汽車空氣動(dòng)力噪聲

1、一、流場(chǎng)中聲源的分類一、流場(chǎng)中聲源的分類1：?jiǎn)螛O子聲源2：雙極子聲源3：四極子聲源4：實(shí)際存在的聲源5：壁面(軟、硬)上的湍流邊界層的聲源一、流場(chǎng)中聲源的分類一、流場(chǎng)中聲源的分類 1、單極子聲源：可以看做點(diǎn)源，其由純放射的運(yùn)動(dòng)壓縮周圍的流體，而成的聲源（媒質(zhì)中流入質(zhì)量和熱量不均勻時(shí)形成聲源）。如沸騰的開(kāi)水，水雷的爆炸，由于排氣管很短，而聲音在固體中波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于排氣管長(zhǎng)度，可看成單極子聲源。 2、單極子聲源與流場(chǎng)的平均速度4次方成正比。 流場(chǎng)：呈放射狀聲場(chǎng)：在球面上的均勻一、流場(chǎng)中聲源的分類一、流場(chǎng)中聲源的分類 1、雙極子聲源：可以看做兩個(gè)點(diǎn)源，其距離近但相位相反。（流場(chǎng)中有障礙物，流體和物體產(chǎn)生

2、不穩(wěn)定的反作用力，雙極子為力聲源）。氣流的準(zhǔn)二維分離的情況可看做雙極子聲源，如風(fēng)吹電線，低速風(fēng)過(guò)車身頂蓋縫隙等。 2、雙極子聲源與流場(chǎng)的平均速度6次方成正比 流場(chǎng)：呈振蕩狀聲場(chǎng)：兩級(jí)相反一、流場(chǎng)中聲源的分類一、流場(chǎng)中聲源的分類 1、四極子聲源：可以看做兩個(gè)相位不同的雙極子聲源構(gòu)成了四極子聲源，其距離近但相位相反（媒體沒(méi)有質(zhì)量熱量注入，由氣體的粘性作用產(chǎn)生的輻射聲波）。氣流的三維分離的情況可看做雙極子聲源。在高排氣速度下，排氣管聲源為4極子聲源，高速情況下四極子聲源比例大。 2、四極子聲源與流場(chǎng)的平均速度8次方成正比 聲場(chǎng)：兩極或四極- - -流場(chǎng)：呈雙振蕩狀：流速UiLUif , 2 , 1

3、, 0)25. 0(411、邊緣音氣動(dòng)噪聲特征（狹帶，特定頻率域產(chǎn)生的狹帶域音）氣動(dòng)噪聲特征（狹帶，特定頻率域產(chǎn)生的狹帶域音）L3 , 2 , 1 , 0:L:)25. 0(6 . 0iULUif空腔特征長(zhǎng)度流速2、空腔諧振聲2 2、氣動(dòng)噪聲特征（狹帶）、氣動(dòng)噪聲特征（狹帶）UL：斷口的長(zhǎng)度：斷口容積：斷口直徑：斷口面積：音速HVDSC)8 . 0(2DHvsCf3、亥姆霍茲共鳴氣動(dòng)噪聲特征（狹帶）氣動(dòng)噪聲特征（狹帶）：開(kāi)口口的長(zhǎng)度：駕駛室或車艙容積：開(kāi)口面積：音速HVSC)S96. 0(2HvsCf4、窗漏音氣動(dòng)噪聲特征氣動(dòng)噪聲特征 （狹帶）（狹帶） 開(kāi)口部如車頂天窗，側(cè)窗附近渦流產(chǎn)生頻率和

