消聲器設計與聲學分析

消聲器設計與聲學分析第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一主要內容消聲器設計與聲學分析基礎GT-POWER中的標準聲學分析GT-POWER中的線性聲學分析Muffler－專用消聲器設計模塊GEM3D在消聲器設計與聲學分析中的應用第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一消聲器設計與聲學分析基礎第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一消聲器的設計要求聲學要求減少聲能的傳遞－傳遞損失插入損失空氣流動要求空氣流過消聲元件時受到阻力流體壓力上升機械和材料方面的要求氣流、溫度對材料性能的影響成本的控制安裝空間的限制能量損失增大流速過高，摩擦噪聲增大第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一消聲器的設計步驟對噪聲源進行實地了解，主要實測發(fā)動機排氣噪聲的頻譜，并且分析各個頻帶上的噪聲聲壓級，通常用A聲級測出噪聲的聲頻譜，采用1/3倍頻程帶寬或倍頻程帶寬的頻率分析裝置作出頻率特性曲線圖，這是消聲器設計的主要依據(jù)掌握發(fā)動機的基本參數(shù)、工作條件，如氣流的流量、流速、管道的截面參數(shù)等明確要設計的消聲器的性能要求，如要求達到的消聲量和允許的最大壓力損失選擇消聲器的類型，根據(jù)對消聲器性能的要求、聲源特性、環(huán)境的影響空間的限制等條件，選擇適當類型的消聲器設計計算消聲器的各種結構尺寸時，選擇合適的消聲材料及消聲結構，要根據(jù)消聲原理及性能要求作理論計算，并考慮空間的限制和制造成本驗算或作必要的實驗，確認消聲器能達到各項性能指標。根據(jù)加工及安裝的工藝性要求來設計消聲器，有時試驗后還要進行改進才最后完成對選擇的消聲器，進行實際工況下的測試，對消聲器性能的理論計算結果進行測試，分析誤差并進行改進第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一消聲元件的結構形式的選取消聲元件的分類主動：電子控制、產生與聲源幅值相等、相位相反的次聲波。半主動：被動控制系統(tǒng)，消聲效果由氣流控制，如排氣系統(tǒng)中的雙模態(tài)消聲器。被動消聲器聲能被反射和吸收成本太高，汽車進排氣系統(tǒng)中應用較少阻性抗性內部裝有消聲材料擴張消聲器旁支消聲器赫姆霍茲消聲器?波長管?波長管只能消除窄頻帶的噪聲第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一消元件特性擴張消音器特性：擴張比和擴張腔室的長度擴張比增大：傳遞損失增加（幅值）長度增加時，最大值的中心頻率減少，帶寬也減少赫姆霍茲特性：容積、連接管長度、連接管的截面積容積增加，共振頻率降低，幅值變化沒有規(guī)律截面積增加時，共振頻率也增加，幅值變化也沒有規(guī)律管長增加時，共振頻率下降，幅值變化沒有規(guī)律主管截面增加時，傳遞損失減少，頻帶變窄，但頻率不變?波長管特性：長度、面積比（旁支截面積比主管截面面積比值）長度越大，頻率越低截面積比越大，傳遞損失幅值增大，帶寬也增大，但對頻率不影響用來消除較高頻率第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一排氣系統(tǒng)噪音特性排氣系統(tǒng)噪音組成：空氣噪音（脈動噪音）；發(fā)動機的氣缸數(shù)；幾何尺寸；（GT主要關注點）沖擊噪音；氣流對管路的沖擊引起；輻射噪音；機械振動；穩(wěn)定氣流引起；不穩(wěn)定氣流引起；氣流摩擦噪音；紊流引起；高頻；溫度影響：溫度高，低頻降噪能力降低V型發(fā)動機，選擇適當?shù)腨型管（決定半階次大?。┑?頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例：簡單擴張室式消聲器結構形式的選取總容積、擴張比各腔長的分布等消聲器的基本結構發(fā)動機具體型號排氣噪聲頻譜，消聲器設計的一些基本原則和規(guī)定參考原消聲器或類似工況下的消聲器擴張比理想的m為：7～20盡可能取在10～14之間節(jié)數(shù)通常以2～4節(jié)為宜，除非有低噪聲或特殊要求，節(jié)數(shù)不應該多于4節(jié)。總體積Y為消聲系數(shù)，一般取5－6n0為標定轉速；N為氣缸數(shù)為行程數(shù)；Vh為排量第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一排氣消聲器的結構形式套管（框型罐）內裝式Helmholtz

