【文章內(nèi)容簡介】 在非線性 Load 方法中所產(chǎn)生的誤差可以被三負(fù)載基本抵消，但有時仍然會有一定的誤差存在。 1995 年，漢斯博登提出的基于最小二乘法的四負(fù)載法，它裝有四個負(fù)載的測量結(jié)果，最終提取的最低源特點幾乎無誤差，這種方法提取的聲源，可以得到更好的精度。相比直接法而言間接法在計算的同時不引入外部聲音來源，但間接法也有其自身的缺點，如內(nèi)管測量環(huán)境需要一個高水平的消聲室。間接法傳遞矩陣所需的請求負(fù)載阻抗及出口價值，傳遞矩陣和阻抗的準(zhǔn)確性將會直接影響聲源特性結(jié)果的正確性。內(nèi)燃發(fā)動機進(jìn)氣和排氣，尤其是困難的廢氣排放速度和溫度場，使有負(fù)荷轉(zhuǎn)移矩陣的準(zhǔn)確提取有一定困難。因此，間接法從理論上講是正確的但在實踐中往往會發(fā)生較大誤差。但是由于間接法提取聲源簡單、方便、計算過程中負(fù)荷轉(zhuǎn)移矩陣可以減少流量和溫度場以提高精度，所以此方法仍在被廣泛使用。國內(nèi)和國外的研究人員對消聲器聲學(xué)特性提取做了很多的研究。 1958 年 所創(chuàng)立的基于等效電路的轉(zhuǎn)移矩陣方法在消聲器產(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用價值并被多個廠家采納，其早期的研究很大程度上基于排氣消聲器聲學(xué)，各種消聲器成分提取技術(shù)的轉(zhuǎn)移矩陣，流體屬性和溫度場的管道，被視為最接近實際情況的研究成果。1978 年，沙利文和克羅克曾研究過單穿孔管結(jié)構(gòu)的聲學(xué)因素，一個單一的刺耳聲組件管結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移矩陣。但該方法在剛性壁面邊界條件不成立的情況下會縮小范圍模型的應(yīng)用。不久，沙利文改進(jìn)方法，使單穿孔管，雙穿孔管和其他聲學(xué)組件和應(yīng)用程序通過一個統(tǒng)一的轉(zhuǎn)移矩陣方法計算。1986 年 Munjal 通過直接轉(zhuǎn)移矩陣計算出了平均流量和溫度梯度，然后戴維斯認(rèn)為，流動性和空氣中熱量下粘性等多個交叉轉(zhuǎn)移矩陣所衍生出的轉(zhuǎn)移矩陣方法可廣泛應(yīng)用于排氣消聲器的設(shè)計工作。1987 年，Munjal 完成了“管道和消聲器的聲學(xué)”一書，書中介紹了考慮不同的流體性質(zhì)中聲波傳播的基本方程，管道和聲波濾波器理論，以及一些常見的消聲器數(shù)學(xué)模型聲學(xué)單位，同時還推出了施域數(shù)值計算方法和有限元數(shù)值計算方法，從實質(zhì)上對排氣消聲器的聲學(xué)做了系統(tǒng)的解釋，對排氣消聲器的聲學(xué)研究有很大的促進(jìn)作用，同時，書中對時下設(shè)計的進(jìn)氣系統(tǒng)已經(jīng)起到了一定的指導(dǎo)作用。80 年代末 90 年代初，邊界元數(shù)值計算方法開始被用于轉(zhuǎn)移矩陣的提取和消聲器的傳輸損耗，1987 年Seybert 使用邊界元法的簡單擴(kuò)張腔對進(jìn)行聲學(xué)性能分析計算。在 1992 年，他采用了邊界元法穿孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)計算。在 1994 年和 1995 年，季振林采用邊界元法來分析非均勻的平均流量和低馬赫數(shù)流動腔聲衰減性能的簡單擴(kuò)張效果。近年來，隨著計算機應(yīng)用的普及和推廣，商業(yè)軟件的數(shù)量急劇提升，最有名的如GT POWER，Rieardo 波， AVL 升壓，SYSNOISE 等。如今，對空氣過濾器和排氣消聲器的軟件聲學(xué)分析更方便，直觀，更準(zhǔn)確。使用商業(yè)軟件研究出的聲學(xué)性能消聲器取得了更多的成果，如浙江大學(xué)的劉計算出了模擬優(yōu)化空氣過濾器的聲學(xué)性能，賈維斯開發(fā)了新型空氣過濾器消聲器優(yōu)化設(shè)計的一個新分支。國內(nèi)系統(tǒng)的闡述了“ 以線性聲學(xué)理論為基礎(chǔ)的進(jìn)氣和排氣噪聲的分析方法” ，其中尤以哈爾濱工程大學(xué)的賈衛(wèi)昕博士，浙江大學(xué)的胡志龍德研究成果最為突出。賈味辛使用了提取進(jìn)氣口的聲源的噪聲特性的模擬和實驗手段，然后使用三維聲學(xué)模擬軟件分析空氣過濾器的聲學(xué)特性，最后結(jié)合預(yù)測進(jìn)氣噪聲聲源的特點和實驗對比，驗證這種方法的正確性。