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半主动消声器对排气低频噪声控制的研究 |
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作者：上海红湖汽车排气系统技术中心 肖宏 吴仍广 |
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摘要：低频噪声是发动机噪声的重要组成部分，其对人体的主观感受影响很大，能否有效的控制发动机的排气低频噪声是衡量消声器声学性能的重要指标。本文提出用半主动消声器的方法来控制排气低频噪声的方法，通过流体仿真分析设计了半主动消声器并进行了实物样件制作，利用LMS Test.lab 对消声器冷态背压和整车怠速噪声测试，半主动消声器性能得到验证。
关键词：半主动消声器、噪声测试、CFD
引言
随着我国汽车工业的飞速发展，汽车保有量的快速增加我国汽车正逐渐步入家庭时代。而这也使得以汽车为主的交通噪声污染已越来越严重，据有关统计资料表明由于汽车产生的交通噪声占总交通噪声的75％。汽车噪声是一个包括多种噪声源的综合噪声源[1]，研究表明排气噪声是汽车的主要噪声源之一。另外随着人们对汽车乘坐舒适性和燃油经济性的进一步提高，人们在对燃油经济性提出要求的同时也对汽车排气噪声提出了新的要求，这主要体现在排气低频噪声方面。
本文主要研究的内容：分析发动机中低转速噪声，提出在消声器内设计弹簧阀（半主动消声器）的方法来控制排气低频噪声，同时在阀体开启时增大气流流通面积以降低排气背压和降低功率损失保证一定的燃油经济性，对消声器进行流体CAE仿真并加工样件进行试验验证。
1 汽车排气低频噪声特征
1.1 排气系统噪声的组成
排气噪声包括空气动力噪声、冲击噪声、结构辐射噪声和气流摩擦噪声[1] 。排气系统的空气噪声是由于发动机在运转时所产生的压力波在排气管道中传播而产生的。在管道中这股气流是稳定的。空气噪声取决于排气管道的直径。排气低频噪声主要源于空气动力噪声。
对于排气噪声来说低频噪声对人的主管感受有着重要的影响，主要体现在力度、轰鸣、烦恼等方面。对于车内噪声主要是要降低低频噪声对人的主管感受的影响。对于排气系统来说低频噪声传递至车内的途径主要有两条：一是通过与排气系统相连的橡胶吊挂将结构噪声传导至车内。二是通过排气尾管口通过空气声透过车体传入车内。
1.2 排气噪声的控制
排气系统的噪声控制主要是通过消声器设计来实现的，排气系统中所使用的消声器主要有三种：抗性消声器、阻性消声器、阻抗混合消声器[2]。
为了达到对不同频率的噪声控制通常排气系统采用多级消声结构，一般有三级消声器、两级消声器和一级消声器。
通常消声器为了获得理想的消声性能的内部结构设计都较为复杂，如为了获得较好的低频噪声需要增加赫姆霍兹共振吸声结构或增加1/4 波长管结构，复杂的内部结构会导致背压升高功率损失增大不但增加了消声器的成本还对汽车的燃油经济性不利。如果把消声器设计得简单，虽然排气背压降低了，功率损失小了但消声效果也随之下降。
近年来人们提出了双模态消声器或半主动消声器来解决上述矛盾即在消声器中安装一个弹簧阀，低转速时阀门关闭，消声效果好。高转速时气流速度升高消声腔内压力升高使得阀门被冲开，空气流通阻力减小功率损失相应降低。
2 分析与验证
2.1 问题陈述
本文通过对某型发动机采用的消声器性能测试发现其消声器总体性能不错但其在怠速时的低频噪声很重，尤其在其4 阶53.5HZ 左右的噪声给人的轰鸣感很强主观感受很差。为此本文以该消声器怠速下的噪声为对标研究半主动消声器对低转速低频噪声的控制作用，尝试通过对消声器进行流体仿真分析确定弹簧的设计参数并加工样件测试验证其性能。
2.2 流体仿真分析及参数确定
利用 FLUENT 中湍流模型对消声器的关闭和开启的两个状态进行仿真确定阀门区域的压力如图1、图2，以此为依据确定两种状态下的扭矩并以此设计弹簧阀体。
图1. 关闭状态截面压力分布
图 2. 开启状态截面压力分布
仿真分析结果及计算扭矩如表 1.
2.3 结果验证
2.3.1 流体仿真结果验证
根据分析结果，对设计并加工样件进行了阀体开闭时的压力测试。测点位置如图3 所示，测试方法如图4 所示.
图 4 压力测试原理图
测试结果如图 5 所示
图 5 压力测试结果
从测试结果中可以看出测点处在阀体开启时的压力值为 13.5KPa 左右与仿真结果比较是可以接受的。
2.3.2 声学测试结果验证
完成了半主动消声器压力测试后，半主动消声器和原消声器进行整车试验测量尾管噪声。测量方法见表2.
图 5 显示了，半主动消声器和原状态消声器测试的结果，从图中可以看出原装态消声器在怠速时的4 阶噪声53.5HZ 有了明显的改善从55dB（A）降至43dB（A）。
图 5 尾管怠速噪声测试结果
从测试结果来看，半主动消声器对低频噪声有明显的改善作用。同时高速时功率损失也是满足要求的。
3 结语
本文通过对发动机排气低频噪声的产生以及低频噪声对人的影响进行了分析并相对于传统消声器提出了用半主动消声器来控制低频噪声的方法，经过对消声器的声学和CFD 计算，设计了一套消声器并加工样件进行了试验验证。通过实例验证结果表明半主动消声器对低频噪声有较好抑制作用，为消声器研发提供了新的设计思路。
参考文献
[1] 庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动. 北京理工大学出版社, 2006.
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(1/31/2013) |
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