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1、消声器设计与声学分析基础第1页/共72页消声器的设计要求q声学要求减少声能的传递 传递损失 插入损失q空气流动要求空气流过消声元件时 受到阻力流体压力上升r机械和材料方面的要求气流、温度对材料性能的影响r成本的控制r安装空间的限制能量损失增大流速过高，摩擦噪声增大第2页/共72页消声器的设计步骤q对噪声源进行实地了解，主要实测发动机排气噪声的频谱，并且分析各个频带上的噪声声压级，通常用A声级q测出噪声的声频谱，采用1/3倍频程带宽或倍频程带宽的频率分析装置作出频率特性曲线图，这是消声器设计的主要依据q掌握发动机的基本参数、工作条件，如气流的流量、流速、管道的截面参数等明确要设计的消声器的性能要
2、求，如要求达到的消声量和允许的最大压力损失q选择消声器的类型，根据对消声器性能的要求、声源特性、环境的影响空间的限制等条件，选择适当类型的消声器q设计计算消声器的各种结构尺寸时，选择合适的消声材料及消声结构，要根据消声原理及性能要求作理论计算，并考虑空间的限制和制造成本q验算或作必要的实验，确认消声器能达到各项性能指标。根据加工及安装的工艺性要求来设计消声器，有时试验后还要进行改进才最后完成q对选择的消声器，进行实际工况下的测试，对消声器性能的理论计算结果进行测试，分析误差并进行改进第3页/共72页消声元件的结构形式的选取消声元件的分类主动：电子控制、产生与声源幅值相等、相位相反的次声波。半主
3、动：被动控制系统，消声效果由气流控制，如排气系统中的双模态消声器。被动消声器声能被反射和吸收成本太高，汽车进排气系统中应用较少阻性阻性抗性抗性内部装有消声材料扩张消声器旁支消声器赫姆霍兹消声器波长管波长管只能消除窄频带的噪声第4页/共72页消元件特性扩张消音器特性：扩张比和扩张腔室的长度扩张比增大：传递损失增加（幅值）长度增加时，最大值的中心频率减少，带宽也减少赫姆霍兹特性：容积、连接管长度、连接管的截面积容积增加，共振频率降低，幅值变化没有规律截面积增加时，共振频率也增加，幅值变化也没有规律管长增加时，共振频率下降，幅值变化没有规律主管截面增加时，传递损失减少，频带变窄，但频率不变波长管特性
4、：长度、面积比（旁支截面积比主管截面面积比值）长度越大，频率越低截面积比越大，传递损失幅值增大，带宽也增大，但对频率不影响用来消除较高频率第5页/共72页排气系统噪音特性排气系统噪音组成：空气噪音（脉动噪音）；发动机的气缸数；几何尺寸；（GT主要关注点）冲击噪音；气流对管路的冲击引起；辐射噪音；机械振动；稳定气流引起；不稳定气流引起；气流摩擦噪音；紊流引起；高频；温度影响：温度高，低频降噪能力降低V型发动机，选择适当的Y型管（决定半阶次大小）第6页/共72页例：简单扩张室式消声器结构形式的选取总容积、扩张比总容积、扩张比各腔长的分布等各腔长的分布等消声器的基本结构消声器的基本结构发动机具体型号
5、排气噪声频谱，消声器设计的一些基本原则和规定参考原消声器或类似工况下的消声器扩张比理想的m为：720尽可能取在1014之间节数通常以24节为宜，除非有低噪声或特殊要求，节数不应该多于4节。总体积Y为消声系数，一般取56n0为标定转速；N为气缸数 为行程数；Vh为排量第7页/共72页排气消声器的结构形式套管（框型罐）内装式Helmholtz 消声器三管迷路Helmholtz 消声器同心Helmholtz 消声器旁支Helmholtz 消声器穿孔管消声器Helmholtz消声器波长管复合消声器阻性消声器 Helmholtz消声器频率作用范围：40200Hz；三管迷路频率作用范围100500Hz；套
6、管加入消声材料频率作用范围：500HzHelmholtz腔第8页/共72页常用声学评价指标传递损失(Transmission Loss)消声器入射声（Lwi）和透射声（Lwt）的声功率之差。传声器声源管路声学元件全消音传声器加入全消音装置，防止声波继续反射回来第9页/共72页常用声学评价指标插入损失（Insertion Loss）系统中插入消声元件之前和之后，在出口处得到的声功率级（或声压级）的差值。声源声源管路 管路声学元件传声器传声器W1：没有安装消声元件的系统在测量点的声功率W2：安装了消声元件后在同一点测量的声功率第10页/共72页常用声学评价指标声压级差值（level differe