4、駕駛室空間噪聲頻率大致相等，產(chǎn)生最大窗漏噪聲，多為車速在4080km/h開(kāi)始產(chǎn)生：特征長(zhǎng)度：氣流流速：斯特勞哈爾數(shù)DvSDvSfrr5、振動(dòng)噪聲氣動(dòng)噪聲特征氣動(dòng)噪聲特征 （狹帶）（狹帶）Uab 流動(dòng)通過(guò)圓柱時(shí)在下流產(chǎn)生規(guī)則的渦，有該渦產(chǎn)生的噪聲稱為振動(dòng)噪聲，處于b/a=0.2806穩(wěn)定狀態(tài)下的渦稱為卡門渦 流場(chǎng)中實(shí)際存在的聲源為以上各種聲源的集合體，大部分是雙極子和四極子聲源的集合體。根據(jù)相關(guān)研究，總結(jié)：汽車氣動(dòng)噪聲聲源的分類，產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的原因大體上包括三種，即密封不良、二維分離流動(dòng)以及三維分離流動(dòng)，見(jiàn)表氣動(dòng)噪聲特征氣動(dòng)噪聲特征 （廣帶，三維分離具有音域廣的特性）（廣帶，三維分離具有音域廣的

5、特性） （1）流場(chǎng)中實(shí)際存在的聲源為以上各種聲源的集合體，由于三維分離流動(dòng)在汽車車速范圍內(nèi)（60350km/h），氣流分離點(diǎn)、面位置基本固定在某特定的小范圍內(nèi)，氣動(dòng)阻力系數(shù)變化量很??！廣帶域音的聲源幾乎不受車速變化影響。 （2）改善廣帶域音的方法可以是減小高速行車時(shí)，氣流或能量的吸出，（車身局部形成較高負(fù)壓力區(qū)，造成內(nèi)流的吸出）減小車身縫隙，采用吸音材料。氣動(dòng)噪聲特征氣動(dòng)噪聲特征 （廣帶，三維分離具有音域廣的特性）（廣帶，三維分離具有音域廣的特性） （1）汽車表面的脈動(dòng)壓力：當(dāng)汽車高速行駛，車身和周圍的空氣相對(duì)作用，產(chǎn)生氣流分離，渦流，渦流湍流相互作用，形成強(qiáng)大的脈動(dòng)壓力。 （2）汽車表面的脈

6、動(dòng)壓力傳遞途徑： 1）滲漏噪聲：通過(guò)車身縫隙傳播的噪聲 2）穿透噪聲：脈動(dòng)壓力作用與車身壁面誘發(fā)鈑金、其他構(gòu)件振動(dòng)向車內(nèi)輻射的噪聲 （3）滲漏噪聲分兩部分：1）以車身外部脈動(dòng)流通過(guò)密封件形成的質(zhì)量流（單極子聲源）其在滲漏噪聲中占主導(dǎo)作用；2）縫隙氣流分離（二維，三維）產(chǎn)生雙極子和四極子聲源氣動(dòng)噪聲特征氣動(dòng)噪聲特征 （廣帶，三維分離具有音域廣的特性）（廣帶，三維分離具有音域廣的特性）對(duì)二維流動(dòng)的干預(yù)對(duì)二維流動(dòng)的干預(yù)在天線上纏繞螺旋線在天線上纏繞螺旋線在天窗上裝置合適材料在天窗上裝置合適材料特性的雙層密封條特性的雙層密封條 細(xì)節(jié)造型設(shè)計(jì)有助于降低后視鏡區(qū)域的噪聲。在一些轎車后視鏡的設(shè)計(jì)上，采用了凹

7、槽、凸緣用以影響后視鏡尾流，如圖對(duì)三維流動(dòng)的干預(yù)對(duì)三維流動(dòng)的干預(yù)1616計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果- -風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.01238第一輪外后視鏡第一輪外后視鏡第二輪外后視鏡第二輪外后視鏡Cd=0.01292后視鏡表面風(fēng)阻后視鏡表面風(fēng)阻 第二輪外后視鏡表面的風(fēng)阻略大于第一輪外后視鏡，增加了約4.4%； 通常情況下，整車風(fēng)阻在0.280.32之間，后視鏡的增加量0.0006對(duì)于整車風(fēng)阻而言是個(gè)極小的量，可以忽略不計(jì)；1717計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果- -表面寬頻噪聲分布云圖表面寬頻噪聲分布云圖第一輪外后視鏡第一輪外后視鏡第二輪外后視鏡第二輪外后視鏡u 第二輪后視鏡外形在靠近車體的一側(cè)圓角更大，使得該處氣體

