排气系统NVH分析与控制-庞剑

NVH讲座－庞剑1排气系统的排气系统的NVHNVH分析与控制分析与控制庞庞剑剑博士NVH讲座－庞剑2排气系统的噪声源排气系统的噪声源发动机机械噪声辐射噪声冲击噪声尾管噪声‰空气动力噪声‰冲击噪声‰辐射噪声‰气流摩擦噪声NVH讲座－庞剑3空气动力噪声空气动力噪声‰这股气流是稳定的‰空气动力噪声取决于排气管道的直径,排气系统的结构‰低转速时，是主要成份‰排气管道中不稳定的气流会对管道产生冲击，从而形成冲击噪声。比如，排气多支管弯曲段的弧度太小，发动机出来的气流会对它产生强烈的冲击，从而发出“砰、砰”的冲击噪声。‰在管道截面积突然变化的时候，也会产生冲击噪声冲击噪声冲击噪声(ImpingementNoise)(ImpingementNoise)NVH讲座－庞剑4薄板辐射噪声薄板辐射噪声源源::„机械振动„稳定的空气气流。这种稳定的气流会对薄板结构施加稳定脉动力„不稳定气流。当管道中的气流速度非常高的时候，在管壁附近就会形成紊流解决辐射噪声的途径有两个：解决辐射噪声的途径有两个：‡‡减少激励减少激励‡‡改变结构的特征，如质量、刚度和阻尼等改变结构的特征，如质量、刚度和阻尼等‰辐射噪声的大小取决于这些板结构的几何尺寸、结构形状、刚度等。‰辐射噪声的频率与薄板结构振动的频率是一致的NVH讲座－庞剑5温度对传递损失的影响温度对传递损失的影响声波的频率和波长也都会随著温度而改变ttRTccp+≈+==27320)273(*287*4.1fc=λft+=27320λ温度温度对排气消音器的影响对排气消音器的影响‰排气系统与进气系统有一个很大差别是排气系统的温度高而且温度是随著排气管的位置而变化的‰在排气多支管处，排气温度达可以达到7000C，甚至更高‰可是在尾管处的温度降低到3000C。NVH讲座－庞剑6声波的频率和波长也都会随著温度而改变例子:扩张消音器的TL04812162002004006008001000Frequency(Hz)TLT=20CT=250C⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+=tLfmmLmmTL27310sin)1(411log102sin)1(411log1022102210πλπLcnfc412−=温度温度对排气消音器的影响对排气消音器的影响NVH讲座－庞剑7例子:为了降低排气系统在400Hz的峰值（温度为400oC)，确定四分之一波长管的长度求解:λ41=LLcfc4=ttRTccp+≈+==27320)273(*287*4.1smc/34525273201=+=室温下(25C),声速为:四分之一波长管的长度:mfcL215.0400*4345411===高温下(400C),声速为:smc/519400273202=+=mfcL324.0400*4519422===四分之一波长管的长度:终端修正温度温度对排气消音器的影响对排气消音器的影响NVH讲座－庞剑8排气系统消音器的特征排气系统消音器的特征‰排气系统的消音器布置与进气系统差别比较大‰通常，从排气系统的外观，看不到纯粹的“赫尔姆兹消音器”和“四分之一波长管”‰排气系统的消音器比进气系统复杂得多‰排气系统消音器受到温度的影响NVH讲座－庞剑9排气系统中几种典型的赫尔姆兹消音器结构排气系统中几种典型的赫尔姆兹消音器结构•Louverflowwithtuner内装式赫尔姆兹消音器•Triflowmufflerwithtuner三管迷路赫尔姆兹消音器•Hutmacherhose旁支赫尔姆兹消音器•Concentrictuner同心赫尔姆兹消音器NVH讲座－庞剑10低频效果的调节：‰采用旁边进-中间出结构‰采用比较长的旁边腔(turnarounds)‰采用小的管直径turnaround三管迷路消音器三管迷路消音器TriflowTriflowmufflermufflerNVH讲座－庞剑11管道的直径越小，传递损失越大三管迷路消音器三管迷路消音器TriflowTriflowmufflermufflerNVH讲座－庞剑12四分之一波长管四分之一波长管四分之一波长管消音器四分之一波长管LSpScNVH讲座－庞剑13两个四分之一波长管四分之一波长管四分之一波长管NVH讲座－庞剑14穿孔消音器穿孔消音器cAclV‰如果管壁上的直径非常小，那么穿孔消音器就相当于一个赫尔姆兹消音器。