由115dba降低到97dba。当压缩机转速为15000r/min时，罗茨压缩机的a计权声压级降低了22db。在大多数工况下，实际降噪量都超过10db。这表明根据本发明设计的消声器降噪效果良好。
[0091]
如图8所示，在各工况下，通过该消声器的空气压力降仅仅比橡胶直管增加了1kpa或不到1kpa。这表明根据该发明设计的消声器流阻很小，不会影响燃料电池堆进气。