8、流動(dòng)更為順暢，從而減小了后視鏡表面的氣動(dòng)噪聲；u 計(jì)算第二輪后視鏡表面最大寬頻噪聲；1818流動(dòng)跡線流動(dòng)跡線跡線跡線外后視鏡外后視鏡 （1）從跡線分布情況來(lái)看，為減小氣動(dòng)噪聲，氣流流經(jīng)后視鏡的氣體從車體側(cè)面經(jīng)過(guò)，不要再吹向玻璃，再附著在玻璃上。 （2）跡線要求流線明顯，反映較低的風(fēng)阻系數(shù)1919截面速度矢量圖截面速度矢量圖 截面的速度矢量圖來(lái)看：減小氣流的渦流區(qū)域，減小氣流分離面渦流渦流進(jìn)氣噪聲進(jìn)氣噪聲 1、進(jìn)氣系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而進(jìn)氣系統(tǒng)則是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)脈，也有人將進(jìn)氣系統(tǒng)比喻為汽車的呼吸系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命，從而影響整機(jī)的性能、壽命及環(huán)保性。 進(jìn)氣系統(tǒng)包含

9、了進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門機(jī)構(gòu)、空氣濾清器。 空氣濾清器一般由進(jìn)氣導(dǎo)流管、空氣濾清器蓋、空氣濾清器外殼和濾芯等組成?？諝鉃V清器的功用主要是濾除空氣中的雜質(zhì)或灰塵，讓潔凈的空氣進(jìn)入氣缸。實(shí)踐證明，發(fā)動(dòng)機(jī)不安裝空氣濾清器，其壽命將縮短2/3。另外，空氣濾清器也有降低進(jìn)氣噪聲的作用。2、進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理 （1）進(jìn)排氣噪聲均屬于空氣動(dòng)力噪聲，由于氣體擾動(dòng)以及氣體和其他物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲稱為空氣動(dòng)力噪聲 。直接向大氣輻射的空氣動(dòng)力噪聲包括：進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲。 （2）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲是由進(jìn)氣閥周期性開(kāi)閉而產(chǎn)生的壓力波動(dòng)所形成的。 （3）進(jìn)氣噪聲主要包括：周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流

10、噪聲、氣缸的玄姆霍茲共振噪聲和進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲。 2、進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理 （4）進(jìn)氣閥門開(kāi)啟時(shí)，活塞由于上止點(diǎn)下行吸氣，臨近活塞的氣體分子以同樣的速度運(yùn)動(dòng)，這樣在進(jìn)氣管內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖，隨著活塞的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，它受到阻尼；當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，同樣產(chǎn)生一個(gè)有一定持續(xù)時(shí)間的壓力脈沖，于是產(chǎn)生了周期性的噪聲脈沖噪聲，其噪聲頻率成分主要集中在200Hz以下的低頻范圍。 （5）同時(shí)，進(jìn)氣過(guò)程中的高速氣流流過(guò)進(jìn)氣門流通截面時(shí)，會(huì)形成渦流噪聲，由于進(jìn)氣門流通截面是不斷變化的，渦流噪聲主要集中在1000-2000Hz之間的高頻范圍； 2、進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理 （6）另外，如果進(jìn)氣管中空

11、氣柱的固有頻率與周期性進(jìn)氣噪聲的主要頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空氣柱共鳴，使進(jìn)氣管中的噪聲更加突出。 當(dāng)進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)，也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道中空氣壓力和速度的波動(dòng)，這種波動(dòng)由氣門處以壓縮波和稀疏波的形式沿管道向遠(yuǎn)方傳播，并在管道開(kāi)口端和關(guān)閉的氣閥之間產(chǎn)生多次反射，產(chǎn)生波動(dòng)噪聲。 進(jìn)氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣方式、進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)、缸徑、凸輪型線等設(shè)計(jì)因素有關(guān)，對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，受轉(zhuǎn)速影響最大， 轉(zhuǎn)速提高一倍，進(jìn)氣噪聲可以提高1015dB(A)kinzf2*60n:轉(zhuǎn)速 z:發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù) i: 發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù)（四沖程為2）k:諧波次數(shù)（階次數(shù)） f f: 噪聲頻率2、燃燒和撞擊聲： 頻率1000以上（大約）3、空氣