消聲器三管迷路Helmholtz

消聲器同心Helmholtz

消聲器旁支Helmholtz

消聲器穿孔管消聲器Helmholtz消聲器?波長管復合消聲器阻性消聲器Helmholtz消聲器頻率作用范圍：40～200Hz；三管迷路頻率作用范圍100～500Hz；套管加入消聲材料頻率作用范圍：≧500HzHelmholtz腔第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一常用聲學評價指標傳遞損失(TransmissionLoss)消聲器入射聲（Lwi）和透射聲（Lwt）的聲功率之差。傳聲器聲源管路聲學元件全消音傳聲器加入全消音裝置，防止聲波繼續(xù)反射回來第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一常用聲學評價指標插入損失（InsertionLoss）系統(tǒng)中插入消聲元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級（或聲壓級）的差值。聲源聲源管路管路聲學元件傳聲器傳聲器W1：沒有安裝消聲元件的系統(tǒng)在測量點的聲功率W2：安裝了消聲元件后在同一點測量的聲功率第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一常用聲學評價指標聲壓級差值（leveldifference）系統(tǒng)中任意兩點的聲壓級的差值聲源管路聲學元件傳聲器1傳聲器2第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一評價指標的比較

傳遞損失:只要有截面變化，就存在傳遞損失，而且永遠是正值。只與消聲元件的結構、介質的阻抗率以及截面面積有關。而與消聲元件在系統(tǒng)中的位置沒有關系。用于描述單個元件。插入損失：取決于傳遞損失和消聲元件在系統(tǒng)中的位置有關以及聲源和出口處的聲學特性?？赡苁钦狄部赡苁秦撝怠Ｓ糜诿枋稣麄€系統(tǒng)。聲壓級差值：與聲源特性無關，但卻取決于出口處的聲學特性。用于評價出口處的最終的噪聲指標。第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一GT-POWR中的標準聲學分析

——非線性聲學第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一聲學預測工具提供了多種預測整個系統(tǒng)聲學特性的工具運用非線性預測工具可以把頻域信號轉化成時域信號麥克風（傳聲器）傳遞損失插入損失傳遞損失（2Mic）聲音文件轉換快速傅立葉變換階次追蹤數(shù)據(jù)提取第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一OrderTrackingandHarmonics例:四沖程發(fā)動機@6000rpmBasicf:50HzRotationf:100Hz1st，2nd，4th