7、nce）系统中任意两点的声压级的差值声源管路声学元件传声器1传声器2第11页/共72页评价指标的比较 传递损失:只要有截面变化，就存在传递损失，而且永远是正值。只与消声元件的结构、介质的阻抗率以及截面面积有关。而与消声元件在系统中的位置没有关系。用于描述单个元件。插入损失：取决于传递损失和消声元件在系统中的位置有关以及声源和出口处的声学特性。可能是正值也可能是负值。用于描述整个系统。声压级差值：与声源特性无关，但却取决于出口处的声学特性。用于评价出口处的最终的噪声指标。第12页/共72页GT-POWR中的标准声学分析非线性声学第13页/共72页声学预测工具提供了多种预测整个系统声学特性的工具运
8、用非线性预测工具可以把频域信号转化成时域信号麦克风（传声器）传递损失插入损失传递损失（2Mic）声音文件转换快速傅立叶变换阶次追踪数据提取第14页/共72页Order Tracking and Harmonics例:四冲程发动机 6000rpmBasic f:50Hz Rotation f:100Hz1st，2nd，4th harmonics:50Hz，100Hz，200Hz1st，2nd，4th orders:100Hz,200Hz,400Hz.对于二冲程发动机：Harmonics=OrdersEngine CycleEngine RevolutionBasic FrequencyRotat
9、ion FrequencyordersHarmonics*Mult.*Mult.第15页/共72页采样率、存储率和频率混叠GT-POWER不能预测频率高于1000Hz的噪音。在进行声学性能分析时要用小的离散长度在使用外部数据进行声学性能分析的时候，采样 频率也非常重要，要保证所有的采样的点都被存储起来。根据Nyquist理论，当采样频率低于信号中最高频率的2倍的时候，将发生混叠数字滤波器不能消除混叠现象，它只与采样频率相关第16页/共72页采样率、存储率和频率混叠由于GT-POWER采用的时间步长很短，所以基本上能消除频率混叠现象。输出数据是离散的如果每个时间步长内的数据没有完全被存储起来将发
10、生aliasing（频率混叠）一般只有在预测高频事件中才会产生频率混叠现象当采样频率12691Hz时预测的结果是准确的第17页/共72页AcoustExtMicrophone相当于一个外置的随机的白噪声麦克风，可根据声源特性将气流的压力波模拟成声波通过在自由场中放置麦克风，计算由于流动脉动引起的噪声假定脉动流动是由于单极子的振动辐射产生计算通过噪声（考虑到多普勒效应）把麦克风和车辆之间的距离设置为定值，即传声器随车辆一起运动。把麦克风的空间位置确定，车辆运动 考虑了车辆和外置传声器之间的相对运动，产生多普勒效应当车辆朝着传声器方向运动的时候，由于相对运动，导致传声器测得的波长变短、频率变高当车
11、辆远离传声器方向运动时候，由于相对运动，导致传声器测得波长变长，频率变低Multiple sources may influence 1 microphone(dual exhaust)在V6.2版本以后可以考虑流动噪声（见注释）第18页/共72页AcoustExtMicrophone该模块用于模拟过程中也可以用于计算结果的后处理中输出结果：dB vs.Frequency（频谱分析）dB Order Tracking（阶次分析）Linear Order and Frequency Contours（？）dB Order and Frequency Contours（Cambell图）Postp
12、rocessDuring a simulation第19页/共72页Microphone计算方法计算方法传感器传出每个时间步长的速度信号传感器传出每个时间步长的速度信号麦克风把速度信号转换成压力信号麦克风把速度信号转换成压力信号GT-POWER对压力信号进行插值用于FFT转换对压力信号进行对压力信号进行FFT转换转换计算每个频率下声波的振幅计算每个频率下声波的振幅2134第20页/共72页AcoustExtMicrophone输入参数推荐输入参数推荐频域分析的最大频率1000Hz应用24阶低通滤波器瞬态窗函数的选择稳态工况：NO瞬态工况：Hanning窗Coherence（决定声源基频的一致性
13、）：not Coherence球面声波or半球面声波实际情况应该是介于两者之间预测结果相差3dB把非周期信号转换成周期信号把非周期信号转换成周期信号第21页/共72页 采用Chung和Blaser的理论和方法在4个外置麦 克风间通过自相关谱和互相关谱得到声功率之差 由speaker提供白噪声声源 必须采用无回声的终止端（防止声波的反射）四麦克风方法用于把压力分解到正向和反向部件AcoustTransLoss第22页/共72页AcoustTransLoss【注意】所有的传感器必须放置在管路的中心位置 需要检查离散长度、整个管路的长度以及传感器的位置Distance in object shoul
