汽車空氣動力噪聲

1、一、流場中聲源的分類一、流場中聲源的分類1：單極子聲源2：雙極子聲源3：四極子聲源4：實際存在的聲源5：壁面(軟、硬)上的湍流邊界層的聲源一、流場中聲源的分類一、流場中聲源的分類 1、單極子聲源：可以看做點源，其由純放射的運動壓縮周圍的流體，而成的聲源（媒質中流入質量和熱量不均勻時形成聲源）。如沸騰的開水，水雷的爆炸，由于排氣管很短，而聲音在固體中波長遠大于排氣管長度，可看成單極子聲源。 2、單極子聲源與流場的平均速度4次方成正比。 流場：呈放射狀聲場：在球面上的均勻一、流場中聲源的分類一、流場中聲源的分類 1、雙極子聲源：可以看做兩個點源，其距離近但相位相反。（流場中有障礙物，流體和物體產生

2、不穩(wěn)定的反作用力，雙極子為力聲源）。氣流的準二維分離的情況可看做雙極子聲源，如風吹電線，低速風過車身頂蓋縫隙等。 2、雙極子聲源與流場的平均速度6次方成正比 流場：呈振蕩狀聲場：兩級相反一、流場中聲源的分類一、流場中聲源的分類 1、四極子聲源：可以看做兩個相位不同的雙極子聲源構成了四極子聲源，其距離近但相位相反（媒體沒有質量熱量注入，由氣體的粘性作用產生的輻射聲波）。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、四極子聲源與流場的平均速度8次方成正比 聲場：兩極或四極- - -流場：呈雙振蕩狀：流速UiLUif , 2 , 1

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

4、駕駛室空間噪聲頻率大致相等，產生最大窗漏噪聲，多為車速在4080km/h開始產生：特征長度：氣流流速：斯特勞哈爾數DvSDvSfrr5、振動噪聲氣動噪聲特征氣動噪聲特征 （狹帶）（狹帶）Uab 流動通過圓柱時在下流產生規(guī)則的渦，有該渦產生的噪聲稱為振動噪聲，處于b/a=0.2806穩(wěn)定狀態(tài)下的渦稱為卡門渦 流場中實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。根據相關研究，總結：汽車氣動噪聲聲源的分類，產生氣動噪聲的原因大體上包括三種，即密封不良、二維分離流動以及三維分離流動，見表氣動噪聲特征氣動噪聲特征 （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）流場中實際存在的聲源為以上各種聲源的集合體，由于三維分離流動在汽車車速范圍內（60350km/h），氣流分離點、面位置基本固定在某特定的小范圍內，氣動阻力系數變化量很小！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，氣流或能量的吸出，（車身局部形成較高負壓力區(qū)，造成內流的吸出）減小車身縫隙，采用吸音材料。氣動噪聲特征氣動噪聲特征 （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）汽車表面的脈動壓力：當汽車高速行駛，車身和周圍的空氣相對作用，產生氣流分離，渦流，渦流湍流相互作用，形成強大的脈動壓力。 （2）汽車表面的脈

6、動壓力傳遞途徑： 1）滲漏噪聲：通過車身縫隙傳播的噪聲 2）穿透噪聲：脈動壓力作用與車身壁面誘發(fā)鈑金、其他構件振動向車內輻射的噪聲 （3）滲漏噪聲分兩部分：1）以車身外部脈動流通過密封件形成的質量流（單極子聲源）其在滲漏噪聲中占主導作用；2）縫隙氣流分離（二維，三維）產生雙極子和四極子聲源氣動噪聲特征氣動噪聲特征 （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）對二維流動的干預對二維流動的干預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 細節(jié)造型設計有助于降低后視鏡區(qū)域的噪聲。在一些轎車后視鏡的設計上，采用了凹

7、槽、凸緣用以影響后視鏡尾流，如圖對三維流動的干預對三維流動的干預1616計算結果計算結果- -風阻系數風阻系數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后視鏡表面風阻后視鏡表面風阻 第二輪外后視鏡表面的風阻略大于第一輪外后視鏡，增加了約4.4%； 通常情況下，整車風阻在0.280.32之間，后視鏡的增加量0.0006對于整車風阻而言是個極小的量，可以忽略不計；1717計算結果計算結果- -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圓角更大，使得該處氣體

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

9、了進氣歧管、進氣門機構、空氣濾清器。 空氣濾清器一般由進氣導流管、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或灰塵，讓潔凈的空氣進入氣缸。實踐證明，發(fā)動機不安裝空氣濾清器，其壽命將縮短2/3。另外，空氣濾清器也有降低進氣噪聲的作用。2、進氣噪聲產生機理進氣噪聲產生機理 （1）進排氣噪聲均屬于空氣動力噪聲，由于氣體擾動以及氣體和其他物體相互作用而產生的噪聲稱為空氣動力噪聲 。直接向大氣輻射的空氣動力噪聲包括：進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲。 （2）發(fā)動機進氣噪聲是由進氣閥周期性開閉而產生的壓力波動所形成的。 （3）進氣噪聲主要包括：周期性壓力脈動噪聲、渦流

