【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)仍然會(huì)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(gè)負(fù)載的測(cè)量結(jié)果，最終提取的最低源特點(diǎn)幾乎無(wú)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(jì)算的同時(shí)不引入外部聲音來(lái)源，但間接法也有其自身的缺點(diǎn)，如內(nèi)管測(cè)量環(huán)境需要一個(gè)高水平的消聲室。間接法傳遞矩陣所需的請(qǐng)求負(fù)載阻抗及出口價(jià)值，傳遞矩陣和阻抗的準(zhǔn)確性將會(huì)直接影響聲源特性結(jié)果的正確性。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣，尤其是困難的廢氣排放速度和溫度場(chǎng)，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(shí)踐中往往會(huì)發(fā)生較大誤差。但是由于間接法提取聲源簡(jiǎn)單、方便、計(jì)算過程中負(fù)荷轉(zhuǎn)移矩陣可以減少流量和溫度場(chǎng)以提高精度，所以此方法仍在被廣泛使用。國(guó)內(nèi)和國(guó)外的研究人員對(duì)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(jià)值并被多個(gè)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(chǎng)的管道，被視為最接近實(shí)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(gè)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(huì)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(gè)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)移矩陣方法計(jì)算。1986 年 Munjal 通過直接轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算出了平均流量和溫度梯度，然后戴維斯認(rèn)為，流動(dòng)性和空氣中熱量下粘性等多個(gè)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(jì)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(shí)還推出了施域數(shù)值計(jì)算方法和有限元數(shù)值計(jì)算方法，從實(shí)質(zhì)上對(duì)排氣消聲器的聲學(xué)做了系統(tǒng)的解釋，對(duì)排氣消聲器的聲學(xué)研究有很大的促進(jìn)作用，同時(shí)，書中對(duì)時(shí)下設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單擴(kuò)張腔對(duì)進(jìn)行聲學(xué)性能分析計(jì)算。在 1992 年，他采用了邊界元法穿孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)計(jì)算。在 1994 年和 1995 年，季振林采用邊界元法來(lái)分析非均勻的平均流量和低馬赫數(shù)流動(dòng)腔聲衰減性能的簡(jiǎn)單擴(kuò)張效果。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(duì)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(jì)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(jì)的一個(gè)新分支。國(guó)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(shí)驗(yàn)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(cè)進(jìn)氣噪聲聲源的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證這種方法的正確性。胡志龍還分別提取發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件和實(shí)驗(yàn)排氣噪聲的特點(diǎn)和比較，然后運(yùn)用立體排氣消聲器聲學(xué)仿真軟件計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣，最后將尾管噪聲的聲源特性的預(yù)測(cè)和優(yōu)化相結(jié)合，取得了良好的效果。 一維空氣動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣噪聲分析方法模擬非定常流場(chǎng)和流體壓力波動(dòng)下的模擬計(jì)算使發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣和排氣噪聲的傳統(tǒng)分析方法。隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)建模，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際狀況并直接預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算時(shí)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(dòng)機(jī)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?，基于線性聲學(xué)方法和一維的方法以及基于空氣動(dòng)力學(xué)原理的理論各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。前者的操作比較復(fù)雜，但提取的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣聲源精準(zhǔn)，因?yàn)椴恍枰?lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(shí)，因?yàn)槊恳粋€(gè)聯(lián)合都要重新計(jì)算引擎模型優(yōu)化，所以它的時(shí)間消耗很大，而且高計(jì)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的 NVH 噪音是一個(gè)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(dòng)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(duì)環(huán)境的污染。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，從最初的測(cè)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(jì)。如今，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)噪音相關(guān)研究已經(jīng)成為一個(gè)完整的測(cè)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(gè)主要噪聲源，使得研究如何有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪音成為了一個(gè)大的課題，根據(jù)車輛的噪聲源識(shí)別試驗(yàn)反映發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)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(dòng)機(jī)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(guó)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(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)，使其與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲仿真和測(cè)試達(dá)成一個(gè)真正的互補(bǔ)關(guān)系，這一點(diǎn)無(wú)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(duì)每個(gè)噪聲源產(chǎn)生的機(jī)理做了詳細(xì)的分析。（2）討論發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，總結(jié)消聲器的性能影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)排氣系統(tǒng)，消聲器性能仿真分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的噪聲處理基礎(chǔ)理論知識(shí)的改進(jìn)。（3）描述了 GT POWER 軟件及其數(shù)學(xué)原理，對(duì)輕型客車的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣消聲器系統(tǒng)控制技術(shù)，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)證改革建議的可行性。（5）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，排氣消聲器的改革建議，提出加速車輛噪音測(cè)試驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ 74 分貝）第 2章 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的噪音一般可分為機(jī)械噪聲，燃燒噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)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(dòng)機(jī)排氣及進(jìn)氣噪聲是最主要的機(jī)器噪音，往往比噪音高發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(duì)車輛的 NVH 性能的要求越來(lái)越高，這凸顯了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣噪聲控制的重要性。 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理所謂的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)噪聲輻射均指平均攝入量。進(jìn)在發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)過程中生成的氣和排氣噪聲產(chǎn)生的機(jī)理有一些相同點(diǎn)，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(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)噪聲，排氣系統(tǒng)的不穩(wěn)定流是發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音最主要的組成部分。整個(gè)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(dòng)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(lì)下產(chǎn)生的噪聲。(1)周期性低頻排氣脈動(dòng)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(jī)制，定期的低頻排氣脈動(dòng)是由于打開閥門，導(dǎo)致周期性的壓力波動(dòng)產(chǎn)生，但其主要頻率成分也與低頻脈動(dòng)的攝入噪聲相同，其基頻為:??????????????????????????????????????????????（)(30Z1Hznf??）式中：Z —發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； —沖程數(shù)。式中:n發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率的前幾個(gè)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(jī)制，當(dāng)排氣閥門關(guān)閉，排氣系統(tǒng)也可以作為一個(gè)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(gè)氣柱，這樣的一個(gè)空氣柱共振頻率為: ()lf412??式中:l管道中共振空氣柱的長(zhǎng)度，多缸機(jī)可取各缸排氣管總長(zhǎng)的平長(zhǎng)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(dòng)頻率一致，即 = 時(shí)，空氣柱的共振噪聲顯增強(qiáng)，這1f2時(shí)就需要對(duì)排氣系統(tǒng)中的管道長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，使兩者頻率錯(cuò)開。(3)氣缸的亥姆霍茲共振噪聲如果一個(gè)封閉容積為 V 的空腔，通過一根截面積為 S、長(zhǎng)度為 L 的管道與大氣相通，就形成一個(gè)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(dòng)機(jī)的排氣閥門打開以后，氣缸和排氣管形成一個(gè)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(dòng)機(jī)噪音頻譜變得非常突出，其頻率可按下式計(jì)算： )2/(2SlVcfk???（）式中： —聲速； —?dú)飧坠ぷ魅莘e；S—排氣管截面積； —排氣管長(zhǎng)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(diǎn)是，其頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)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(jī)和兩缸機(jī)中都可以找到。然而，在超過四缸的多缸機(jī)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(qiáng)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(dòng)沿線尾氣閥動(dòng)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(huì)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(qiáng)制排氣階段，廢氣流經(jīng)排氣門處也會(huì)產(chǎn)生噴注噪聲，此時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(jì)及性能指標(biāo)1 排氣消聲器的分類和特點(diǎn)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(dòng)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(gè)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(zhǎng)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(diǎn)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(wú)法順利傳遞以達(dá)到靜音的目的默?？剐韵暺鞑荒苤苯游漳芰浚诮涣麟娐返碾姼泻碗娙菁尤胪N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(jiǎn)單的特點(diǎn)。