期刊-汽车排气消声器的降噪优化设计_李洪亮

LIHong-liang1, 2 , WANGWu-lin2 , WANGTai-yong1 (1.SchoolofMechanicalEngineering, TianjinUniversity, Tianjin300457, China;
2.ChinaAutomotiveTechnology＆ ResearchCenter, Tianjin300162, China)
Keywords:acoustics;muffler;insertloss;measurementanalysis;numericalsimulation
我国机动车工业飞速发展 , 导致排放和噪声污 染问题日益严重 , 其中噪声问题将继排放问题之后 亦将受到国家重视 , 有关汽车噪声国家强制性标准 已经实施 , 并且有逐渐加严的趋势 。 汽车的噪声源 很多 , 有冷却系统噪声 、发动机噪声 、车身振动噪声 、 空气动力噪声 、传动系统噪声 、轮胎噪声 、排气噪声 。 根据国内外大量的试验结果 , 影响汽车加速噪声的 主要因素是发动机噪声 、排气噪声 。 而发动机噪声 改变影响因素很多 , 难度较大 。 相对来说 , 设计高效 消声器 , 降低排气噪声 , 是一种非常 经济有效的办 法 。消声器的设计 , 虽然有一些简化的理论公式 , 但 由于这些公式过于简化 , 理论计算结果与实际结果 差别较大 , 所以实际设计中有少部分公式做预估外 , 更依赖于试验 、依赖对排气消声器的测试分析 。本 文主要介绍汽车排气消声器的测试分析 , 并基于测 试分析结果 , 对消声器进行了改进 , 利用改进后的消 声器进行装车试验 , 汽车加速噪声降低了 2dB(A)。
采用有限体积法求解 。以流体连续性方程 、能量方
程为理论基础 , 将整个排气系统离散为体积元 。在
体积元中 , 假定各标量 (压力 、温度等 )均匀分布 , 利
用体积元中心点数值 进行计算 ;并假定各矢 量 (速
度 、质量流率 、焓流率 )在体积元边界进行 。
一维非定常流动的气体动力学方程组可以写成
图 5 排气噪声谱
IL=L空管 -L带消声器 =119.8 -102.19 =
17.61[ dB(A)]
(1)
设在排气管出口距离 r1 处测得的排气噪声 , 其
声压级为 Lp1 , 声源的声功率级为 Lw1 , 则
Lw1 =LP1 +10lg4πr21
(2)
同样在距离 r2 处测得允许其声压级为 Lp2 , 声
Abstract:Forthesakeofthenoisecontrolofautomotivenoise, animprovedmethodispresented throughsomemufflerofasubminiaturetrucktestsonanenginetestbed.Basedonnumericalsimulation, theschemeisconsummated.Sometestsareexaminedonanenginetestbed.Itisshownthattheinsert
作进一步改进设计 。
2 汽车排气消声器低噪声优化改进设 计
对排气消声器进行改进 , 靠传统的试验方法费
汽车排气消声器的降噪优化设计
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时 、费力 , 也难以达到最优 。而借助于数值模拟的方
法 , 可以大大缩短开发周期 , 提高开发效率 , 降低试
验费用 。
2.1 理论基础
消声器的一维模拟主要基于流体动力学理论 ,
2007年 6月 噪 声 与 振 动 控 制 第 3期 背景噪声变化情况如图 3所示 。
图 1 测试系统框图
图 4 背景噪声谱
图 2 隔声室结构示意图
图 3 背景噪声谱
由图 3可以看出 , 经隔声处理后 , 背景噪声已有 102dB(A), 降至 80dB(A), 降低 20dB(A)。 背景噪 声与带消声器的排气噪声比较见图 4。 由图 4可以看出 , 加隔声室后 , 带消声器的排气 噪声比背景噪声高 15dB(A), 也就是说 , 此时的背 景噪声对测试的结果已经没有多大影响 。 1.3 测试结果及分析 试验所用的消声器为轻卡车消声器 , 该轻卡车 汽车最大总质量 4 500 kg, 装载质量 :1 980 kg, 最高 车速 110 Km/h, 具有较强的市场竞争力 。本次试验 测量了发动机在全负荷额定功率转速下的空管 、带 消声器的排气噪声谱 , 如图 5所示 。 由图 5 可以看 出 , 该消声器的插入损失为
功率级为 Lw2 , 则 Lw2 =LP2 +10lg2πr22 (3) 由于距离不同 , 同一声源的声压级也不同 , 但声
功率级却是不变的 。因此也可以得到 , 在距离 r1 处 允许的声压级
Lp3 =LP2 +10lg2rr2221 当然 , 消声器所需的消声量可以写为
(4)