harmonics:50Hz，100Hz，200Hz1st，2nd，4th

orders:100Hz,200Hz,400Hz.對于二沖程發(fā)動機：Harmonics=OrdersEngineCycleEngineRevolutionBasicFrequencyRotationFrequencyordersHarmonics*Mult.*Mult.第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一采樣率、存儲率和頻率混疊GT-POWER不能預測頻率高于1000Hz的噪音。在進行聲學性能分析時要用小的離散長度在使用外部數(shù)據(jù)進行聲學性能分析的時候，采樣頻率也非常重要，要保證所有的采樣的點都被存儲起來。根據(jù)Nyquist理論，當采樣頻率低于信號中最高頻率的2倍的時候，將發(fā)生混疊數(shù)字濾波器不能消除混疊現(xiàn)象，它只與采樣頻率相關第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一采樣率、存儲率和頻率混疊由于GT-POWER采用的時間步長很短，所以基本上能消除頻率混疊現(xiàn)象。輸出數(shù)據(jù)是離散的如果每個時間步長內的數(shù)據(jù)沒有完全被存儲起來將發(fā)生aliasing（頻率混疊）一般只有在預測高頻事件中才會產生頻率混疊現(xiàn)象當采樣頻率≤12691Hz時預測的結果是準確的第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustExtMicrophone’相當于一個外置的隨機的白噪聲麥克風，可根據(jù)聲源特性將氣流的壓力波模擬成聲波通過在自由場中放置麥克風，計算由于流動脈動引起的噪聲假定脈動流動是由于單極子的振動輻射產生計算通過噪聲（考慮到多普勒效應）把麥克風和車輛之間的距離設置為定值，即傳聲器隨車輛一起運動。把麥克風的空間位置確定，車輛運動考慮了車輛和外置傳聲器之間的相對運動，產生多普勒效應當車輛朝著傳聲器方向運動的時候，由于相對運動，導致傳聲器測得的波長變短、頻率變高當車輛遠離傳聲器方向運動時候，由于相對運動，導致傳聲器測得波長變長，頻率變低Multiplesourcesmayinfluence1microphone(dualexhaust)在V6.2版本以后可以考慮流動噪聲（見注釋）第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustExtMicrophone’該模塊用于模擬過程中也可以用于計算結果的后處理中輸出結果：dBvs.Frequency（頻譜分析）dBOrderTracking（階次分析）LinearOrderandFrequencyContours（？？）dBOrderandFrequencyContours（Cambell圖）Post－processDuringasimulation第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Microphone－計算方法傳感器傳出每個時間步長的速度信號麥克風把速度信號轉換成壓力信號GT-POWER對壓力信號進行插值用于FFT轉換對壓力信號進行FFT轉換計算每個頻率下聲波的振幅2134第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustExtMicrophone’輸入?yún)?shù)推薦頻域分析的最大頻率≦1000Hz應用24階低通濾波器瞬態(tài)窗函數(shù)的選擇穩(wěn)態(tài)工況：NO瞬態(tài)工況：Hanning窗Coherence（決定聲源基頻的一致性）：not－Coherence球面聲波or半球面聲波實際情況應該是介于兩者之間預測結果相差3dB把非周期信號轉換成周期信號第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一采用Chung和Blaser的理論和方法在4個外置麥克風間通過自相關譜和互相關譜得到聲功率之差由speaker’提供白噪聲聲源必須采用無回聲的終止端（防止聲波的反射）四麥克風方法用于把壓力分解到正向和反向部件‘AcoustTransLoss’第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustTransLoss’【注意】所有的傳感器必須放置在管路的中心位置需要檢查離散長度、整個管路的長度以及傳感器的位置DistanceinobjectshouldbesameasdistancebetweenSensorConns？？？模型中傳感器的位置必須與實驗設備的位置一樣在做試驗對比的時候要選擇合適的測點位置傳遞損失對采樣點的多少十分敏感一般設置最大時間步長為0.088deg，對應的FFT中最大采樣點為4096。

numberofpoints:assumesthatadriverof360degreesisused.(derivationisleftasexercisefortheuser)（？？？）第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustTransLoss’傳遞損失分析模塊用法：

Duringthesimulation（正在進行的模擬）

Post－Processing（后處理）‘data’模塊用于從模擬結果中得到數(shù)據(jù)確保模擬之初所有數(shù)據(jù)點都能儲存到‘data’中第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustTf2Mic’在管路內部的兩個位置放置兩個麥克風用于預測管路內部的動態(tài)聲壓傳遞函數(shù)定義為每個頻率下信號2和信號1的振幅之比考慮到聲波反射和尾管的影響結果可以用dB表示的降噪量？？signal1signal2第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustInsLoss’原理是計算兩個外置麥克風之間的聲壓級之差。由于插入損失與聲源特性有關，因此計算時必須要將消聲器與發(fā)動機相連。提供插入消聲元件后的聲壓級損失分析步驟：不插入消聲元件，儲存流速信號在‘data’模塊中插入消聲元件，用存儲在‘data’中的信號以及‘AcoustInsLoss’計算插入損失第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Filter（濾波器）采用低通濾波器消除采樣數(shù)據(jù)中的高頻信號消除在差值過程中Contamination的可能性？24th

