基于ansys的汽車消聲器消聲特性研究

基于ansys的汽車消聲器消聲特性研究

根據(jù)噪聲源，可分為氣流噪聲、燃燒噪聲、金屬噪音、振動(dòng)噪聲等。在汽車的各種噪聲中,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是一種特別高的噪聲。近年來,隨著對(duì)汽車噪聲控制要求的提高,汽車排氣消聲器的設(shè)計(jì)逐步得到了重視,然而國內(nèi)對(duì)排氣消聲器的設(shè)計(jì)和消聲特性的研究大都還停留在摸索階段,主要依靠經(jīng)驗(yàn)或者對(duì)國外的同類產(chǎn)品進(jìn)行仿制;其排氣消聲器的消聲性能難以達(dá)到滿意的效果。而汽車排氣消聲器設(shè)計(jì)的好壞則對(duì)汽車乘座的舒適性和動(dòng)力性有很大的影響。以工程課題為背景,利用實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),對(duì)某一車型的排氣消聲器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),探討消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些方法和手段。1消聲器臺(tái)架實(shí)驗(yàn)分析1.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)隔聲處理為了詳細(xì)了解和掌握該車型消聲器消聲性能的優(yōu)劣,進(jìn)行了詳細(xì)的消聲器插入損失和功率損失實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將原消聲器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,扭矩負(fù)載為發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制轉(zhuǎn)速從1500rpm開始,每隔100rpm的轉(zhuǎn)速遞增,直到5500rpm為止。由于所采用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架不是專門的振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)臺(tái),發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的噪聲較大。因此,對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力源部分進(jìn)行了隔聲處理,使實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身的噪聲大幅下降,以滿足噪聲測量的要求。根據(jù)國標(biāo)的測量要求,傳聲器位置布置在離地高度為1m,距離消聲器(或空管)的排氣口0.5m處,傳聲器的軸線正對(duì)消聲器(或空管)的排氣口,并與消聲器軸線成45°夾角。為了更有效地評(píng)價(jià)該消聲器的消聲效果,還準(zhǔn)備了一根與消聲器長度差不多的空管,并在相同位置測量其噪聲信號(hào),為最后計(jì)算消聲器的插入損失和功率損失提供可靠的數(shù)據(jù)。1.2消聲量對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5000rpm,從安裝和不安裝消聲器時(shí)的排氣噪聲頻譜圖(圖1)中可以看出,安裝消聲器后的排氣噪聲譜圖中329.6Hz,490.7Hz,820.3Hz,981.4Hz,1106.0Hz,1267.1Hz的聲壓都有明顯的降低,而161.1Hz的聲壓卻沒有得到足夠的降低,說明原消聲器在該低頻處消聲量不足。并且在高頻(2000Hz以上)有通過頻率使消聲量不足,從而影響其整體的消聲性能。同時(shí),對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做差譜分析(見圖2)發(fā)現(xiàn),原消聲器在低頻(200～1500Hz)范圍內(nèi)的消聲量還是足夠的,而中頻(1600～1900Hz)、高頻(3500Hz)以上范圍的消聲量顯得不足。在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的消聲量也呈現(xiàn)這種趨勢。另外,從發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線(圖3)上也可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(4000rpm～5000rpm)的輸出功率降低了2.53N·M,其最大功率損失為3.4%。