10、噪聲、氣缸的玄姆霍茲共振噪聲和進氣管的氣柱共振噪聲。 2、進氣噪聲產生機理進氣噪聲產生機理 （4）進氣閥門開啟時，活塞由于上止點下行吸氣，臨近活塞的氣體分子以同樣的速度運動，這樣在進氣管內產生一個壓力脈沖，隨著活塞的繼續(xù)運動，它受到阻尼；當進氣門關閉時，同樣產生一個有一定持續(xù)時間的壓力脈沖，于是產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，進氣過程中的高速氣流流過進氣門流通截面時，會形成渦流噪聲，由于進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、進氣噪聲產生機理進氣噪聲產生機理 （6）另外，如果進氣管中空

11、氣柱的固有頻率與周期性進氣噪聲的主要頻率一致時，會產生空氣柱共鳴，使進氣管中的噪聲更加突出。 當進氣閥關閉時，也會引起發(fā)動機進氣管道中空氣壓力和速度的波動，這種波動由氣門處以壓縮波和稀疏波的形式沿管道向遠方傳播，并在管道開口端和關閉的氣閥之間產生多次反射，產生波動噪聲。 進氣噪聲與發(fā)動機的進氣方式、進氣門結構、缸徑、凸輪型線等設計因素有關，對同一臺發(fā)動機來說，受轉速影響最大， 轉速提高一倍，進氣噪聲可以提高1015dB(A)kinzf2*60n:轉速 z:發(fā)動機缸數 i: 發(fā)動機沖程系數（四沖程為2）k:諧波次數（階次數） 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、進氣空氣動力噪聲（與發(fā)動機點火頻率相同）2. .進氣噪聲的控制進氣噪聲的控制 1、聲源控制： （1）合理的設計和選用空氣濾清器?？諡V是發(fā)動機有效的進氣消聲器，空濾所占的體積可作為膨脹性消聲器的膨脹腔，濾清器的容積達到發(fā)動機容積的五倍以上，就能達到良好的消音效果，一般來說，容積越大消音效果就越好。但受前倉空間的限制，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）合理設計進氣管道和氣缸蓋進氣通道，減少進氣系統內壓力脈動的強度和氣門通道處的渦流強度。 （3）導流管：進氣管探入空濾器本體內，配合空濾本體內氣道

13、設計來消除噪聲。空氣濾清器相當于一個擴張消音器，影響其傳遞損失的因素有兩個：擴張比m和濾清器的長度L。擴張比越大越好，有兩種辦法提高擴張比：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表達： 插入長度正好是波長的四分之一，也就是說進入管插入到濾清器中后，就相當于在系統中加入了一個四分之一

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

15、聲，而四分之一波長管用來消除高頻噪聲。如果要用四分之一波長管來消除低頻噪聲，那么波長管必須做得很長，但是太長的管道很難安裝。 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管要寬，所以赫爾姆茲消音器比四分之一波長管顯得更重要。進氣系統中，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。所以在汽車設計初期，要盡可能地給進氣系統留出較大空間，以便安裝赫爾姆茲消音器，一般來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算公式(如下圖)： 其中：C-為空氣中的音速 L-接管長度 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管四分之一波長管 四分之一波長管是安裝在主管道上的一個封閉的管子，如下面圖所示。聲波從主管道進入旁支管后，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，從而達到消音目的。 這個旁支管的傳遞損失為： 式中L是四分之一波長管的長度，而m是主管截面積與波長管截面積的比值 當 （n=1,2,3）時，傳遞損失達到最大,旁支管長為：四分之一波長管共振的頻率為： 2102tan411log10LmTL2122nL412nLLcnf4)12(0 旁支管的頻率只取決于管道的長度，管道越長，頻率越低。從上式知道，影響四分之一波長管傳遞損失的參數有兩個，一個

17、是旁支管的截面積與主管截面積的比值m，另一個是波長管的長度。 四分之一波長管的一端是開口的，一端是封閉的，在開口處的聲波會象活塞一樣運動，存在輻射聲阻抗，因此管道的實際工作長度增加，需要對開口端進行修正。對四分之一波長管來說，主管的管壁相當于法蘭，于是四分之一波長管的實際長度應該為： 式中 和 分別是實際長度和計算長度，修正頻率為： 38rLLaaLLaLcf40 擴張消音器是由一個主要腔室和兩邊與之相連接的管道組成，如圖所示。進氣管道的截面積和出氣管道的截面積比擴張腔室的截面積要小些。由于截面積的變化，聲阻抗就變化，因此擴張消音器是一種抗性消音器。入射波到達擴張室后，一部分能量被反射回進氣管

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