12、摩擦噪聲： 頻率8001000Hz以上（大約）1、進(jìn)氣空氣動(dòng)力噪聲（與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率相同）2. .進(jìn)氣噪聲的控制進(jìn)氣噪聲的控制 1、聲源控制： （1）合理的設(shè)計(jì)和選用空氣濾清器?？諡V是發(fā)動(dòng)機(jī)有效的進(jìn)氣消聲器，空濾所占的體積可作為膨脹性消聲器的膨脹腔，濾清器的容積達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)容積的五倍以上，就能達(dá)到良好的消音效果，一般來(lái)說(shuō)，容積越大消音效果就越好。但受前倉(cāng)空間的限制，空濾不可能做的非常大，因此消音效果受到限制?？諡V的濾芯是阻性消聲器良好的吸聲材料。 （2）合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣管道和氣缸蓋進(jìn)氣通道，減少進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度和氣門通道處的渦流強(qiáng)度。 （3）導(dǎo)流管：進(jìn)氣管探入空濾器本體內(nèi)，配合空濾本體內(nèi)氣道

13、設(shè)計(jì)來(lái)消除噪聲?？諝鉃V清器相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)張消音器，影響其傳遞損失的因素有兩個(gè)：擴(kuò)張比m和濾清器的長(zhǎng)度L。擴(kuò)張比越大越好，有兩種辦法提高擴(kuò)張比：一是減小管道的尺寸，二是增加濾清器的截面積。減小管道尺寸會(huì)使得功率損失增加，而增加濾清器的截面積又受到安裝空間的限制。將進(jìn)入管和輸出管插入到濾清器中也可以提高濾清器的傳遞損失。0bL22)2cos(2sin125.01lg10aLLmmTLaLcf44aL22)2cos()2cos(2sin125. 01lg10baLLLmmTL傳遞損失可以用以下公式來(lái)表達(dá)： 插入長(zhǎng)度正好是波長(zhǎng)的四分之一，也就是說(shuō)進(jìn)入管插入到濾清器中后，就相當(dāng)于在系統(tǒng)中加入了一個(gè)四分之一

14、波長(zhǎng)管，利用這個(gè)插入管，就可以調(diào)節(jié)某些頻率下的傳遞損失。 插入管大大地提高了插入損失，但是濾清器內(nèi)有過(guò)濾網(wǎng)，這樣插入長(zhǎng)度往往受到限制。另一方面，插入管會(huì)帶來(lái)較大的功率損失，其損失值比減小管道直徑帶來(lái)的損失還要大。所以是否采用這種插入管，要權(quán)衡傳遞損失和功率損失。 空中聲波長(zhǎng)約為250mm 一般來(lái)說(shuō)，減小空濾進(jìn)氣管的截面積有顯著的降噪效果； 增加進(jìn)氣管長(zhǎng)度能夠降低低速噪聲，但同時(shí)中高速噪聲會(huì)有較多的增大；減小空濾出氣管的面積，對(duì)進(jìn)氣噪聲的降低效果不是很明顯，反而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率有較大波動(dòng)； 引進(jìn)消聲措施：主要是增加赫爾姆茲消音器（諧振腔）和四分之一波長(zhǎng)管。赫爾姆茲消音器一般是用來(lái)消除低頻噪