胡志龍還分別提取發(fā)動機仿真軟件和實驗排氣噪聲的特點和比較，然后運用立體排氣消聲器聲學(xué)仿真軟件計算轉(zhuǎn)移矩陣，最后將尾管噪聲的聲源特性的預(yù)測和優(yōu)化相結(jié)合，取得了良好的效果。 一維空氣動力學(xué)理論的發(fā)動機進(jìn)、排氣噪聲分析方法模擬非定常流場和流體壓力波動下的模擬計算使發(fā)動機系統(tǒng)進(jìn)氣和排氣噪聲的傳統(tǒng)分析方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于商業(yè)軟件的方法已被廣泛應(yīng)用，像 GT POWER，里卡多波，AVL 升壓等消聲器結(jié)構(gòu)的分析軟件不僅可以進(jìn)行業(yè)務(wù)建模，還可以進(jìn)行發(fā)動機系統(tǒng)建模，模擬發(fā)動機的實際狀況并直接預(yù)測發(fā)動機的進(jìn)氣和排氣噪聲，這使得分析更加方便，比第一種方法計算時間少，使工作人員可以做更多的相關(guān)研究，如浙江大學(xué)鄔規(guī)培使用 GT POWER 以優(yōu)化單缸排氣并取得良好效果 。吉林大學(xué)樂桂平使用 GT POWER 優(yōu)化發(fā)動機的進(jìn)氣和排氣噪聲，北京研究所的葛云山通過GT POWER 加快優(yōu)化排氣消聲器的結(jié)構(gòu)，成功地減少了車內(nèi)車外的噪音?？傊诰€性聲學(xué)方法和一維的方法以及基于空氣動力學(xué)原理的理論各有其優(yōu)點和缺點。前者的操作比較復(fù)雜，但提取的發(fā)動機進(jìn)氣和排氣聲源精準(zhǔn)，因為不需要聯(lián)合發(fā)動機仿真，所以進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常方便，高效，可用于獲得更精確的轉(zhuǎn)移矩陣的排氣系統(tǒng)，進(jìn)行更精確的進(jìn)氣和排氣噪聲的模擬。后者的操作是簡單的，引擎的攝入量和排氣噪聲可以被直接模擬，但優(yōu)化時，因為每一個聯(lián)合都要重新計算引擎模型優(yōu)化，所以它的時間消耗很大，而且高計算精度的三維模擬方法非常有限，特別是在高頻段。乘用車發(fā)動機進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的 NVH 噪音是一個重要的研究領(lǐng)域，氣缸燃燒廢氣出口被稱為排氣系統(tǒng)部件的集合，其中包括催化轉(zhuǎn)化器，消聲器和排氣管等。系統(tǒng)振動和噪音的問題一方面影響汽車的舒適性，降低汽車的質(zhì)量，另一方面擴(kuò)大了交通噪音的影響，加深了對環(huán)境的污染。為此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，從最初的測試改善，到目前利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。如今，發(fā)動機進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)噪音相關(guān)研究已經(jīng)成為一個完整的測試和理論體系。 本課題研究目的和主要內(nèi)容 課題研究目的車輛作為一個主要噪聲源，使得研究如何有效降低發(fā)動機進(jìn)氣噪音成為了一個大的課題，根據(jù)車輛的噪聲源識別試驗反映發(fā)動機進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的噪音是汽車加速噪音減少的必要的前提。這項研究的最終目標(biāo)是尊重這種模式的前提下作出一些重大改變以有效降低發(fā)動機進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的噪音，使外部的乘用車加速噪音水平達(dá)到全國汽車加速噪聲標(biāo)準(zhǔn)（GB1495 2022 ） 。完善和發(fā)展噪聲模擬乘用車發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，使其與發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲仿真和測試達(dá)成一個真正的互補關(guān)系，這一點無疑很重要。 課題研究的主要內(nèi)容主要研究課題如下：（1）總結(jié)加速車輛噪聲源，并對每個噪聲源產(chǎn)生的機理做了詳細(xì)的分析。