基于Sysnoise的汽車進(jìn)氣消聲器聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)研究

李金庫，陳英君，宋世忠，張玉華，龐 然

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050;2.佳木斯市公路管理處，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯市郊區(qū)政府，黑龍江 佳木斯 154002)

基于Sysnoise的汽車進(jìn)氣消聲器聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)研究

李金庫1，陳英君1，宋世忠2，張玉華3，龐 然1

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050;2.佳木斯市公路管理處，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯市郊區(qū)政府，黑龍江 佳木斯 154002)

以聲學(xué)軟件Sysnoise為平臺(tái)，綜合運(yùn)用有聲學(xué)限元法及小波包分析理論，對基本消聲單元的聲學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真分析；定性地描述Helmholts諧振腔的體積、主管尺寸等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲器性能，即諧振頻率和消聲量的影響。根據(jù)仿真分析、噪聲試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空間來設(shè)計(jì)消聲器，并最終確定消聲器的結(jié)構(gòu)，為降低汽車進(jìn)氣噪聲打下良好的基礎(chǔ)。

Sysnoise 軟件；聲學(xué)性能；汽車進(jìn)氣消聲器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；噪聲識(shí)別

車外噪聲的控制最重要的是對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的控制，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的主要噪聲源，因此,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲是降低整車噪聲的主要措施。大量的研究資料表明，通常發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與整車噪聲的聲壓級(jí)差在15～17 dB(A)，而小型車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲占總噪聲能量的比例接近22%,如圖1所示[1]。

圖1 乘用車通過噪聲貢獻(xiàn)比

1 進(jìn)氣噪聲測量及小波分析

1.1 進(jìn)氣噪聲測量

應(yīng)用頻率分析方法，將測得的噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)[2-3]。頻譜分析表明，在進(jìn)氣管附近，6 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲頻譜在1 000 Hz以內(nèi)的低頻段內(nèi)存在峰值區(qū)域，且噪聲超過74 dB的頻率范圍集中在125～370 Hz。根據(jù)這個(gè)頻率區(qū)間設(shè)計(jì)進(jìn)氣消聲器，達(dá)到降噪聲的目的。試驗(yàn)測得的進(jìn)氣噪聲在5 500 r/min時(shí)最大，為86.3 dB(A)。

圖2為進(jìn)氣噪聲頻譜圖。圖3、圖4所示分別為發(fā)動(dòng)機(jī)加速達(dá)到40 km/h時(shí)進(jìn)氣噪聲時(shí)域、頻域信號(hào)。表1為進(jìn)氣噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)5 500 r/min時(shí)的進(jìn)氣噪聲頻譜

40 km/h加速圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲時(shí)域信號(hào)

40 km/h加速圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲頻域信號(hào)

1.2 小波分析

小波分析技術(shù)可取代部分傳統(tǒng)的頻譜分析，可以用不同的“尺度”或“分辨率”觀測信號(hào)，偏于處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，在時(shí)間域和頻率域上均有良好的局部細(xì)化特征[4]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與噪聲關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

連續(xù)小波變換定義公式

式中：γ，x(t′)和f分別是小波、信號(hào)和頻率?；贛atlab的小波分析程序如下：

load leleccum;

s=leleccum;

wpt=wpdec(s,3,'sym1');

plot(wpt)

c22=wpcoef(wpt,[2,2]);

subplot(211);plot(s);title('原始信號(hào)','fontsize',12);

subplot(211);plot(s);title('原始信號(hào)','fontsize',12);

subplot(212);plot(c22);title('節(jié)點(diǎn)[2,2]的小波包分解學(xué)術(shù)','fontsize',12)。

圖5、圖6為進(jìn)氣噪聲的小波包分解及其分析結(jié)果。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲的小波包分解

經(jīng)過3次分解，共分成8個(gè)頻段，其中s表示原始信號(hào)，8段信號(hào)分別表示為[3,0],[3,1]，[3,2]，[3,3]，[3,4]，[3,5]，[3,6]，[3,7]。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲原始信號(hào)與節(jié)點(diǎn)小波包分解

經(jīng)過分解后，信號(hào)基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2 進(jìn)氣諧振器的聲學(xué)性能分析

2.1 諧振頻率的計(jì)算

如圖7、圖8所示，單個(gè)消聲器可以看作是由一個(gè)小孔和一個(gè)空腔組成的彈性振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)外來聲波傳播到頸口Sc～Lc處時(shí)，在大氣壓力的作用下，空氣簇和活塞一樣作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并不斷地與孔壁產(chǎn)生摩擦。經(jīng)過一段時(shí)間后，內(nèi)部的聲能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳ⅲ蝗绻饨绲穆暡l率與消聲器“彈性系統(tǒng)”的固有頻率吻合時(shí)，共振現(xiàn)象即刻發(fā)生。在共振頻率點(diǎn)及其附近區(qū)域內(nèi)，空氣簇的振動(dòng)速度達(dá)到峰值，于是消耗的聲能多，消聲量也達(dá)到最大值。