15、聲，而四分之一波長(zhǎng)管用來(lái)消除高頻噪聲。如果要用四分之一波長(zhǎng)管來(lái)消除低頻噪聲，那么波長(zhǎng)管必須做得很長(zhǎng)，但是太長(zhǎng)的管道很難安裝。 這兩種消音器的目的都是消除窄頻帶的噪聲，但是赫爾姆茲消音器的消音頻帶比四分之一波長(zhǎng)管要寬，所以赫爾姆茲消音器比四分之一波長(zhǎng)管顯得更重要。進(jìn)氣系統(tǒng)中，低頻噪聲成分往往非常大，而控制低頻要采用赫爾姆茲消音器。所以在汽車設(shè)計(jì)初期，要盡可能地給進(jìn)氣系統(tǒng)留出較大空間，以便安裝赫爾姆茲消音器，一般來(lái)講赫爾姆茲消音器不能安裝在空氣濾清器上。 諧振腔式消聲器諧振頻率計(jì)算公式(如下圖)： 其中：C-為空氣中的音速 L-接管長(zhǎng)度 S-接管平均斷面積 V-諧振腔的容積 f-諧振頻率Lsv空濾

16、諧振腔四分之一波長(zhǎng)管四分之一波長(zhǎng)管 四分之一波長(zhǎng)管是安裝在主管道上的一個(gè)封閉的管子，如下面圖所示。聲波從主管道進(jìn)入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管，某些頻率的聲波與主管中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，從而達(dá)到消音目的。 這個(gè)旁支管的傳遞損失為： 式中L是四分之一波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度，而m是主管截面積與波長(zhǎng)管截面積的比值 當(dāng) （n=1,2,3）時(shí)，傳遞損失達(dá)到最大,旁支管長(zhǎng)為：四分之一波長(zhǎng)管共振的頻率為： 2102tan411log10LmTL2122nL412nLLcnf4)12(0 旁支管的頻率只取決于管道的長(zhǎng)度，管道越長(zhǎng)，頻率越低。從上式知道，影響四分之一波長(zhǎng)管傳遞損失的參數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)

17、是旁支管的截面積與主管截面積的比值m，另一個(gè)是波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度。 四分之一波長(zhǎng)管的一端是開(kāi)口的，一端是封閉的，在開(kāi)口處的聲波會(huì)象活塞一樣運(yùn)動(dòng)，存在輻射聲阻抗，因此管道的實(shí)際工作長(zhǎng)度增加，需要對(duì)開(kāi)口端進(jìn)行修正。對(duì)四分之一波長(zhǎng)管來(lái)說(shuō)，主管的管壁相當(dāng)于法蘭，于是四分之一波長(zhǎng)管的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)該為： 式中 和 分別是實(shí)際長(zhǎng)度和計(jì)算長(zhǎng)度，修正頻率為： 38rLLaaLLaLcf40 擴(kuò)張消音器是由一個(gè)主要腔室和兩邊與之相連接的管道組成，如圖所示。進(jìn)氣管道的截面積和出氣管道的截面積比擴(kuò)張腔室的截面積要小些。由于截面積的變化，聲阻抗就變化，因此擴(kuò)張消音器是一種抗性消音器。入射波到達(dá)擴(kuò)張室后，一部分能量被反射回進(jìn)氣管

18、，從而消耗聲能。在消音器里面并沒(méi)有能量損耗。 擴(kuò)張消音器擴(kuò)張消音器)2sin)1(411 (log101log10221010LmmTTLW 擴(kuò)張器比對(duì)傳遞損失的影響 擴(kuò)張消音器是由一個(gè)主要腔室和兩邊與之相連接的管道組成，如圖所示。進(jìn)氣管道的截面積和出氣管道的截面積比擴(kuò)張腔室的截面積要小些。由于截面積的變化，聲阻抗就變化，因此擴(kuò)張消音器是一種抗性消音器。入射波到達(dá)擴(kuò)張室后，一部分能量被反射回進(jìn)氣管，從而消耗聲能。在消音器里面并沒(méi)有能量損耗。 擴(kuò)張消音器擴(kuò)張消音器)2sin)1(411 (log101log10221010LmmTTLW 擴(kuò)張器長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響FlexibleelbowDecouplingelementCleanairshellFilterDirtyairshellFilterconnectionFlexibleelementResonatorOrificeExample Jaguar(美洲虎） X150 Air Induction syste