黃繼剛，李 琳 ，袁 磊， 賈克斌

(1. 南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院 車輛工程系，南京 211156；2. 博世汽車柴油系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，江蘇 無(wú)錫 214028)

車用內(nèi)插管式消聲器聲學(xué)性能的研究

黃繼剛1，李 琳1，袁 磊2， 賈克斌2

(1. 南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院 車輛工程系，南京 211156；2. 博世汽車柴油系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，江蘇 無(wú)錫 214028)

針對(duì)內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲給人耳帶來(lái)的不舒適問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了排氣系統(tǒng)上游端的聲源特性，根據(jù)其低頻階次的特征選擇了傳遞矩陣法和有限體積法預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這兩種方法對(duì)研究消除排氣壓力脈動(dòng)噪聲有效。通過(guò)進(jìn)一步研究?jī)?nèi)插管式消聲器的消聲性能，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)馗淖儍?nèi)插管的長(zhǎng)度能夠有效地消除通過(guò)頻率和改善特定頻段消聲效果。

聲源特性；內(nèi)插管式消聲器；傳遞矩陣法；有限體積法

0 引言

擴(kuò)張式消聲器是內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)廣泛采用的消聲裝置，這種消聲器主要借助氣流通路截面的突變，使聲波產(chǎn)生干涉、共振或反射現(xiàn)象而達(dá)到消除或阻礙聲能傳播的效果[1]。擴(kuò)張式消聲器消聲量的幅值由擴(kuò)張比決定，而在頻域上的特性與擴(kuò)張式的長(zhǎng)度和內(nèi)插管的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。傳遞損失作為評(píng)判消聲器的重要指標(biāo)，其定義為出口為無(wú)反射端時(shí)，進(jìn)口處的入射聲功率級(jí)和出口處的透射聲功率級(jí)的差值[2]。傳遞損失與聲源阻抗和管口輻射阻抗無(wú)關(guān)，只與消聲器本體有關(guān)，因此傳遞損失在消聲器的聲學(xué)性能理論分析以及消聲器的前期開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中被廣泛使用。

目前，研究消聲器傳遞損失的主要有頻域方法和時(shí)域方法。Peat K S和馮莉黎等基于平面波理論的傳遞矩陣法[3-4]、Barbieri和徐貝貝等基于有限元法[5-6]、王雪任等基于邊界元法分別進(jìn)行了消聲器傳遞損失頻域方法的研究[7]。時(shí)域方法包括有限差分法和有限體積法，兩種方法均基于非穩(wěn)態(tài)流體動(dòng)力學(xué)模型求解流動(dòng)方程，通過(guò)傅里葉變換得到頻域內(nèi)的聲學(xué)參數(shù)[8-9]?？紤]到汽車用消聲器特殊的工作環(huán)境，首先研究其聲源特性，其次在研究排氣系統(tǒng)噪聲源特性的基礎(chǔ)上選擇兩種有效的預(yù)測(cè)消聲器傳遞損失的方法，最后研究了內(nèi)插管式消聲器的聲學(xué)性能。

1 聲源特性的研究

排氣噪聲是汽車及其發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的噪聲源，它的噪聲往往比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲(排氣噪聲除外)高10～15dB(A)[10]。排氣噪聲主要包括排氣壓力脈動(dòng)噪聲、沖擊噪聲、渦流噪聲和氣柱共振噪聲，這些噪聲沿著排氣管路向外傳播，由尾管口向大氣輻射形成管口輻射噪聲。

為研究排氣系統(tǒng)的聲源特性，在某四缸渦輪增壓柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的上游端(即排氣門后渦輪增壓前)布置壓力傳感器，測(cè)試工況分別為穩(wěn)態(tài)1000轉(zhuǎn)、1500轉(zhuǎn)、2000轉(zhuǎn)、2500轉(zhuǎn)、3000轉(zhuǎn)和3400轉(zhuǎn)。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得排氣系統(tǒng)上游管道內(nèi)氣體壓力的頻譜，可以看出有很明顯的階次特征，這說(shuō)明排氣門開啟的瞬間，氣缸內(nèi)高燃燃?xì)獾耐蝗粐姵鰶_擊排氣閥后面的氣體，使其產(chǎn)生壓力巨變進(jìn)而形成壓力波，從而激發(fā)出噪聲。

由于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸的排氣都是在指定相位上進(jìn)行的，因而會(huì)形成周期性的低頻噪聲，其噪聲的基頻與內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火頻率一致，計(jì)算公式是：

(1)

其中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Z為氣缸數(shù)。由計(jì)算公式可得1000轉(zhuǎn)時(shí)噪聲基頻為f=1000×4/120=3.3Hz，由圖1可以看出測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果完全一致。

圖1 1000轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的排氣系統(tǒng)上游壓力頻譜

各個(gè)工況下排氣系統(tǒng)上游壓力的頻譜如圖2所示，從圖中可以看出排氣壓力脈動(dòng)噪聲主要在小于500Hz的低頻范圍內(nèi)，除上述的基頻外，排氣噪聲中的前幾次諧頻也很明顯，并且隨著階次的升高，諧頻分量的幅值在逐漸下降。

圖2 各個(gè)轉(zhuǎn)速下測(cè)得的排氣系統(tǒng)上游壓力頻譜

排氣噪聲中的排氣壓力脈動(dòng)噪聲決定了排氣噪聲中的階次特征，為研究排氣壓力脈動(dòng)噪聲在排氣噪聲中的貢獻(xiàn)量，在半消聲室中用等長(zhǎng)直管替換原有的排氣系統(tǒng)并測(cè)試其尾管口輻射噪聲，麥克風(fēng)位置距離尾管口500mm且與其軸向呈夾角。測(cè)試裝置及結(jié)果如圖3，4所示，A計(jì)權(quán)下尾管口輻射噪聲總值為104.1dB，而其二階、四階、六階和八階噪聲分量分別為98.93dB、108.06dB、104.88dB、101.44dB，可以看出在不引入消聲器本身帶來(lái)的氣流再生噪聲的情況下，排氣系統(tǒng)的排氣壓力脈動(dòng)噪聲在整體噪聲水平中貢獻(xiàn)很大。

圖3 半消聲室測(cè)試等長(zhǎng)直管的尾口輻射噪聲

圖4 等長(zhǎng)直管尾管口輻射噪聲和各階次噪聲

上述分析可知，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，排氣壓力脈動(dòng)噪聲可以看成是排氣系統(tǒng)噪聲源的主要成分，并且在頻域上表現(xiàn)為低頻的階次特征。在實(shí)際工程中，為減少低頻噪聲帶來(lái)的人耳的不舒適感，也提出了最大限度的降低低頻噪聲尤其是階次噪聲的需要。

2 傳遞損失的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和預(yù)測(cè)

2.1 傳遞損失的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

如圖5所示為具有內(nèi)插管的消聲器，樣件腔體長(zhǎng)度l=300mm，腔體內(nèi)直徑D=177mm，內(nèi)插管長(zhǎng)度分別為l1=145mm、l2=75mm，內(nèi)插管的內(nèi)直徑均為d=51mm。

圖5 內(nèi)插管式抗性消聲器樣件和傳遞損失實(shí)驗(yàn)測(cè)試

傳遞損失的測(cè)試采用雙負(fù)載的方法，由采集軟件產(chǎn)生白噪聲信號(hào)，通過(guò)功率放大器輸入到聲源處，在阻抗管的上下游兩端各安置一對(duì)麥克風(fēng)，通過(guò)求解上下游的入射聲壓和透射聲壓，再根據(jù)自譜和互譜得到聲功率級(jí)之差。由于測(cè)試條件的限制，測(cè)試結(jié)果在部分頻段失真，結(jié)果將在下文中給出。

2.2 基于傳遞矩陣法的傳遞損失數(shù)值預(yù)測(cè)

當(dāng)噪聲的頻率低于消聲器第一階高階模態(tài)激發(fā)頻率時(shí)，其內(nèi)部只有平面波傳播，因此可用平面波理論來(lái)分析消聲器的傳遞損失特性?？紤]到汽車用消聲器在有流的環(huán)境中，其平面波的截止頻率為：

(2)

其中，M為介質(zhì)的馬赫數(shù)，c為聲速，a為管道半徑。排氣系統(tǒng)中的氣體流速一般不超過(guò)50m/s，常溫下取流速為50m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)為0.145，以圓形管道為例計(jì)算各種管道半徑下平面波的截止頻率見表1。

表1 有流時(shí)不同管徑的管道平面波截止頻率

工程實(shí)際中，內(nèi)燃機(jī)消聲器的管道半徑一般不會(huì)大于200mm，并且其處于高溫環(huán)境下聲速比常溫高，由表1和本文第一節(jié)中的分析可知平面波理論適用于研究排氣壓力脈動(dòng)噪聲。

傳遞矩陣法的基本思想是把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成不同的基本聲學(xué)單元，用傳遞矩陣來(lái)表示各個(gè)基本消聲單元進(jìn)出口之間的關(guān)系，再將各個(gè)基本消聲單元的傳遞矩陣相乘就可獲得整個(gè)系統(tǒng)的傳遞矩陣，進(jìn)而，用獲得的四極參數(shù)就可以計(jì)算出消聲器的插入損失、傳遞損失和減噪量，對(duì)于一個(gè)基本聲學(xué)單元，如果以聲學(xué)量分別作為單元前后部的輸入和輸出，那么就可以建立起該單元的基于傳遞矩陣的傳遞函數(shù)[11]，每個(gè)聲學(xué)單元進(jìn)出口間的聲壓p和質(zhì)量振速可表示為：

(3)

將上述四極參數(shù)帶入到公式，計(jì)算出消聲器的傳遞損失：

(4)

式中S、M、和c分別代表管道橫截面積、馬赫數(shù)、密度和聲速，下標(biāo)1、2分別代表進(jìn)、出口。

圖5所示的內(nèi)插管式消聲器可以劃分為三個(gè)基本聲學(xué)單元：一個(gè)截面突擴(kuò)單元、一個(gè)等截面直管單元、一個(gè)截面突縮單元。

由平面波理論可以推導(dǎo)出截面突擴(kuò)單元的傳遞矩陣為：

(5)

等截面直管單元的傳遞矩陣：

[T2]=

(6)

截面突縮單元的傳遞矩陣：

(7)

則整個(gè)消聲器的傳遞矩陣即為三個(gè)基本傳遞矩陣的乘積：

[T]=[T1][T2][T3]

(8)

利用上述推導(dǎo)的各聲學(xué)單元的傳遞矩陣，在Matlab軟件中編寫了計(jì)算消聲器傳遞損失的程序，計(jì)算得到的傳遞損失與測(cè)試的對(duì)比結(jié)果如圖6所示，可以看出傳遞矩陣法在平面波范圍內(nèi)能有效的預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試和傳遞矩陣法的結(jié)果對(duì)比

2.3 基于有限體積法的傳遞損失仿真預(yù)測(cè)

GT-Power軟件是一款優(yōu)秀的一維噪聲仿真軟件，其采用有限體積法將研究對(duì)象離散成有限的、連續(xù)的、無(wú)重疊的體積，在每個(gè)體積內(nèi)以控制方程的守恒形式建立積分方程，再根據(jù)積分方程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于容積內(nèi)部，邊界上的值由相鄰節(jié)點(diǎn)上的變量插值而得[11]。計(jì)算時(shí)假定各標(biāo)量均勻分布在利用體積元中心點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，各矢量在體積元邊界進(jìn)行插值計(jì)算[12]。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試、傳遞矩陣法和有限體積法的結(jié)果對(duì)比

如圖7所示為對(duì)圖5所示內(nèi)插管式消聲器分別采用傳遞矩陣法、有限體積法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的傳遞損失結(jié)果對(duì)比，可以看出有限體積法同樣能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失。

3 內(nèi)插管式消聲器消聲性能的研究

當(dāng)進(jìn)氣管和出氣管插入腔內(nèi)的長(zhǎng)度l1=0、l2=0時(shí)，即為簡(jiǎn)單的擴(kuò)張腔，由圖8可以看出擴(kuò)張腔使得消聲器在570Hz存在通過(guò)頻率，即在該頻率段附近消聲器失去消聲效果，不同長(zhǎng)度的內(nèi)插管均改善了簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔的消聲性能。由式(5)、(6)、(7)也可以看出在其它幾何參數(shù)不變的情況下改變內(nèi)插管的插入長(zhǎng)度l1和l2將改變消聲器的消聲性能，合適的改變內(nèi)插管的長(zhǎng)度可以消去通過(guò)頻率，在實(shí)際工程中，往往需要在低頻段改善某一頻段的階次噪聲消聲效果，改變內(nèi)插管的長(zhǎng)度不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。

圖8 不同長(zhǎng)度內(nèi)插管消聲器的傳遞損失對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了內(nèi)燃機(jī)的排氣壓力脈動(dòng)噪聲是排氣系統(tǒng)氣體動(dòng)力噪聲的主要成分，并決定了排氣噪聲的低頻階次特征，這也為消聲器的設(shè)計(jì)提供了頻域上的目標(biāo)范圍。為消除排氣壓力脈動(dòng)噪聲及其帶來(lái)的人耳不舒適感，需要在排氣系統(tǒng)中安裝消聲器。消聲器的傳遞損失是消聲器前期設(shè)計(jì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文以內(nèi)插管式抗性消聲器為研究對(duì)象，驗(yàn)證了平面波理論對(duì)于研究排氣壓力脈動(dòng)噪聲的有效性，基于傳遞矩陣法推導(dǎo)出此類消聲器的四極參數(shù)，并編制Matlab程序較為準(zhǔn)確地計(jì)算出了消聲器的傳遞損失，同時(shí)基于時(shí)域的有限體積法也較為準(zhǔn)確地仿真出消聲器的傳遞損失，這兩種方法均能在平面波范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)消聲器的傳遞損失。

本文進(jìn)一步研究了內(nèi)插管式消聲器的內(nèi)插管長(zhǎng)度對(duì)消聲性能的影響，適度地改變內(nèi)插管的長(zhǎng)度可以有效地消除通過(guò)頻率，也可以改善特定頻段的消聲效果以滿足工程實(shí)際中特定頻段的消聲要求，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Research of Acoustic Performance for Inner Insertion-type Automotive Muffler

HUANG Ji-gang1, LI Lin1, YUAN Lei2, JIA Ke-bin2

(1. Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China; 2.Technology Center, Bosch Automotive Diesel System Co., Ltd, Wuxi Jiangsu 214028, China)

Considering the discomfort caused by noises of internal combustion engine exhaust system, characteristics of sound source in the upstream of exhaust is studied by an experiment, according to the characteristics of order in low frequency range, Transfer Matrix Method and Finite Volume Method are chosen to predict transmission loss of muffler, experimental results show that the two methods are effective for the study of exhaust pressure pulsation noise. With further research of intubation acoustical performance, it was found that specific spectrum can be eliminated and specific spectrum silencing effect can be improved by changing the length of the intubation appropriately.

characteristic of sound source; inner insertion-type muffler; transfer matrix method; finite volume method

2016-08-18

黃繼剛(1982-)，男，江蘇蘇州人，講師，主要從事車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究、教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室管理研究。

U467.4+93

A

1009-7961(2017)01-0001-04