这些小孔就是赫尔姆兹消音器中的连接管。‰如果小孔的面积太大，其功能就是一个扩张消音器NVH讲座－庞剑15穿孔率对传达损失的影响•如果管壁上的穿孔面积比较小，那么穿孔消音器就相当于一个赫尔姆兹消音器。•如果小孔的面积太大，其功能就是一个扩张消音器0510152025303540050100150200250300Frequency(Hz)TL4liters5liters6liters7liters0510152025303502004006008001000Frequency(Hz)TL0510152025303502004006008001000Frequency(Hz)TL(dB)High%perforationlow%perforationmiddle%perforation穿孔消音器穿孔消音器NVH讲座－庞剑1600.20.40.60.810200400600800100012001400160018002000频率吸声系数2”basaltwood2”stainlesssteelwool吸声吸声材料的吸声系数‰低频时，吸声系数很小‰随着频率的增高，吸声系数增加，但是有个拐点频率存在NVH讲座－庞剑1700.20.40.60.810500100015002000Frequency(Hz)AbsorptionCoefficien(50)(150)(50)(150)(100)(100)BasaltWood–13microOCFiberglass–24micro(densitygrams/liter)‰材料的密度越高，吸收系数就越大，‰但是随著材料密度提高到一定程度，再增加密度，吸收系数的增加就不太明显了。‰反而当密度太高时，吸声材料变得跟固体一样。当材料的密度非常大的时候，材料就变成了固体，其吸声系数就大大下降。吸声吸声材料的密度与吸声系数NVH讲座－庞剑18阻性消音器阻性消音器‰在扩张管壁上安放吸声材料‰声能量被纤纬材料吸收而转变成热能。吸声材料NVH讲座－庞剑1904812162002004006008001000Frequency(hz)dBTLTL(Absorptivematerail)‰阻性消音器主要是吸收高频噪声而且频带较宽扩张型阻性消音器扩张型阻性消音器NVH讲座－庞剑20吸声材料的可靠性问题很多，美国市场已经很少使用常用的材料:„Basaltwool„Fiberglassroving„Steelwool„CeramicmatsPinchcans（框型罐加上吸声材料）用来消除高频噪声阻性消音器阻性消音器NVH讲座－庞剑21组合式消音器组合式消音器‰赫耳姆兹消音器用于低频消音，频率作用范围一般为：40-200Hz‰三管迷路消音器用于中频消音，频率作用范围一般为：100-500Hz‰框型罐加上吸声材料用于高频消音。频率作用范围一般为：500Hz以上。赫尔姆兹消音器V三管迷路消音器框型罐加上吸声材料NVH讲座－庞剑22入射波反射波透射波(辐射波)尾管噪声尾管噪声„尾管噪声是一种脉动噪声。„声音是以平面波在管道中传播，当到达尾管时，气流就产生脉动噪声，就好象在尾管处有一个活塞在运动NVH讲座－庞剑23707580859095100100020003000400050006000rpmdB(A)空气动力噪声空气噪声和摩擦噪声„流量小和速度低时，空气动力噪声占主要成分；„流量大和速度快时，摩擦噪声占主要成分空气动力噪声气流摩擦噪声尾管噪声尾管噪声尾管噪声NVH讲座－庞剑24707580859095100105110100020003000400050006000rpmdB(A)直径D=68mm直径D=56mm直径D=62mm管道截面积对尾管噪声的影响管道截面积对尾管噪声的影响uAQ=&流量24dQuπ&=流体速度„在低转速时，摩擦噪声对尾管噪声几乎没有影响。