2消聲器改進(jìn)方案設(shè)計(jì)2.1消聲器理論設(shè)計(jì)分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的特性與點(diǎn)火頻率密切相關(guān)的中低頻噪聲最為突出,其次是這種噪聲的高次諧波。與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率相關(guān)的頻率f,可表達(dá)為:f=2Kn60T[Hz](1)f=2Κn60Τ[Ηz](1)式中K——發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)T——發(fā)動(dòng)機(jī)行程數(shù)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5000rpm時(shí),四行程、四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲頻率主要以f=2×4×500060×4=166.7Hzf=2×4×500060×4=166.7Ηz為主。同時(shí),排出的廢氣是一種高溫、高速的脈沖氣流,在排氣系統(tǒng)內(nèi)可能產(chǎn)生強(qiáng)渦流,出現(xiàn)再生噪聲。脈沖氣流還會(huì)激發(fā)消聲器構(gòu)件(如外殼和隔板等),產(chǎn)生金屬敲擊似的另外一種再生噪聲,同發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲頻率的高次諧波頻率一樣,形成高頻噪聲。針對(duì)現(xiàn)有消聲器排氣噪聲的特點(diǎn),根據(jù)所需要的消聲頻譜特性,采用阻抗復(fù)合式消聲器結(jié)構(gòu)?？剐韵暺鞯耐怀鰞?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠、消聲頻率特性可以選擇?？墒?對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)這樣工況多變的排氣噪聲,本來就是很寬頻帶的噪聲,加上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化,簡單的單節(jié)抗性消聲器是不能滿足全面消聲要求的。只有將幾種不同特性的基本消聲結(jié)構(gòu)合理的組合在一起,成為復(fù)合結(jié)構(gòu),使前者的通過頻率正好是后者的消聲頻率。同時(shí),針對(duì)高頻和低頻噪聲,利用吸聲材料和共振腔結(jié)構(gòu)來達(dá)到消聲效果。由于該消聲器的改進(jìn)設(shè)計(jì)是針對(duì)某車型的消聲器,其總的消聲器容量已經(jīng)給定,僅僅對(duì)消聲器內(nèi)的各擴(kuò)張室分布做改進(jìn)設(shè)計(jì)。擴(kuò)張室的設(shè)計(jì),主要是根據(jù)已經(jīng)確定的消聲頻譜特性,來確定它的直徑和長度。對(duì)于單節(jié)擴(kuò)張室消聲器,有一個(gè)上限臨界頻率f。凡是頻率超過這個(gè)上限臨界頻率的噪聲,該單節(jié)擴(kuò)張室消聲器就不能消聲。上限臨界頻率f由下式表達(dá):傳聲損失(dB)=20logPP0(8)(dB)=20logΡΡ0(8)P為消聲器入口端壓力值,P0為消聲器出口端壓力值。從模擬結(jié)果(圖6)可以看出,數(shù)值分析得到的理論消聲量值與實(shí)際測量得到的實(shí)驗(yàn)消聲量有一定的誤差,這與消聲器的尾管效應(yīng)、模型簡化、內(nèi)部溫度場和流場影響等因素有相當(dāng)大的關(guān)系,但數(shù)值模擬得到的消聲器傳聲損失的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的消聲量趨勢是比較吻合的,即該消聲器在低頻(200～1000Hz)范圍內(nèi)的消聲量還是比較理想的(但在200Hz以下的頻率范圍內(nèi)的消聲效果較差),而在中(1600～2600Hz)、高(3500Hz)以上范圍的消聲量顯得不足。針對(duì)該車型消聲器在消聲性能上存在的不足,對(duì)該消聲器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。結(jié)合該消聲器在汽車上的具體安裝位置,利用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù),模擬了各種改進(jìn)方案的消聲效果,從中選出最佳方案。