消声器设计与声学分析.ppt

消声器设计与分析,,,所属：CDAJ-GT TEAM 芮 鹏,主要内容,消声器设计与声学分析基础 GT-POWER中的标准声学分析 GT-POWER中的线性声学分析 Muffler－专用消声器设计模块 GEM3D在消声器设计与声学分析中的应用,消声器设计与声学分析基础,,消声器的设计要求,声学要求 减少声能的传递－ 传递损失 插入损失 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 机械和材料方面的要求 气流、温度对材料性能的影响 成本的控制 安装空间的限制,,,,能量损失增大 流速过高，摩擦噪声增大,,消声器的设计步骤,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 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 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求，如要求达到的消声量和允许的最大压力损失 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 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 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 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,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,只能消除窄频带的噪声,例：简单扩张室式消声器结构形式的选取,排气消声器的结构形式,,,,套管（框型罐）,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,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。,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,常用声学评价指标,声压级差值（level difference） 系统中任意两点的声压级的差值,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。,GT-POWR中的标准声学分析——非线性声学,,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,,Order Tracking and Harmonics,例:四冲程发动机@ 6000rpm Basic f: 50Hz Rotation f: 100Hz 1st，2nd，4th harmonics: 50Hz，100Hz，200Hz 1st，2nd，4th orders: 100Hz,200Hz,400Hz. 对于二冲程发动机： Harmonics=Orders,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,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,,‘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）,‘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）,Post－process,During a simulation,Microphone－计算方法,,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,GT-POWER对压力信号进行插值用于FFT转换,对压力信号进行FFT转换,计算每个频率下声波的振幅,,,,,2,1,3,4,,‘AcoustExtMicrophone’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）：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,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’,‘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 should 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)（？？？）,‘AcoustTransLoss’,传递损失分析模块用法： During the simulation（正在进行的模拟） Post－Processing（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,‘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？？,‘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‘data’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,,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）,‘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: 16 Sampling Rate: 44.1 kHz Filter: 54th order,Data Windows（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）,GT－power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。,GT-POWR中的线性声学分析,线性声学模型,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 适用对象：有声学分析经验的工程师 （使用过其他相似的声 学分析工具） 模型中常用的流动部件： Pipe Flowsplit Orifice CatalystBrick EndEnvironment EndFlowCap,线性声学模型,采用传递矩阵（4－pole）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,线性声学模型,,计算方法：基于平面声波理论－Helmholtz equation,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,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200mm Muffler——声速为500～600m/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,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,线性声学预测工具,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,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,Natural (Eigen) Frequencies(固有频率的计算）,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 ？？？,例： Helmholtz腔和1/4波长管的固有频率分析,固有频率分析,,系统的固有频率,RLT结果显示,例：1/4波长管传递损失的计算,,,例：排气消声器声压级（差）的计算,,,,计算插入损失,例：扩张室插入损失的计算,,,‘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,Bridging the Gap Between Linear and Non-Linear Acoustic Analysis,No－Linear Acoustic,Linear Acoustic,Gap,,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,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,管路长度必须可变,,,,管路长度必须为可变,,Multiload Method of Source Characterization,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,插入损失的计算,传递损失的计算,通过标准求解器计算传递矩阵,本征频率的计算,Muffler－专用消声器设计模块,,Muffler简介,,,特点： 专用的图形化前处理程序 图形化的界面 建立包括各种零部件的复杂结构消声器的三维几何形状 通过其内部数据格式数据文件自动生成GT-POWER模型 减少消声器建模的工作量(不必做大量的加工和测试） 模型优化而准确 为复杂形状的建模提供方便,Content,1. 基本概念 2. 基本操作 3. 离散 4. Interference 5. 模型的快速检查,1. 基本概念,1.1 模板,1. Basic concept,1.2 Shell（壳体）,定义壳体的厚度,用于GT-POWER 中的参数,用于GT-POWER 中的参考模型,1. Basic concept,1.3 Shellbaffle（挡板）,Left end at x=-1 Right end at x=1,Middle face positin,Note: Baffle thickness reduces the effective chamber volume!,1. Basic concept,1.4 Orifice,Define the inlet and outlet port number for assembly linkage in GT-POWER,1. Basic concept,1.5 Porocity,1. Basic concept,1.6 WOOL （吸声材料）,Note: WOOL occupies the whole chamber space!,2. Basic operation,,3. Discretization（离散）,3.1 concept （基本概念）,3. Discretization,3.2 Model vs Map,3. Discretization,3.3 Basic Rule Smaller DX ,more accuracy ,more run time pipe end and orifice must be in one cell Minimum cell length DX = Diameter Approximation: Pipe position,,,,,,,,Adjust to,,Adjust to,,DX,,DY,,DZ,,4. Interference,3.4 Interference Two cases,Real interference Solution: change position,False interference Solution: Unmark it,5. 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,5. 模型质量的检查,Solution1: DX=50 ,DY=DZ=150,5. 模型质量的检查,Solution2: DX=50 ,DY=DZ=150,L1=50+,L2=100-,good,5. 模型质量的检查,Solution3: DX=50 ,DY=DZ=75,L1=50+,L2=100-,bad,5. 模型质量的检查,Solution3: DX=50 ,DY=DZ=50,L1=50+,L2=100-,good,谢 谢！,,,,