摘要：本文采用LMS Test.Lab 測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)某出現(xiàn)疲勞破壞的消聲器部件，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試的方法分析了該部件產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。通過(guò)對(duì)三種不同方案的振動(dòng)測(cè)試并結(jié)合CAE 分析的方法比較了三種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支持。

1 引言

某摩托車(chē)消聲器在當(dāng)前市場(chǎng)及使用工況下強(qiáng)度達(dá)到要求。因?yàn)樾率袌?chǎng)的使用工況有所變化，在道路耐久試驗(yàn)過(guò)程中在安裝部位出現(xiàn)斷裂問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。比對(duì)兩種工況主要差別在于新市場(chǎng)道路情況較惡劣，碎石塊類(lèi)路面較多，而且在新市場(chǎng)主要使用在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下。

為解決該問(wèn)題決定對(duì)消聲器懸掛位置及消聲器尾部振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)下圖：

圖 1：消聲器斷裂部位圖

本文中所有測(cè)試均在 LMS Test.Lab 系統(tǒng)下完成。Test.Lab 系統(tǒng)是LMS 公司測(cè)試及數(shù)據(jù)后處理的統(tǒng)一平臺(tái)，該系統(tǒng)功能完善可以滿足振動(dòng)測(cè)試的所有需要，且操作條理清晰，按照專(zhuān)家系統(tǒng)的步驟順序進(jìn)行即可完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量。該系統(tǒng)有一個(gè)亮點(diǎn)即功能非常強(qiáng)大的在線處理能力，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成，則需要的結(jié)果已經(jīng)保存于項(xiàng)目中，且采集完成后數(shù)據(jù)的處理功能也很方便、豐富。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中測(cè)試系統(tǒng)采集穩(wěn)定為試驗(yàn)的順利完成提供了可靠保障。

2 測(cè)試的主要內(nèi)容及目的

本次測(cè)試的主要內(nèi)容是測(cè)試消聲器前后測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)上圖）在不同工況下的振動(dòng)加速度值。

其目的主要是做出以下判斷

1）消聲器行使過(guò)程中的振動(dòng)原因主要方面是路面激勵(lì)還是發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。
2）結(jié)合模態(tài)分析判斷行使過(guò)程中消聲器是否發(fā)生共振現(xiàn)象。
3）比較原方案、內(nèi)外加強(qiáng)方案三種方案在行使過(guò)程中振動(dòng)加速度值的相對(duì)大小，從而初步判斷三種方案在此工況下的優(yōu)略。

具體測(cè)試工況如下表：

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試加速度RMS 值分析

測(cè)試中采用三向加速度傳感器測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn) X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)加速度信號(hào)，將三個(gè)方向的信號(hào)分別計(jì)算RMS 值后合成得到合成RMS 值列入表1：

表 1：三種消聲器加速度合成RMS 值列表

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)建立以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為橫軸，加速度RMS 值為縱軸曲線圖，用以比較三種方
案所分別對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度的大小。

圖 2：惡劣路面前后測(cè)點(diǎn)加速度RMS 值

圖 3：鋪裝路面前后測(cè)點(diǎn)加速度RMS 值

從以上 RMS 值分析可以看出路面對(duì)消聲器兩測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值影響較小，可以初步判斷引起消聲器振動(dòng)的主要因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。從振動(dòng)加速度幅值變化趨勢(shì)上看，內(nèi)部加強(qiáng)方案對(duì)高轉(zhuǎn)速的敏感程度要低一些，超過(guò)7000rpm 后，振動(dòng)加速度的上升趨勢(shì)變緩。從振動(dòng)加速度幅值上來(lái)看，外部加強(qiáng)方案的振動(dòng)加速度幅值最低。

3.2 測(cè)試加速度頻譜分析

對(duì)測(cè)試加速度時(shí)域信號(hào)做 FFT，得到其所對(duì)應(yīng)的頻譜。通過(guò)頻譜圖可以看出振動(dòng)的主要頻率成分特征，從而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)及路面激勵(lì)分別對(duì)消聲器振動(dòng)的貢獻(xiàn)量。這里僅列舉發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4000rpm 和8000rpm 下前測(cè)點(diǎn)（后測(cè)點(diǎn)結(jié)果類(lèi)似）Z 方向的振動(dòng)加速度頻譜。

圖4：4000rpm 惡劣路Z 方向加速度頻譜

圖5：8000rpm 惡劣路Z 方向加速度頻譜

圖6：4000rpm 鋪裝路Z 方向加速度頻譜

圖7：8000rpm 鋪裝路Z 方向加速度頻譜

頻譜圖中可以很明顯地看出惡劣路面和鋪裝路面的區(qū)別，主要表現(xiàn)在路面激勵(lì)引起的低頻振動(dòng)上。惡劣路面頻譜圖中低頻成分比較明顯，而鋪裝路面低頻成分幾乎不存在。路面激勵(lì)引起的低頻成分相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)等引起的高頻成分從能量上來(lái)說(shuō)相對(duì)較小，尤其當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)表現(xiàn)更明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)頻率及倍頻成分很明顯，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)是消聲器振動(dòng)進(jìn)而可能產(chǎn)生疲勞問(wèn)題的重要原因。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到9000rpm 左右后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率及倍頻成分引起的振動(dòng)還是比較明顯，但是1000Hz 以上的高頻振動(dòng)成分明顯增大，占振動(dòng)能量的主要部分。