圖7 赫姆霍茲消聲器

圖8 諧振式消聲器質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)

當(dāng)聲波波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于共振腔的幾何尺寸，即長、寬、高最大尺寸的3倍時(shí)，消聲器的固有頻率由式(1)來計(jì)算。

(1)

式中：f0為共振腔消聲器的固有頻率，Hz；c為聲速，m/s；V為共振腔(諧振器)容積，m3；Sc為穿孔截面積，m2；Lk為孔徑有效長度，m。

由式(1)可以看出，消聲器的諧振頻率只與中間管子喉口長度、喉口截面積以及諧振器的體積有關(guān)。因此，在謀劃進(jìn)氣諧振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必然要突出這幾個(gè)參數(shù)及其相互關(guān)系，這樣才能降低某一頻率點(diǎn)處的噪聲峰值[5-10]。

2.2 傳遞損失的計(jì)算

傳遞損失的計(jì)算要根據(jù)聲學(xué)理論中諧振器內(nèi)聲阻抗的關(guān)系式來確定，表示為

(2)

單個(gè)諧振器的消聲量由式(3)近似計(jì)算

(3)

2.3 Sysnoise軟件介紹

Sysnoise軟件是比利時(shí)LMS公司的聲學(xué)、振動(dòng)-流體模型分析軟件，對計(jì)算模型的聲學(xué)響應(yīng)效果非常好。應(yīng)用噪聲分析專業(yè)軟件Sysnoise中的三維有限元分析方法可全面考慮連接管與主管以及諧振器交叉處的三維效應(yīng)、諧振器結(jié)構(gòu)形狀對諧振頻率的影響。

系統(tǒng)方程為

(K+iωC-ω2M)P=FA.

(4)

式中:K為剛度矩陣，C為阻尼矩陣，M為質(zhì)量矩陣，P為聲壓向量，F(xiàn)A為節(jié)點(diǎn)上作用的與聲有關(guān)的力，ω為角頻率。

2.4 主管長度對諧振頻率及消聲量的影響

2.4.1 諧振器主管道長度的變化對其聲學(xué)性能的影響

圖9表示主管長度在100～250 mm時(shí)的f-TL曲線圖。

圖9 不同主管長度與諧振頻率關(guān)系的比較

可以看出，管道直徑、墻體長寬高等參數(shù)不變，主管長度的大小與諧振頻率無關(guān)，并且消聲量變化不大。

2.4.2 諧振腔與喉管體積比對諧振頻率及消聲量的影響

表2假設(shè)了主管長度及其直徑不變，諧振腔與喉管體積比值的變化情況。

表2 諧振腔與喉管體積比關(guān)系

通過聲學(xué)有限元分析作圖，如圖10所示。

圖10 諧振腔和喉管不同體積比與消聲量及諧振頻率的關(guān)系

由圖10可以發(fā)現(xiàn)：N14～N17的體積逐漸增大，此時(shí)最大消聲量及其對應(yīng)的諧振頻率也隨之增大，當(dāng)體積比達(dá)到1∶1時(shí)消聲量最大，消聲頻率居于中低頻范圍。

3 進(jìn)氣消聲器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)測得，長安杰勛JL486Q1型國產(chǎn)汽車車外加速行駛噪聲最大值為89 dB(A)，超過了國標(biāo)M1類汽車第一階段和第二階段的限值要求。整理了加速噪聲頻譜見圖11。由前述文獻(xiàn)資料得知，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲占總噪聲能量的比例達(dá)到22%，是導(dǎo)致整車車外加速噪聲過高的重要原因[11]。分析該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲頻率特性，總體考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣狀況、動(dòng)力性能等因素，設(shè)計(jì)三腔并聯(lián)旁支型諧振式消聲器，進(jìn)行室內(nèi)、室外噪聲測量實(shí)驗(yàn)。底盤測功機(jī)上進(jìn)行室內(nèi)噪聲測量，選擇室外進(jìn)行道路加速噪聲評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。通過將仿真研究與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，考查設(shè)計(jì)的進(jìn)氣消聲器能否有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲，而不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。

圖11 長安杰勛JL486Q1汽油機(jī)加速噪聲頻譜

3.1 進(jìn)氣消聲器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

峰值頻率區(qū)間表明至少應(yīng)設(shè)計(jì)3個(gè)諧振腔?，F(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空間狹小，由3個(gè)諧振腔構(gòu)成的進(jìn)氣消聲器基本可以滿足降噪要求。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下[12]：

1)消聲器的體積、重量適合機(jī)艙空間布置；2)可降低125～400 Hz頻率范圍內(nèi)大于74 dB(A)的頻率點(diǎn)噪聲；3)諧振腔材料經(jīng)濟(jì)耐用；4)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性基本不受影響；5)較小的進(jìn)氣壓力損失；6)較大的消聲量。