14、d be same as distance between SensorConns？模型中传感器的位置必须与实验设备的位置一样 在做试验对比的时候要选择合适的测点位置传递损失对采样点的多少十分敏感 一般设置最大时间步长为0.088deg，对应的FFT中最大采样点为4096。number of points:assumes that a driver of 360 degrees is used.(derivation is left as exercise for the user)（？）第23页/共72页AcoustTransLoss传递损失分析模块用法：During the simulat
15、ion（正在进行的模拟）PostProcessing（后处理）data模块用于从模拟结果中得到数据确保模拟之初所有数据点都能储存到data中第24页/共72页AcoustTf2Mic在管路内部的两个位置放置两个麦克风用于预测管路内部的动态声压传递函数定义为每个频率下信号2和信号1的振幅之比考虑到声波反射和尾管的影响结果可以用dB表示的降噪量？signal1signal2第25页/共72页AcoustInsLoss原理是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与声源特性有关，因此计算时必须要将消声器与发动机相连。提供插入消声元件后的声压级损失分析步骤：不插入消声元件，储存流速信号在dat
16、a模块中插入消声元件，用存储在data中的信号以及AcoustInsLoss计算插入损失第26页/共72页Filter（滤波器）采用低通滤波器消除采样数据中的高频信号消除在差值过程中Contamination 的可能性？24th 阶次的滤波器应用效果最好（TransLoss、Mic）第27页/共72页AcoustToWAVFile用于产生*.wav 文件 稳态计算：重复最后一个循环的模拟结果 声音文件的时间由用户控制瞬态计算：声音文件的时间等于整个瞬态过程的时间输入参数推荐：Bits:16Sampling Rate:44.1 kHzFilter:54th order第28页/共72页Data
17、Windows（瞬态窗）（瞬态窗）当采样的数据为非周期性信号，采用FFT时会产生旁瓣现象。通过对数据加窗函数可以消除旁瓣现象窗函数可以改善信号的频率响应，但加窗的最主要的目的 是消除旁瓣（推荐使用Hanning窗）窗函数常用于瞬态分析（转速变化比较剧烈的情况）第29页/共72页GTpower中的声学评价指标传声损失分析插入损失分析实际试验中测量传递损失是非常困难的。它反应的是消声器本体的声学性能，是消声器的固有特性。通常用与不同结构的消声器进行对比分析。此外特别适合缺乏发动机参数的情况，也可以将由试验取得的发动机出口处的状态参数输入到声源模块且计算速度快。安装消声器前后在发动机排气口某固定测点
18、处测得的计数声级之差，它直接反映了消声器对发动机噪声的消声效果。该指标能综合反应内燃机、消声器和消声器尾管的匹配特性。由于插入损失考虑声源特性，因此必须建立发动机模型。通常情况下计算插入损失必须建立两个模型一个带消声器的模型和一个不带消声器的空管模型，两个模型在排气口处的声压级之差即为插入损失。此声波可以转化成声音文件播放出来，形象直观。第30页/共72页GT-POWR中的线性声学分析第31页/共72页线性声学模型 计算方法：传递矩阵（频域分析）计算方法：传递矩阵（频域分析）输入参数：几何尺寸、边界条件、初始条件输入参数：几何尺寸、边界条件、初始条件 适用对象：有声学分析经验的工程师适用对象：
19、有声学分析经验的工程师（使用过其他相似的声（使用过其他相似的声 学分析工具）学分析工具）模型中常用的流动部件：模型中常用的流动部件：Pipe Flowsplit Orifice CatalystBrick EndEnvironment EndFlowCap第32页/共72页线性声学模型采用传递矩阵（4pole）来描述系统的属性对于每个组件都有一个独立的传递矩阵例：从位置1到位置2的传递矩阵为每个单独的传递矩阵合并成一个大的传递矩阵描述整个系统第33页/共72页线性声学模型计算方法：基于平面声波理论Helmholtz equationInputInputRespondsRespondsTrans
20、fer MatrixTransfer MatrixBlack BoxBlack Box压力、流量的传递矩阵形式正向、反向的传递矩阵形式声波传播、反射的传递矩阵形式第34页/共72页线性声学模型的应用计算要求：计算速度快、只反应系统的整体性能不在时域上进行计算不能考虑详细细节（部件的流速、压力etc.)不考虑空间位置 只反映整个系统的响应适用的频率范围：Airbox声速为343m/s 等效直径为200mmMuffler声速为500600m/s 等效直径为350mm最大频率1000Hz主要应用范围：比较几个消声器的性能差异第35页/共72页线性声学分析的影响因素平均流动考虑了Mach数的影响质量流
21、量可以通过每个连接件的“Initial Mass Flow Rate”获得ViscoThermal考虑流体粘性和热力学性质的影响温度可以通过每个连接件的“Wall Temperature”获得第36页/共72页线性声学预测工具TemplateDescriptionAnalogAcoustSource线性声源线性声源 EndFlowSpeakerEndFlowRadiation线性声学线性声学 EndEnvironment,边界条件边界条件EndFlowAnechoicAcoustLinEigen本征频率的计算本征频率的计算None(order/mode(natural frequencies)
22、storage flag)AcoustLinTransLoss传递损失传递损失 AcoustTransLoss&transfer matrixAcoustLinExtMic声压级的计算声压级的计算 AcoustExtMicrophone&moreAcoustLinInsLoss插入损失插入损失 AcoustInsLossTMBlackBox传递矩阵传递矩阵 Data第37页/共72页线性声源把声源特性定义以下为频率以及每个阶次下发动机转速的函数一般用speaker模块声源特性不是十分重要（传递损失的计算）一般性的分析特殊的声源模型数据从multiload中获得每个发动机对应一个声源第38页/共
23、72页Radiation Boundary出口边界条件出口边界可以定义为：Open end（球型)Flange（半球型）Anechoic termination（全消音室）Data（输入边界的声阻抗）可以进行边界声阻抗的建模声阻抗数据可以通过外部文件读入第39页/共72页Natural(Eigen)Frequencies(固有频率的固有频率的计算）计算）固有频率可以反应整个系统的响应状况反映的是系统受到激励时自由振动的频率在一个固定激励作用下进行频率扫略可以确定系统的共振频率所有的固有频率都可以在后处理里中显示出来？第40页/共72页例：Helmholtz腔和腔和1/4波长管的固有频率波长管的
24、固有频率分析分析固有频率分析系系统的固有的固有频率率RLT结果显示第41页/共72页例：1/4波长管传递损失的计算第42页/共72页例：排气消声器声压级（差）的计算计算插入损失第43页/共72页例：扩张室插入损失的计算第44页/共72页TMBlackBox（黑匣子传递矩阵）允许输入端为传递矩阵可以替代一个组件或者系统TMBlackBox获取途径：应用TMatrixGenerator进行标准的GT-POWER计算其他相似软件试验数据理论公式用户子程序第45页/共72页Bridging the Gap Between Linear and Non-Linear Acoustic AnalysisN
25、oLinear AcousticLinear AcousticMultiLoadAcoustSource产生声源特性（p/z）TMatrixGeneratorTMatrixGenerator TMBlackBox产生传递矩阵（TM）Gap第46页/共72页Transfer Matrix Generator用带有边界条件的标准（非线性）的声学计算产生用于线性声学的Blackbox第47页/共72页Multiload Method of Source Characterization基于时间的流动/压力函数转换成基于频率的压力/阻抗函数间接计算声源特性计算方法：内部计算模型外部计算模型外部测量模型
26、第48页/共72页管路长度必须可变内部计算模型：需要系统的体积流量信号和压力信号外部计算模型：在系统端点传感出体积流量信号需要加入线性声学分析模块外部计算模型：通过microphone传感出系统的压力信号需要加入线性声学分析模块管路长度必须为可变Multiload Method of Source CharacterizationMultiload Method of Source Characterization第49页/共72页线性声学模型利用黑盒子产生传递矩阵系数用于线性声学分析利用黑盒子产生传递矩阵系数用于线性声学分析插入损失的计算插入损失的计算传递损失的计算传递损失的计算通过标准求解
27、器计算传递矩阵通过标准求解器计算传递矩阵本征频率的计算本征频率的计算第50页/共72页Muffler专用消声器设计模块第51页/共72页Muffler简介特点：特点：q专用的图形化前处理程序q图形化的界面q建立包括各种零部件的复杂结构消声器的三维几何形状q通过其内部数据格式数据文件自动生成GT-POWER模型q减少消声器建模的工作量(不必做大量的加工和测试）q模型优化而准确q为复杂形状的建模提供方便第52页/共72页ContentContent1.基本概念2.基本操作3.离散4.Interference5.模型的快速检查第53页/共72页1.1.基本概念基本概念1.1 模板第54页/共72页1
28、.1.Basic conceptBasic concept1.2 Shell（壳体）定定义壳体的厚度壳体的厚度用于用于GT-POWER中的参数中的参数用于用于GT-POWER中的参考模型中的参考模型第55页/共72页1.1.Basic conceptBasic concept1.3 Shellbaffle（挡板）Left end at x=-1Right end at x=1Middle face positinNote:Baffle thickness reduces the effective chamber volume!第56页/共72页1.1.Basic conceptBasic c
29、oncept1.4 OrificeDefine the inlet and outlet port number for assembly linkage in GT-POWER第57页/共72页1.1.Basic conceptBasic concept1.5 Porocity第58页/共72页1.1.Basic conceptBasic concept1.6 WOOL（吸声材料）Note:WOOL occupies the whole chamber space!第59页/共72页2.2.Basic operationBasic operation第60页/共72页3.Discretiza
30、tion3.Discretization（离散）（离散）3.1 concept（基本概念）第61页/共72页3.Discretization3.Discretization3.2 Model vs Map第62页/共72页3.Discretization3.Discretization3.3 Basic RuleSmaller DX,more accuracy,more run timepipe end and orifice must be in one cell Minimum cell length DX=DiameterApproximation:Pipe positionAdjust
31、 toAdjust to DX DY DZ第63页/共72页4.Interference4.Interference3.4 InterferenceTwo casesReal interferenceSolution:change positionFalse interferenceSolution:Unmark it第64页/共72页5.5.模型质量的检查模型质量的检查确保建立的模型能代替真实的物理模型范例:expansion chamber(扩张腔）模型的结构如下图所示：四种解决方案的对比分析L2=100L1=5020015040第65页/共72页5.5.模型质量的检查模型质量的检查Solution1:DX=50,DY=DZ=150第66页/共72页5.5.模型质量的检查模型质量的检查Solution2:DX=50,DY=DZ=150,L1=50+,L2=100-good第67页/共72页5.5.模型质量的检查模型质量的检查Solution3:DX=50,DY=DZ=75,L1=50+,L2=100-bad第68页/共72页5.5.模型质量的检查模型质量的检查Solution3:DX=50,DY=DZ=50,L1=50+,L2=100-good第69页/共72页 谢谢 谢！谢！第70页/共72页第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页