ΔL=Lp1 -Lp3
为了防止废气气流冲击和废 气对传声器的腐
烛 , 试验时传声器戴防风罩 , 在测量前后及中途使用 标准噪声源对传声器进行校准 , 控制误差 ≤0.2 dB。 为保证试验数据的准确性 , 发动机转速误差控制在 ≤ ±5 r/min, 同时保证水温 、油温稳定 。 1.2 背景噪声的隔离 排气噪声比发动机噪声 (排气噪声除外 )高 15 dB(A), 配套的消声器的消声量一般在 20 dB(A)左 右 , 也就是说安装消声器后排气噪声已不在是发动 机的主要噪声源 。 本试验在普通的发动机台架室进 行 , 也就是说不进行处理 , 背景噪声 (发动机噪声 ) 将高于排气噪声使整个试验无法进行 。 为此 , 本文 作者设计了一个隔声室 , 如图 2所示 , 对背景噪声进 行隔离 。 隔声室安装位置如图 1所示 。 隔声前后 ,
(5)
该消声器用于微卡 , 依据 GB1495 -2002, 该型
车的加速噪声限值为 Lp2 =76 dB(A)(测点 r2 =7.5 m)。利用式 (4)可以求得在距离排气口 0.5 m处允
许的声压级为 :Lp3 =96.51 dB(A), 但实测的排气噪 声已经达到 102.19 dB(A), 因此有必要对该消声器
W =∑ W(nω0 )
(1 1)
2.2 数值模拟 该消声器如图 6所示 。由图 6可以看出 , 原有消 声器为由共振腔和扩张室组成的纯抗性消声器 , 在中 低频消声效果较好 , 而在高频消失效果较差 。而为了 降低排气噪声的 A声级 , 必须增加中高频的消声量 , 尤其是 1 000 ～ 3 000 Hz之间的消声量 。因此 , 把纯 抗性消声器改成了阻抗复合型的消声器 , 同时调整了 其内部结果 (穿孔率 、孔径等 ), 如图 7所示 。
W(nω0 ) =21ρυ2c, 0 (nω0 )Rc, 0 (nω0 )2Mak20+r20 k20 r20
(1 0)
其中 ρ为流体平均密度 , Rc, 0 (nω0 )为声辐射阻抗 , Ma为平均马赫数 , r0 为排气管半径 , k0 =ω/c=nω0 / c, c为平均声速 。
辐射噪声总能量为
所受的摩擦力 ;c为音速 ;q, 单位时间内 , 单位质量
气体从管壁上吸收的热量 。
噪声模型利用非定常流动时域中的分析结果 ,
以气体声学为理论基础 , 利用质量流量以及质量流
量的傅立叶级数 , 通过傅立叶变换求得声辐射能量 ,
求解过程如下 。
将在流体模型计算得到的排气管末端质量流量
m﹒ (t)写成傅立叶级数的形式为
图 6 原有消声器
图 7 改进后的消声器
为了了解改进后的效果 , 本文利用数值模拟方 法 , 对改进前后的消声器消声量进行了预估分析 , 如 图 8所示 。
图 8 消声器插入损失预估结
由图 8可以看出 , 改进后的消声器在中 、高频段 消声量明显增加 ;而在低频段 , 消声量变化不大 。 2.3 试验验证
3 结语
图 9 排气噪声谱
本文针对某型微卡车排气消声器进行了测试分 析 , 测试结果表明该消声器消声量不足 。在利用数 值模拟优化的基础上 , 提出了改进方案 。改进后 , 台 架试验证明消声器插入损失增加了 7.1 dB(A), 整 车加速噪声试验证明改进后的消声器可以使整车加
lossofanimprovedmufflerisincreasedby7.1 dB(A)whilethebackpressurehaslittlechange.Avehicleon-roadtestisprocessedinarunwayofanairport.Itisprovedthatthenoisesofthetruckassembledwithanimprovedmufflerisreducedby2 dB(A).Asaresult, thenoiselevelofthedrivingmotorcyclewasobviouslyreduced.
如下形式
ρt+ρ u x+u ρ x+ρudldnxSd =0
(Hale Waihona Puke )ut+uux+
1 ρ
p x+F=0
(7)
pt+u px-c2 pt+ p x-(k-1)ρ(q+uF)=0
(8)
式中 ρ, 密度 ;u, 速度 ;Sd, 管道截面 , 由于此处为刚
性管道 , 因而
dlnSd dx
=0 ;p压力 ;F, 单位气体质量上
2007年 6月 噪 声 与 振 动 控 制 第 3期
把改进后的消声器也进行了台架试验 , 试验结 果如图 9所示 。消声器改进前后消声量的对比如图 10所示 。
从表 1可以看出 , 改进前后 , 消声器背压在发动 机低转速时稍微增加 , 而在高转速时降低 , 总体上看 背压变化不大 。
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∑ m﹒ (t) =m0 + {mncos(nω0 t)+hnsin(nω0 t)}= n=1