3.2 消聲器的最終設(shè)計(jì)方案

1)進(jìn)氣諧振器安裝位置選擇。該發(fā)動(dòng)機(jī)擬安裝的消聲器3個(gè)諧振腔均采用長方體結(jié)構(gòu)，諧振器在進(jìn)氣通道上采用串聯(lián)平臥布置。具體連接順序?yàn)椋嚎諝鉃V清器出口端與諧振器進(jìn)口連接，諧振器出口與節(jié)氣門連接，諧振器的進(jìn)出口用金屬片箍扎好，使之密封連接不漏氣。

2)諧振器結(jié)構(gòu)尺寸確定。①經(jīng)理論分析，確定諧振器與連接管即喉管的體積比控制在4∶1～78∶1的范圍內(nèi)；②喉管直徑可分布在20～42 mm之內(nèi)。隨著喉管直徑增大，消聲器的諧振頻率向高頻移動(dòng)。綜合多方面因素分析，諧振頻率要大于100 Hz，于是，喉管直徑的取值不應(yīng)超過24 mm；③主管長度的確定要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的容納空間。只要不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱和其他零部件的工作，長度可適當(dāng)加長，經(jīng)過測量，試驗(yàn)車長度范圍可控制在200～300 mm之間；主管直徑的大小與進(jìn)氣阻力有關(guān)，其值應(yīng)接近試驗(yàn)車進(jìn)氣總管直徑。因此，直徑選擇在45～70 mm的區(qū)間較為合適，具體取值為50 mm。

通過理論研究和仿真計(jì)算，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空間大小，進(jìn)氣諧振器的幾何參數(shù)見表3。

在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中，三腔并聯(lián)的公共進(jìn)氣管(主管)直徑R按實(shí)際尺寸50 mm匹配，長度L為290 mm。為減小中心頻率為125～400 Hz的進(jìn)氣噪聲，設(shè)計(jì)A，B，C 3個(gè)諧振腔。其三維Pro/E模型如圖12所示。

進(jìn)一步研究表3的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，可以看出A腔體積比最大，其諧振頻率最大，消聲量的大小不確定。同時(shí)，又因?yàn)槠淝惑w高度最大，使其諧振頻率降低，因喉管直徑不變，導(dǎo)致頻率改變的其他因素減少。兩者的共同作用使其頻率落在400 Hz以內(nèi)的中低頻范圍內(nèi)；B腔介于A，C腔之間，其頻率范圍也在400 Hz以內(nèi)的中低頻范圍內(nèi)，只有C腔落在較高的頻率范圍內(nèi)。三腔進(jìn)氣噪聲對應(yīng)的頻率可以通過理論和實(shí)驗(yàn)最終確定。

表3 3個(gè)諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸

圖12 進(jìn)氣諧振器三維Pro/E模型

4 結(jié)束語

通過對進(jìn)氣噪聲測量得知，發(fā)動(dòng)機(jī)從1 000～6 000 r/min運(yùn)行過程中，測得在5 500 r/min時(shí)進(jìn)氣噪聲最大，達(dá)到86.3 dB(A)；對信號(hào)進(jìn)行了小波包分解，原始信號(hào)基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。仿真分析表明，進(jìn)氣諧振器的諧振腔與喉管的體積比越大，消聲峰值越向低頻區(qū)域移動(dòng)，而體積相同時(shí)，諧振頻率保持不變，諧振器消聲量反而不隨體積的增大而增大。主管長度不同，諧振頻率不變，消聲量變化不大，為彈性安裝消聲器提供了便利條件；根據(jù)仿真的理論和發(fā)動(dòng)機(jī)的空間設(shè)計(jì)消聲器，并最終確定了諧振腔的幾何尺寸。該方法同樣適合功率接近的其他種類的汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

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AnalysisofacousticperformanceandconstructureforautomotiveintakemufflerbasedonSysnoisesoftware

LI Jin-ku1,CHEN Ying-jun1,SONG Shi-zhong2,ZHANG Yu-hua3,PANG Ran1

(1.College of Automobile and Trafic Engineering,Heilongjiang Institute of Techonology,Harbin 150050,China；2.Jiamusi Highway Management Division；3.Suburb Government, Jiamusi 154002,China)

Based on the professional acoustic software Sysnoise for platform, the agcoustic limit element method and wavelet packet analysis theory are adopted to analyze and simulate the acoustic performance of the basic anechoic unit. It qualitatively describes the influence on muffler performance,namely, resonance frequency due to different structural parameters such as Helmholts resonator size and head size. According to the simulation analysis, noise experiment and the actual space of the engine a design is made on the muffler, ultimately determining the structure of the muffler, and laying a foundation to reduce the automobile air intake noise.

Sysnoise software;acoustic performance;auto intake silencer;structure design;noise identification

2013-06-21

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1153G030)

李金庫(1964-)，男，副教授，博士研究生，研究方向：載運(yùn)工具運(yùn)用工程.

X192

A

1671-4679(2014)01-0005-05

郝麗英]