階次的濾波器應用效果最好（TransLoss、Mic）第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘AcoustToWAVFile’用于產生‘*.wav’文件穩(wěn)態(tài)計算：重復最后一個循環(huán)的模擬結果聲音文件的時間由用戶控制瞬態(tài)計算：聲音文件的時間等于整個瞬態(tài)過程的時間輸入?yún)?shù)推薦：Bits:16SamplingRate:44.1kHzFilter:54thorder第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一DataWindows（瞬態(tài)窗）當采樣的數(shù)據(jù)為非周期性信號，采用FFT時會產生旁瓣現(xiàn)象。通過對數(shù)據(jù)加窗函數(shù)可以消除旁瓣現(xiàn)象窗函數(shù)可以改善信號的頻率響應，但加窗的最主要的目的是消除旁瓣（推薦使用Hanning窗）窗函數(shù)常用于瞬態(tài)分析（轉速變化比較劇烈的情況）第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一GT－power中的聲學評價指標傳聲損失分析插入損失分析實際試驗中測量傳遞損失是非常困難的。它反應的是消聲器本體的聲學性能，是消聲器的固有特性。通常用與不同結構的消聲器進行對比分析。此外特別適合缺乏發(fā)動機參數(shù)的情況，也可以將由試驗取得的發(fā)動機出口處的狀態(tài)參數(shù)輸入到聲源模塊且計算速度快。安裝消聲器前后在發(fā)動機排氣口某固定測點處測得的計數(shù)聲級之差，它直接反映了消聲器對發(fā)動機噪聲的消聲效果。該指標能綜合反應內燃機、消聲器和消聲器尾管的匹配特性。由于插入損失考慮聲源特性，因此必須建立發(fā)動機模型。通常情況下計算插入損失必須建立兩個模型一個帶消聲器的模型和一個不帶消聲器的空管模型，兩個模型在排氣口處的聲壓級之差即為插入損失。此聲波可以轉化成聲音文件播放出來，形象直觀。第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一GT-POWR中的線性聲學分析

第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學模型計算方法：傳遞矩陣（頻域分析）輸入?yún)?shù)：幾何尺寸、邊界條件、初始條件適用對象：有聲學分析經驗的工程師（使用過其他相似的聲學分析工具）模型中常用的流動部件：PipeFlowsplitOrificeCatalystBrickEndEnvironmentEndFlowCap第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學模型采用傳遞矩陣（4－pole）來描述系統(tǒng)的屬性對于每個組件都有一個獨立的傳遞矩陣例：從位置1到位置2的傳遞矩陣為每個單獨的傳遞矩陣合并成一個大的傳遞矩陣描述整個系統(tǒng)第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學模型計算方法：基于平面聲波理論－HelmholtzequationInputRespondsTransferMatrixBlackBox壓力、流量的傳遞矩陣形式正向、反向的傳遞矩陣形式聲波傳播、反射的傳遞矩陣形式第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學模型的應用計算要求：計算速度快、只反應系統(tǒng)的整體性能不在時域上進行計算不能考慮詳細細節(jié)（部件的流速、壓力etc.)不考慮空間位置只反映整個系統(tǒng)的響應適用的頻率范圍：Airbox——聲速為343m/s等效直徑為200mmMuffler——聲速為500～600m/s等效直徑為350mm最大頻率≤1000Hz主要應用范圍：比較幾個消聲器的性能差異第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學分析的影響因素平均流動考慮了Mach數(shù)的影響質量流量可以通過每個連接件的“InitialMassFlowRate”

獲得ViscoThermal考慮流體粘性和熱力學性質的影響溫度可以通過每個連接件的“WallTemperature”

