汽車汽車消聲器仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

汽車汽車消聲器仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

隨著道路交通的發(fā)展，汽車噪聲日益突出，已成為世界上最重要的噪聲源。而排氣噪聲是汽車噪聲中最主要的噪聲源之一,排氣消聲器性能的好壞直接影響到汽車的聲學(xué)品質(zhì)。研制出實(shí)用高效的排氣消聲器一直是汽車噪聲控制者們追求的目標(biāo)。消聲器的設(shè)計(jì)目前主要有有限元法、邊界元法、聲傳遞矩陣法等,而聲傳遞矩陣法因其比較簡單而得到廣泛應(yīng)用。某微型客車布置消聲器的底盤空間有限,因此如何在消聲器外型尺寸受限的條件下高效率設(shè)計(jì)出大消聲量的排氣消聲器一直是消聲器設(shè)計(jì)中面臨的難題。作者以此工程課題為背景,推導(dǎo)了幾種非基本聲學(xué)子結(jié)構(gòu)的聲傳遞矩陣,同時(shí)編制了基于聲傳遞矩陣法的消聲器性能仿真計(jì)算及優(yōu)化程序,應(yīng)用該程序針對(duì)該車進(jìn)行了消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明。設(shè)計(jì)的消聲器消聲性能良好,且內(nèi)燃機(jī)的輸出功率沒有明顯變化。1轉(zhuǎn)速增量降至低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣噪聲的測量為了掌握內(nèi)燃機(jī)的排氣頻譜特性,需進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí),三元催化轉(zhuǎn)化器出口至排氣口以與排氣管等管徑的直管連接,內(nèi)燃機(jī)處于滿負(fù)荷狀態(tài),將轉(zhuǎn)速從1500r/min開始,在低轉(zhuǎn)速時(shí)以500r/min的轉(zhuǎn)速遞增至4000r/min,為了更詳細(xì)地了解內(nèi)燃機(jī)常用轉(zhuǎn)速下的排氣特性,在4000r/min以上時(shí),將轉(zhuǎn)速增量降至250r/min,再增至內(nèi)燃機(jī)最高轉(zhuǎn)速6250r/min,分別采集各轉(zhuǎn)速下測點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜。由于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)不是在消聲室中進(jìn)行的,因此,為排除反射聲對(duì)測量的干擾,對(duì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室的四壁進(jìn)行了吸聲處理(如圖1所示),同時(shí)為使內(nèi)燃機(jī)和測功機(jī)噪聲對(duì)排氣噪聲聲壓級(jí)的測量影響較小,對(duì)內(nèi)燃機(jī)和測功機(jī)噪聲也進(jìn)行了隔聲處理。測點(diǎn)位置的布置,根據(jù)國標(biāo)GB4759-1995的規(guī)定,選在與排氣口氣流軸向成45°方向上距離0.5m處,同時(shí)測量時(shí)傳聲器指向排氣口。2轉(zhuǎn)速對(duì)噪聲總能量的影響通過對(duì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)所得的噪聲頻譜圖進(jìn)行分析可以看出,該內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲的峰值頻率為各轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火頻率及其倍頻。且隨著轉(zhuǎn)速升高,噪聲的總能量也逐漸升高。在最高轉(zhuǎn)速6250r/min時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大值為118dB(A)。該車進(jìn)行車外加速噪聲實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)表明該車二檔時(shí)的出線轉(zhuǎn)速約為5500r/min,二檔時(shí)車外加速實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1,而其最大噪聲值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速亦應(yīng)在二檔出線轉(zhuǎn)速附近,故僅列出5500r/min時(shí)的排氣噪聲頻譜圖,如圖2。