3.3 消聲器結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)消聲器結(jié)構(gòu)及實(shí)際約束狀態(tài)計(jì)算消聲器約束模態(tài)和在加速度載荷作用下的應(yīng)力分布狀況。計(jì)算結(jié)果表明在約束狀態(tài)下三種消聲器方案200Hz 以下都具有3~4 個(gè)共振頻率存在，所以要想完全避開(kāi)消聲器在使用過(guò)程中的共振是非常困難的。強(qiáng)度分析結(jié)果顯示外部加強(qiáng)的方案2 優(yōu)于內(nèi)部加強(qiáng)的方案1 且都明顯優(yōu)于原方案。

4．結(jié)論

通過(guò)對(duì)測(cè)試信號(hào)的分析可以確定引起消聲器產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)引起的激勵(lì)，路面激勵(lì)引起的振動(dòng)相對(duì)較小。三種方案的約束模態(tài)在200~300Hz 頻率內(nèi)都存在，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻或倍頻達(dá)到該頻率時(shí)會(huì)引起共振，從頻譜及RMS 分析結(jié)果來(lái)看幅值不會(huì)放大很多。三種方案都無(wú)法完全避開(kāi)該頻率段。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到9000rpm 后，測(cè)試結(jié)果顯示高頻(1000Hz以上)振動(dòng)成分明顯增大，對(duì)消聲器的疲勞很不利。內(nèi)部加強(qiáng)和外部加強(qiáng)后，消聲器振動(dòng)水平有所下降，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，外部加強(qiáng)的效果可以，振動(dòng)加速度RMS 值最小。慣性力CAE分析結(jié)果顯示，加強(qiáng)后應(yīng)力水平及應(yīng)力分布狀況均有比較明顯的改善，其中外部加強(qiáng)效果最明顯。綜合考慮外部加強(qiáng)方案是三個(gè)方案中效果可以的。

由于測(cè)試條件限制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性、行使路線的一致性都存在一定誤差，所以本次測(cè)量的結(jié)果存在一定誤差。CAE 計(jì)算中均采用相同的加速度值載荷邊界，基本反映三種方案的振動(dòng)應(yīng)力分布狀況?？紤]到測(cè)試RMS 值外部加強(qiáng)方案最小，所以實(shí)際中外部加強(qiáng)方案與其他方案的差別還要明顯。

參考文獻(xiàn)：
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[3] LMS 幫助系統(tǒng)

    消聲器采用了通孔噴、阻的消聲原理。其中以大孔擴(kuò)容控流代替微孔穿板型，在結(jié)構(gòu)上首先保證安全門(mén)排汽必須順暢的原理；

    多層次穿孔吸聲，并結(jié)合了阻性消聲原理，讓蒸汽聲波進(jìn)入多孔吸聲材料中的無(wú)數(shù)小孔內(nèi)，激發(fā)多孔材料分子震動(dòng)，使聲能為了克服摩擦阻力和粘滯力而變成熱能，即達(dá)到了理想的消聲效果，更保證了蒸汽順利排除。

    消聲器使用范圍廣、消聲量大、耐高溫高壓、不怕水汽及油霧等優(yōu)點(diǎn)。是建立在我國(guó)著名聲學(xué)家馬大猷的小孔噴注消聲理論的基礎(chǔ)上研制成功，也是目前我國(guó)新型結(jié)構(gòu)消聲器，各電廠一般都選擇使用。

    故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)大得多，一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度可以達(dá)到6～10個(gè)1/3信頻程以上。這就是微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)。

消聲器的特點(diǎn)及原理

    消聲器采用了通孔噴、阻的消聲原理。其中以大孔擴(kuò)容控流代替微孔穿板型，在結(jié)構(gòu)上首先保證安全門(mén)排汽必須順暢的原理；

    多層次穿孔吸聲，并結(jié)合了阻性消聲原理，讓蒸汽聲波進(jìn)入多孔吸聲材料中的無(wú)數(shù)小孔內(nèi)，激發(fā)多孔材料分子震動(dòng)，使聲能為了克服摩擦阻力和粘滯力而變成熱能，即達(dá)到了理想的消聲效果，更保證了蒸汽順利排除。

    消聲器使用范圍廣、消聲量大、耐高溫高壓、不怕水汽及油霧等優(yōu)點(diǎn)。是建立在我國(guó)著名聲學(xué)家馬大猷的小孔噴注消聲理論的基礎(chǔ)上研制成功，也是目前我國(guó)新型結(jié)構(gòu)消聲器，各電廠一般都選擇使用。

    故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)大得多，一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度可以達(dá)到6～10個(gè)1/3信頻程以上。這就是微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)。

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