尾管噪声完全是由空气动力噪声决定„当发动机转速提高到2700rpm以上时，管道中的流量迅速增加，流速也快速增加。这时摩擦噪声起主导作用尾管噪声尾管噪声NVH讲座－庞剑25单排气管与双排气管单排气管与双排气管发动机单排气管双排气管发动机尾管噪声尾管噪声NVH讲座－庞剑26‰低转速时，没有太大差别‰高转速时，双排气管的噪声远低于单排气管707580859095100105110100020003000400050006000rpmdB(A)单排气管与双排气管单排气管与双排气管::尾管噪声尾管噪声NVH讲座－庞剑27例子:I4单排气管与双排气管单排气管与双排气管::尾管噪声尾管噪声NVH讲座－庞剑28尾管的声学分析尾管的声学分析x=0x=LL大气消音器„当消音器的容积足够大，消音器与尾管的交界面可以近似地处理为开口管端，这样尾管就可以看成具有一个“开口-开口”的边界条件fcL22==λ•尾管长度与调节频率的关系练习:如果在300Hz处的噪声超过目标值，在产品开发的后期只能调节尾管长度，确定尾管的长度。管道的直径。NVH讲座－庞剑291.声速:假设尾管处的温度为300C,声速为:求解求解::2.计算长度:fcL22==λ4.考虑终端校对后的实际长度为:3.终端校对:mrL0325.0205.0*65.0*265.0*2===Δsmc/478300273202=+=mfcL797.0300*24782===mLLLactual7645.00325.0797.0=−=Δ−=尾管的调节尾管的调节练习:如果在300Hz处的噪声超过目标值，在产品开发的后期只能调节尾管长度，确定尾管的长度。管道的直径。NVH讲座－庞剑30中间管道的声学分析中间管道的声学分析中间管道驻波消音元件消音元件中间管的两边是消音器，假设消音器足够大的话，也可以认为中间管的两边是处在“开口-开口”边界条件fcL22==λ如果管道太长，管道中声的模态很容易与管道的结构模态产生共振例子:„假设温度是400C，1.5米长的中间管，其声波频率为173Hz„通常会在这个频率周围，存在结构频率„声波与结构可能发生共振NVH讲座－庞剑31岐管岐管··YY--管管··声品质声品质排气歧管对声品质的影响与进气歧管一样Y-管等长连接中心连接尾端连接NVH讲座－庞剑32YY--管对排气尾管噪声的影响管对排气尾管噪声的影响cmL1001=L1–L2=0L1–L2=20cmL1–L2=40cmL1–L2=60cmL1–L2=80cmL4L1L2L3Microphone研究Y-管的两支分管长度的差对尾管噪声的影响NVH讲座－庞剑338090100110120130100020003000400050006000rpmdB(A)L2-L1=0L2-L1=20cmL2-L1=40cmL2-L1=60cmL2-L1=80cm3rd阶„两支分管的长度越接近，3rd阶成分越大„同样，发火阶次的整数倍阶次6th,9th,等，其结论一样YY--管对排气尾管噪声的影响管对排气尾管噪声的影响NVH讲座－庞剑34405060708090100110120130100020003000400050006000rpmdB(A)L2-L1=0L2-L1=20cmL2-L1=40cmL2-L1=60cmL2-L1=80cm1.5th阶„两支分管的长度越接近，1.5th阶成分越小„同样，对半阶次,4.5th等，其结论一样YY--管对排气尾管噪声的影响管对排气尾管噪声的影响NVH讲座－庞剑35406080100120140100020003000400050006000Frequency(Hz)dB(A)L2-L1=0(3rdOrder)L2-L1=0(1.5thOrderL2-L1=80cm(3rdOrder)L2-L1=80cm(1.5t