（2）討論發(fā)動機進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲控制的一些基本理論和方法，不同消聲器結(jié)構(gòu)模式的特點，總結(jié)消聲器的性能影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對排氣系統(tǒng)，消聲器性能仿真分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的噪聲處理基礎(chǔ)理論知識的改進(jìn)。（3）描述了 GT POWER 軟件及其數(shù)學(xué)原理，對輕型客車的發(fā)動機進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)數(shù)值進(jìn)行模擬。（4）仿真結(jié)果分析，參考發(fā)動機進(jìn)氣和排氣消聲器系統(tǒng)控制技術(shù)，從而對發(fā)動機的進(jìn)氣，排氣消聲器提出改革建議并提出數(shù)值模擬分析，以驗證改革建議的可行性。（5）發(fā)動機進(jìn)氣，排氣消聲器的改革建議，提出加速車輛噪音測試驗證，修正方案，并通過比較原始狀態(tài)，選擇最佳的解決方案，使汽車加速車外噪聲達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（ 74 分貝）第 2章 發(fā)動機進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲分析控制從前面的章節(jié)中，我們可以看到，發(fā)動機的噪音一般可分為機械噪聲，燃燒噪聲和空氣動力噪聲。機械噪聲又可分為進(jìn)氣和排氣噪聲和風(fēng)扇噪音。安裝空氣過濾器和不帶消聲器的發(fā)動機排氣及進(jìn)氣噪聲是最主要的機器噪音，往往比噪音高發(fā)動機體（不包括進(jìn)氣和排氣噪聲）高 10 至 15dB。它們顯示低頻衰減特性，很容易通過車輛的噪音對環(huán)境造成非常大的影響。 因此，在日益嚴(yán)格的噪音法規(guī)下，人們對車輛的 NVH 性能的要求越來越高，這凸顯了發(fā)動機進(jìn)氣和排氣噪聲控制的重要性。 發(fā)動機進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機理所謂的發(fā)動機進(jìn)氣，排氣噪聲，應(yīng)被解釋為進(jìn)氣口和排氣口和進(jìn)排氣系統(tǒng)部分暴露表面輻射所產(chǎn)生的總聲音，所以它應(yīng)包括在排氣系統(tǒng)的輻射噪聲中。在本文中除非另有規(guī)定，否則進(jìn)氣和排氣口的氣動噪聲輻射均指平均攝入量。進(jìn)在發(fā)動機通風(fēng)過程中生成的氣和排氣噪聲產(chǎn)生的機理有一些相同點，但進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)氣和排氣量之間的物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)的差異使進(jìn)氣和排氣噪聲成分也有一些不同之處。 發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲發(fā)動機的噪音在不穩(wěn)定的廢氣流過程中以壓力波的形式傳遞，通過排氣系統(tǒng)出口，尾管出口導(dǎo)致的輻射速度波動噪聲，排氣系統(tǒng)的不穩(wěn)定流是發(fā)動機的噪音最主要的組成部分。整個排氣噪聲頻率成分往往包括以下內(nèi)容： 打開排氣閥的頻率定期低頻排氣脈動噪聲，排氣管內(nèi)列共振噪音的基本頻率噪聲，汽缸的亥姆霍茲共振噪聲，空氣通過排氣瓣環(huán)和曲折，輪流噴涂生產(chǎn)管道流列的噪聲，以及渦流噪聲和排氣系統(tǒng)壓力管道再生波激勵下產(chǎn)生的噪聲。(1)周期性低頻排氣脈動噪聲攝入低頻率噪聲的脈沖產(chǎn)生的噪聲往往有著類似的機制，定期的低頻排氣脈動是由于打開閥門，導(dǎo)致周期性的壓力波動產(chǎn)生，但其主要頻率成分也與低頻脈動的攝入噪聲相同，其基頻為:??????????????????????????????????????????????（)(30Z1Hznf??）式中：Z —發(fā)動機缸數(shù)；n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速； —沖程數(shù)。式中:n發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。z汽缸數(shù)。沖程系數(shù)，四沖程取2，二沖程取1。?