第一腔擴(kuò)張室上限臨界頻率fs=3581.7Hz,下限臨界頻率fx=145.4Hz;第1個(gè)最大消聲頻率fmax=568.9Hz,第一個(gè)通過頻率fmin=1137.8Hz。第2腔擴(kuò)張室上限臨界頻率fs=3581.7Hz,下限臨界頻率fx=327.1Hz;第1個(gè)最大消聲頻率fmax=1280Hz,第2個(gè)通過頻率fmin=2560Hz。而對(duì)于大于2000Hz的高頻噪聲,在消聲器的排氣緩沖管和兩端附加了一層吸聲材料;對(duì)于140Hz左右的低頻噪聲,則根據(jù)共振消聲理論,在消聲器的隔板和進(jìn)氣緩沖管上加鉆了33個(gè)Φ2的小孔。3消聲器和功率損失對(duì)比曲線的影響為了驗(yàn)證改進(jìn)后的消聲性能,對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的消聲器,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從改進(jìn)消聲器的和功率損失對(duì)比曲線(圖7、圖8)可以看出,在汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速范圍(3000rpm～5500rpm)內(nèi),改進(jìn)后的消聲器插入損失比原車消聲器提高了3～5dB;而功率損失與原消聲器相比,在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基本沒有變化,消聲器的整體性能有了較好的改善。4c擴(kuò)張室消聲器聲速c型結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和解析技術(shù),對(duì)汽車排氣消聲器的消聲能力進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)探討。通過實(shí)驗(yàn)研究的方法可以得到消聲器的消聲頻率特性;針對(duì)消聲頻率特性,利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)對(duì)消聲器的消聲性能進(jìn)行仿真模擬,從而快速評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的消聲效果。這種實(shí)驗(yàn)研究與解析分析相結(jié)合的分析方法不但避免了重復(fù)繁瑣的工程實(shí)驗(yàn),節(jié)省了試驗(yàn)周期,而且降低了開發(fā)成本,對(duì)提高消聲器的設(shè)計(jì)分析水平,具有重要的指導(dǎo)意義。式中D─擴(kuò)張室直徑(m)由(3)式可知,擴(kuò)張比越大,即擴(kuò)張室直徑越大,或?qū)Ч苤睆皆叫?其下限臨界頻率越低。為了使擴(kuò)張室消聲器的消聲頻率范圍寬廣些,就要求它的上限臨界頻率高些,而下限臨界頻率低些。c─擴(kuò)張室內(nèi)的聲速。當(dāng)擴(kuò)張室內(nèi)溫度為Q℃時(shí),其聲速c=332+0.6Q(m/s)由(2)式可知,擴(kuò)張室直徑越大,上限臨界頻率越小,高頻消聲效果越差。對(duì)于單節(jié)擴(kuò)張室消聲器,還有一個(gè)下限頻率fx凡是頻率低于這個(gè)下限頻率的噪聲,該單節(jié)擴(kuò)張室消聲器就不能消聲。下限臨界頻率fx由下式表達(dá):式中S———導(dǎo)管橫截面積(m)L———擴(kuò)張室長度(m)V———擴(kuò)張室容量(m)c———擴(kuò)張室內(nèi)的聲速Pi———圓周率(=3.1415926)。根據(jù)擴(kuò)張室消聲器的消聲量公式可知,只有當(dāng)sinkl=1時(shí),才有最大消聲量L;當(dāng)sinkl=0時(shí),消聲量為零。使sinkl=1,即,以波數(shù)代入,可得具有最大消聲量的頻率fmax,即:當(dāng)n=0時(shí),有第1個(gè)最大消聲頻率。使sinkl=0,即kl=n·Pi,可得消聲量為零的頻率(即通過頻率)fmax,即:當(dāng)n=1時(shí),有第1個(gè)通過頻率。要使第2節(jié)擴(kuò)張室的最大消聲頻率等于第1節(jié)擴(kuò)張室的通過頻率,由(5)、(6)式可得:式中c和c分別為第一和第二節(jié)擴(kuò)張室內(nèi)的聲速(m/s)l和l分別為第一和第二節(jié)擴(kuò)張室內(nèi)的長度(m)由于高溫排氣到第2擴(kuò)張室時(shí),溫度已經(jīng)下降;而聲速隨溫度下降而減小。故第2節(jié)的聲速c2必定小于第1節(jié)里的聲速c1,即。所以,在設(shè)計(jì)消聲器各腔長度時(shí),第1節(jié)擴(kuò)張室的長度應(yīng)該比第2節(jié)長度的2倍還要