3消聲器的聲音傳遞矩陣分析3.1聲傳播介質(zhì)密度參數(shù)的確定下面列出了9種聲學(xué)子結(jié)構(gòu),其中1～5種為基本聲學(xué)子結(jié)構(gòu),其聲傳遞矩陣參見參考文獻(xiàn),第6種子結(jié)構(gòu)的聲傳遞矩陣參見參考文獻(xiàn),其余3種為作者自行推導(dǎo)的。在推導(dǎo)過程中忽略了小量馬赫數(shù)及子結(jié)構(gòu)中溫度梯度的影響,推導(dǎo)時(shí)是利用管道中截面突變處聲壓連續(xù)和聲體積速度連續(xù)原理,導(dǎo)出聲傳遞矩陣。具體推導(dǎo)過程略,讀者可參閱相關(guān)資料。1)均勻直管子結(jié)構(gòu)[Τ1]=[cosklj1msinkljmsinklcoskl][T1]=[coskljmsinklj1msinklcoskl]2)突然擴(kuò)張子結(jié)構(gòu)和突然收縮子結(jié)構(gòu)[Τ2]=[Τ3]=[T2]=[T3]=3)進(jìn)口插入管子結(jié)構(gòu)和出口插入管子結(jié)構(gòu)[Τ4]=[Τ5]=[10jm1tgkl1][T4]=[T5]=[1jm1tgkl01]4)穿孔直通子結(jié)構(gòu)[Τ6]=[cosklaj1masinklajmasinklacoskla]?[101ΖpρcS01]?[cosklbj1masinklbjmasinklbcosklb][T6]=[cosklajmasinklaj1masinklacoskla]?[11Zp0ρcS01]?[cosklbjmasinklbj1masinklbcosklb]式中Zp為共振腔阻抗,Ζp=j(ωmp-1ωCp)=j(ωρlpSp-1ωVrρC2)Zp=j(ωmp?1ωCp)=j(ωρlpSp?1ωVrρC2)mp為共振腔聲質(zhì)量;Cp為共振腔聲容;lp為共振腔短管的等效長度,在這里即為等效壁厚,lp=t+0.8dk;Sp為孔的總面積,Vr為共振腔容積。5)同側(cè)進(jìn)出插入管(進(jìn)氣管插入較長)子結(jié)構(gòu)和同側(cè)進(jìn)出插入管(出氣管插入較長)子結(jié)構(gòu)[Τ7]=[Τ8]=[10jm2tgkl1][T7]=[T8]=[1jm2tgkl01]6)同側(cè)進(jìn)出插入管(進(jìn)出氣管插入等長)子結(jié)構(gòu)[Τ9]=[10j(mtgkl1+m3tgkl2)1][T9]=[1j(mtgkl1+m3tgkl2)01]上述各式中符號(hào)在圖中大都有標(biāo)明,未注符號(hào)意義分別為:j——虛數(shù)單位;k——波數(shù),k=ωck=ωc;ωf——圓頻率,ω=2πf,f——聲波頻率;c——聲速;ρ——聲傳播介質(zhì)密度;m、m1、ma、m2、m3——各面積比系數(shù),分別為m=d2d20?d0——主管道截面直徑(取消聲器進(jìn)口端截面直徑);m1=d22-d21d20,ma=d21d20,m2=d22d20,m3=d2-d21-d22d20;S0——主管道截面面積,S0=πd204;另直通穿孔子結(jié)構(gòu)中l(wèi)a、lb分別為穿孔區(qū)中心到兩端的距離。3.2消聲器傳聲損失計(jì)算的程序利用上述推導(dǎo)的各子結(jié)構(gòu)聲傳遞矩陣,在MATLAB軟件中編制了計(jì)算消聲器傳聲損失的計(jì)算機(jī)程序。應(yīng)用該程序可繪制出消聲器在0～3kHz范圍內(nèi)各頻率處消聲量的曲線圖。該程序也很容易對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充以滿足不同消聲器消聲量的計(jì)算。其基本程序流程圖如圖4:3.3降低高頻噪聲通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,在考慮布置空間的情況下設(shè)計(jì)了消聲器。在分析以直管代替消聲器的內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲特性時(shí),考慮到該微型客車車外加速噪聲試驗(yàn)的二檔出線轉(zhuǎn)速為5500r/min,加速試驗(yàn)的最大噪聲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速也正好在5500r/min附近,故著重分析了轉(zhuǎn)速為5500r/min時(shí)的頻譜圖(見圖2)。