獲得第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學預測工具

Template Description AnalogAcoustSource 線性聲源 EndFlowSpeakerEndFlowRadiation 線性聲學 EndEnvironment, 邊界條件 EndFlowAnechoicAcoustLinEigen 本征頻率的計算 None(order/mode (naturalfrequencies) storageflag)AcoustLinTransLoss 傳遞損失 AcoustTransLoss &transfermatrixAcoustLinExtMic 聲壓級的計算 AcoustExtMicrophone &moreAcoustLinInsLoss 插入損失 AcoustInsLossTMBlackBox 傳遞矩陣 Data第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲源把聲源特性定義以下為頻率以及每個階次下發(fā)動機轉速的函數(shù)一般用‘speaker’模塊聲源特性不是十分重要（傳遞損失的計算）一般性的分析特殊的聲源模型數(shù)據(jù)從‘multiload’中獲得每個發(fā)動機對應一個聲源第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一RadiationBoundary出口邊界條件出口邊界可以定義為：Openend（球型)Flange（半球型）Anechoictermination（全消音室）Data（輸入邊界的聲阻抗）可以進行邊界聲阻抗的建模聲阻抗數(shù)據(jù)可以通過外部文件讀入第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Natural(Eigen)Frequencies(固有頻率的計算）固有頻率可以反應整個系統(tǒng)的響應狀況反映的是系統(tǒng)受到激勵時自由振動的頻率在一個固定激勵作用下進行頻率掃略可以確定系統(tǒng)的共振頻率所有的固有頻率都可以在后處理里中顯示出來？？？第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例：Helmholtz腔和1/4波長管的固有頻率分析固有頻率分析系統(tǒng)的固有頻率RLT結果顯示第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例：1/4波長管傳遞損失的計算第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例：排氣消聲器聲壓級（差）的計算計算插入損失第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例：擴張室插入損失的計算第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一‘TMBlackBox’（黑匣子傳遞矩陣）允許輸入端為傳遞矩陣可以替代一個組件或者系統(tǒng)‘TMBlackBox’獲取途徑：應用‘TMatrixGenerator’進行標準的GT-POWER計算其他相似軟件試驗數(shù)據(jù)理論公式用戶子程序第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一BridgingtheGapBetweenLinearandNon-LinearAcousticAnalysisNo－LinearAcousticLinearAcoustic‘MultiLoad’'AcoustSource'產生聲源特性（p/z）‘TMatrixGenerator’TMBlackBox’產生傳遞矩陣（TM）

Gap第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一TransferMatrixGenerator用帶有邊界條件的標準（非線性）的聲學計算產生用于線性聲學的Blackbox第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一MultiloadMethodofSourceCharacterization基于時間的流動/壓力函數(shù)轉換成基于頻率的壓力/阻抗函數(shù)間接計算聲源特性計算方法：內部計算模型外部計算模型外部測量模型第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一管路長度必須可變內部計算模型：需要系統(tǒng)的體積流量信號和壓力信號外部計算模型：在系統(tǒng)端點傳感出體積流量信號需要加入線性聲學分析模塊外部計算模型：通過microphone傳感出系統(tǒng)的壓力信號需要加入線性聲學分析模塊管路長度必須為可變MultiloadMethodofSourceCharacterization第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一線性聲學模型利用黑盒子產生傳遞矩陣系數(shù)用于線性聲學分析插入損失的計算傳遞損失的計算通過標準求解器計算傳遞矩陣本征頻率的計算第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Muffler－專用消聲器設計模塊第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Muffler簡介特點：專用的圖形化前處理程序圖形化的界面建立包括各種零部件的復雜結構消聲器的三維幾何形狀通過其內部數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)文件自動生成GT-POWER模型減少消聲器建模的工作量(不必做大量的加工和測試）模型優(yōu)化而準確為復雜形狀的建模提供方便第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一Content1.基本概念2.基本操作3.離散4.Interference5.模型的快速檢查第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.基本概念1.1模板第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.Basicconcept1.2Shell（殼體）定義殼體的厚度用于GT-POWER中的參數(shù)用于GT-POWER中的參考模型第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.Basicconcept1.3Shellbaffle（擋板）Leftendatx=-1Rightendatx=1MiddlefacepositinNote:Bafflethicknessreducestheeffectivechambervolume!第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.Basicconcept1.4OrificeDefinetheinletandoutletportnumberforassemblylinkageinGT-POWER第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.Basicconcept1.5Porocity第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一1.Basicconcept1.6WOOL（吸聲材料）Note: