半主動消聲器對排氣低頻噪聲控制的研究

引言 隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量的快速增加我國汽車正逐漸步入家庭時代。而這也使得以汽車為主的交通噪聲污染已越來越嚴重，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料表明由于汽車產(chǎn)生的交通噪聲占總交通噪聲的75％。汽車噪聲是一個包括多種噪聲源的綜合噪聲源[1]，研究表明排氣噪聲是汽車的主要噪聲源之一。另外隨著人們對汽車乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟性的進一步提高，人們在對燃油經(jīng)濟性提出要求的同時也對汽車排氣噪聲提出了新的要求，這主要體現(xiàn)在排氣低頻噪聲方面。 本文主要研究的內(nèi)容：分析發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速噪聲，提出在消聲器內(nèi)設計彈簧閥（半主動消聲器）的方法來控制排氣低頻噪聲，同時在閥體開啟時增大氣流流通面積以降低排氣背壓和降低功率損失保證一定的燃油經(jīng)濟性，對消聲器進行流體CAE仿真并加工樣件進行試驗驗證。 1 汽車排氣低頻噪聲特征 1.1 排氣系統(tǒng)噪聲的組成 排氣噪聲包括空氣動力噪聲、沖擊噪聲、結(jié)構(gòu)輻射噪聲和氣流摩擦噪聲[1] 。排氣系統(tǒng)的空氣噪聲是由于發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的壓力波在排氣管道中傳播而產(chǎn)生的。在管道中這股氣流是穩(wěn)定的?？諝庠肼暼Q于排氣管道的直徑。排氣低頻噪聲主要源于空氣動力噪聲。 對于排氣噪聲來說低頻噪聲對人的主管感受有著重要的影響，主要體現(xiàn)在力度、轟鳴、煩惱等方面。對于車內(nèi)噪聲主要是要降低低頻噪聲對人的主管感受的影響。對于排氣系統(tǒng)來說低頻噪聲傳遞至車內(nèi)的途徑主要有兩條：一是通過與排氣系統(tǒng)相連的橡膠吊掛將結(jié)構(gòu)噪聲傳導至車內(nèi)。二是通過排氣尾管口通過空氣聲透過車體傳入車內(nèi)。 1.2 排氣噪聲的控制 排氣系統(tǒng)的噪聲控制主要是通過消聲器設計來實現(xiàn)的，排氣系統(tǒng)中所使用的消聲器主要有三種：抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗混合消聲器[2]。 為了達到對不同頻率的噪聲控制通常排氣系統(tǒng)采用多級消聲結(jié)構(gòu)，一般有三級消聲器、兩級消聲器和一級消聲器。 通常消聲器為了獲得理想的消聲性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計都較為復雜，如為了獲得較好的低頻噪聲需要增加赫姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)或增加1/4 波長管結(jié)構(gòu)，復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會導致背壓升高功率損失增大不但增加了消聲器的成本還對汽車的燃油經(jīng)濟性不利。如果把消聲器設計得簡單，雖然排氣背壓降低了，功率損失小了但消聲效果也隨之下降。 近年來人們提出了雙模態(tài)消聲器或半主動消聲器來解決上述矛盾即在消聲器中安裝一個彈簧閥，低轉(zhuǎn)速時閥門關(guān)閉，消聲效果好。高轉(zhuǎn)速時氣流速度升高消聲腔內(nèi)壓力升高使得閥門被沖開，空氣流通阻力減小功率損失相應降低。 2 分析與驗證 2.1 問題陳述 本文通過對某型發(fā)動機采用的消聲器性能測試發(fā)現(xiàn)其消聲器總體性能不錯但其在怠速時的低頻噪聲很重，尤其在其4 階53.5HZ 左右的噪聲給人的轟鳴感很強主觀感受很差。為此本文以該消聲器怠速下的噪聲為對標研究半主動消聲器對低轉(zhuǎn)速低頻噪聲的控制作用，嘗試通過對消聲器進行流體仿真分析確定彈簧的設計參數(shù)并加工樣件測試驗證其性能。 2.2 流體仿真分析及參數(shù)確定 利用 FLUENT 中湍流模型對消聲器的關(guān)閉和開啟的兩個狀態(tài)進行仿真確定閥門區(qū)域的壓力如圖1、圖2，以此為依據(jù)確定兩種狀態(tài)下的扭矩并以此設計彈簧閥體。 圖1. 關(guān)閉狀態(tài)截面壓力分布 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/332226.htm 圖 2. 開啟狀態(tài)截面壓力分布 仿真分析結(jié)果及計算扭矩如表 1. 2.3 結(jié)果驗證 2.3.1 流體仿真結(jié)果驗證 根據(jù)分析結(jié)果，對設計并加工樣件進行了閥體開閉時的壓力測試。測點位置如圖3 所示，測試方法如圖4 所示. 圖 4 壓力測試原理圖 測試結(jié)果如圖 5 所示 圖 5 壓力測試結(jié)果 從測試結(jié)果中可以看出測點處在閥體開啟時的壓力值為 13.5KPa 左右與仿真結(jié)果比較是可以接受的。 2.3.2 聲學測試結(jié)果驗證 完成了半主動消聲器壓力測試后，半主動消聲器和原消聲器進行整車試驗測量尾管噪聲。測量方法見表2. 圖 5 顯示了，半主動消聲器和原狀態(tài)消聲器測試的結(jié)果，從圖中可以看出原裝態(tài)消聲器在怠速時的4 階噪聲53.5HZ 有了明顯的改善從55dB（A）降至43dB（A）。 圖 5 尾管怠速噪聲測試結(jié)果 從測試結(jié)果來看，半主動消聲器對低頻噪聲有明顯的改善作用。同時高速時功率損失也是滿足要求的。 3 結(jié)語 本文通過對發(fā)動機排氣低頻噪聲的產(chǎn)生以及低頻噪聲對人的影響進行了分析并相對于傳統(tǒng)消聲器提出了用半主動消聲器來控制低頻噪聲的方法，經(jīng)過對消聲器的聲學和CFD 計算，設計了一套消聲器并加工樣件進行了試驗驗證。通過實例驗證結(jié)果表明半主動消聲器對低頻噪聲有較好抑制作用，為消聲器研發(fā)提供了新的設計思路。 參考文獻 [1] 龐劍, 諶剛, 何華. 汽車噪聲與振動. 北京理工大學出版社, 2006.