從圖中可以看出,5500r/min時(shí)排氣噪聲的峰值頻率主要對(duì)應(yīng)該轉(zhuǎn)速下內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火頻率f=ni60τ及其倍頻。同時(shí),在1500Hz以上的高頻范圍內(nèi),雖然沒有明顯的峰值,但各頻率下的噪聲值也都比較高,它們對(duì)總的噪聲聲壓級(jí)仍將有很大的貢獻(xiàn)。上式中n為內(nèi)燃機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速,單位r/min;i為氣缸數(shù);τ為沖程系數(shù),對(duì)二沖程內(nèi)燃機(jī)取1,四沖程內(nèi)燃機(jī)取2。因此要有效地降低中、低頻排氣噪聲,應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗性消聲器,并盡可能地使抗性消聲器的最大消聲頻率對(duì)應(yīng)5500r/min時(shí)排氣噪聲的峰值頻率。對(duì)于降低高頻噪聲,則可以在消聲器排氣緩沖管壁和前后端蓋處鋪設(shè)一定厚度的吸聲材料。依據(jù)上述分析結(jié)果,應(yīng)用阻抗性消聲器設(shè)計(jì)理論,并綜合考慮消聲器外型尺寸及消聲器腔中溫度對(duì)最大消聲頻率的影響等因素,設(shè)計(jì)出了幾種消聲器方案,再利用上述的計(jì)算機(jī)程序預(yù)測了每種方案的消聲性能,通過反復(fù)比較優(yōu)化,從中選出了最優(yōu)方案,其樣件照片見圖5。該方案為將消聲器設(shè)計(jì)為三個(gè)擴(kuò)張腔,它們的第一個(gè)最大消聲頻率分別為500,900,1600Hz。這3個(gè)頻率分別對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)5500r/min時(shí)的3倍頻,5倍頻和9倍頻。對(duì)于500Hz以下噪聲,為節(jié)省空間,在進(jìn)氣緩沖管上鉆孔,以形成共振腔,共振頻率分別為5000r/min時(shí)的基頻160Hz,5500r/min時(shí)的基頻180Hz。再在前、后端蓋,排氣緩沖管壁處分別鋪設(shè)20,10,5mm厚的吸聲材料,以有效降低高頻噪聲。該消聲器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。用編制的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算的該消聲器0～3kHz的傳聲損失圖如圖7。從圖中可以看出預(yù)測的該消聲器在200Hz以上的中高頻范圍內(nèi)均有較好的消聲量,并且由于消聲器擴(kuò)張腔中引入了插入管,因此基本消除了通過頻率。在200Hz以下也因?yàn)橛泄舱袂欢霈F(xiàn)了消聲量相對(duì)較大的峰值。這些表明:整個(gè)預(yù)測結(jié)果與設(shè)計(jì)意圖吻合較好。但是也可以看出理論計(jì)算得到的消聲量是明顯偏大的,這主要是因?yàn)槁晜鬟f矩陣是基于理想的平面波假設(shè),且沒有考慮實(shí)際存在了溫度變化梯度和氣流波動(dòng)的影響,致使得整個(gè)預(yù)測的消聲量值偏大。3.4裝消聲器前后排氣噪聲對(duì)比對(duì)設(shè)計(jì)的消聲器,在相同的測量條件下,進(jìn)行了消聲器的插入損失和功率損失臺(tái)架實(shí)驗(yàn),5500r/min時(shí)裝該消聲器的排氣噪聲頻譜圖見圖8,其余實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表2,表3所示。通過對(duì)5500r/min時(shí)的頻譜圖對(duì)比可以看出,裝消聲器后,排氣噪聲在各頻率處都有大幅下降,在低頻段雖仍有峰值存在,但相比聲壓級(jí)已大大降低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表也可以看出,消聲器在各轉(zhuǎn)速下,相對(duì)裝直管時(shí)均有20dB(A)左右的消聲量,消聲效果較好,且各轉(zhuǎn)速下功率損失增加也均沒有超過4%,在某些轉(zhuǎn)速下功率甚至還略有增加,這主要是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成