基頻的倍數(shù)頻率也廣泛的存在于噪聲排放中，如2 、3 、4 等諧次，它們與1f1f發(fā)動機點火頻率的前幾個諧次相呼應(yīng)。 (2)排氣管道內(nèi)的氣柱共振噪聲氣柱噪音和共振噪音有著同樣的機制，當(dāng)排氣閥門關(guān)閉，排氣系統(tǒng)也可以作為一個封閉的管道系統(tǒng)導(dǎo)致排氣管內(nèi)的共振，該系統(tǒng)可以被視為一個氣柱，這樣的一個空氣柱共振頻率為: ()lf412??式中:l管道中共振空氣柱的長度，多缸機可取各缸排氣管總長的平長度；c管道中有限波的傳播速度，m/sk諧波系數(shù)，1，2，3，…當(dāng)氣柱的共振頻率與空氣脈動頻率一致，即 = 時，空氣柱的共振噪聲顯增強，這1f2時就需要對排氣系統(tǒng)中的管道長度進(jìn)行調(diào)整，使兩者頻率錯開。(3)氣缸的亥姆霍茲共振噪聲如果一個封閉容積為 V 的空腔，通過一根截面積為 S、長度為 L 的管道與大氣相通，就形成一個共振系統(tǒng)。稱為赫姆霍茲共振腔，其共振頻率由參數(shù) V、 S 和 L 決定。發(fā)動機的排氣閥門打開以后，氣缸和排氣管形成一個亥姆霍茲諧振器，它具有共振頻率。刺激流量排氣噪聲在頻率相同的組件中得到充分放大的共振頻率。因此，發(fā)動機噪音頻譜變得非常突出，其頻率可按下式計算： )2/(2SlVcfk???（）式中： —聲速； —氣缸工作容積；S—排氣管截面積； —排氣管長度。ck l一般排氣管為圓形截面，設(shè)其半徑為 r，則式()成為： )()(2C2 rlVclVf kk ?????（）亥姆霍茲共振噪聲的最大特點是，其頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)，但必須指出，載排氣活塞向上的過程中，氣缸工作和改變量的共振頻率，諧振頻率逐漸增加。因此，相應(yīng)的亥姆霍茲共振頻率的峰值噪聲頻譜很寬。 亥姆霍茲共振噪聲在最常見的單缸機和兩缸機中都可以找到。然而，在超過四缸的多缸機中，由于氣缸之間的相互干擾，這樣的噪音并不突出。 (4) 廢氣噴注和沖擊噪聲在自由排氣階段，排氣閥門由于強烈的氣流速度而產(chǎn)生噴氣噪聲。此外，由于氣體的粘度，氣體排放量將帶動沿線尾氣閥動作后夾帶，使周圍的氣體旋轉(zhuǎn)，形成渦流狀的輻射噪聲。此外，廢氣壓力存在不連續(xù)性。這種壓力會產(chǎn)生不連續(xù)的沖擊波，導(dǎo)致脈沖噪聲。廢氣噴注和沖擊噪聲是連續(xù)寬帶的高頻噪聲。這種噪聲的峰值頻率為： dcSftm?（）式中： —斯脫哈爾數(shù)，其值與超臨界壓力比有關(guān)； —當(dāng)?shù)芈曀伲?—噴口特征尺tS cd寸。強制排氣階段，廢氣流經(jīng)排氣門處也會產(chǎn)生噴注噪聲，此時的峰值頻率和聲功率為： dvSftm?（）式中： —斯脫哈爾數(shù)，取 ～2； —廢氣流經(jīng)排氣門處的流速； —排氣門tS d直徑。（5）排氣管內(nèi)壁面處的摩擦及湍流噪聲發(fā)動機排氣過程的第一階段是超臨界階段，在氣道中形成湍流氣體流量，由于排氣管的溫度梯度和管道內(nèi)壁粗糙度，脈沖也將提高。在附近的氣道壁墻上的一系列氣體渦壓力波動以及噪聲輻射引起的脈沖是主要的寬帶湍流高頻噪聲。 排氣系統(tǒng)消聲器設(shè)計及性能指標(biāo)1 排氣消聲器的分類和特點當(dāng)下有著多種不同類型的消聲器，根據(jù)不同的原理，大致可分為阻性消聲器，抗性消聲器，阻抗復(fù)合消聲器和積極消聲器四種類型的主動消聲器。（1）阻性消聲器阻性消聲器在管道結(jié)構(gòu)內(nèi)使用吸聲材料設(shè)備，聲音在管道內(nèi)不斷蔓延后被吸收，從而達(dá)到靜音，如圖 所示。在這個過程中，消聲器所吸收得聲波的能量轉(zhuǎn)化為熱能，添加相當(dāng)于交流電路的電阻，如電阻在電路上的損益，并限制壓力的作用。A 型消聲器的消聲主要取決于使用吸音層的吸收系數(shù)和消聲器及表面面積的長度。它可以有效吸收寬頻帶的高頻率的聲音以達(dá)到更好的靜音效果。其主要缺點是怕熱，水，氣，油霧氣，煙塵堵塞毛孔，其吸音材料將減少吸收系數(shù)，降低了消音效果。（2）抗性消聲器 抗性消聲器的消聲管的原理是利用在接口突變聲波的聲學(xué)特性，將反射和折射的性質(zhì)體現(xiàn)在迅速擴(kuò)大或縮小的安裝管道截面上，或旁邊的通道接腔，這導(dǎo)致聲音無法順利傳遞以達(dá)到靜音的目的默。抗性消聲器不能直接吸收能量，在交流電路的電感和電容加入同種交流電流或電壓的變化，諧振電路，也可以從過濾器的效果形成。在低頻率范圍其電阻和結(jié)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)簡單的特點。