（动力机械及工程专业论文）内燃机排气系统声学仿真方法与设计技术研究.pdf

内燃机排气系统声学仿真方法j 设计技术研究 摘要 插入损失是评价消声器声学性能最有效的指标，为了计算插入损失，需要获得内燃 机排气噪声的源阻抗、排气系统的四极参数以及尾管口的辐射阻抗三个要素。本文介绍 了内燃机排气噪声源阻抗的研究现状与获取方法，对几种主要的多负载法进行了详细的 比较和讨论，阐述了它们的优缺点。最大声功率法能得到全是正的声阻值，使得计算结 果更有实际的物理意义。为了验证不同方法的计算精度和对输入误差的敏感程度，特别 引进了一个参数已知的线性声源辐射噪声模型。通过对比发现，在计算精度与对输入误 差敏感程度方面，本文改进的多负载法都胜于p r a s a d 的传统四负载法和j a n g 和i h 的改 进多负载法。声源阻抗计算中，影响多负载法计算结果准确性的因素，除了采用的不同 多负载计算方法的差别外，另外一个重要的因素就是负载组合的选取。采用同一种多负 载法计算声源阻抗，不同的负载选取方法可能会得到正确的结果，也可能所得结果与真 值有很大偏差。本文对负载的选取方法进行了研究与验证，同时分析了负载个数对声源 阻抗计算结果的影响。 为了使排气系统声学性能计算过程系统化和可视化，本文使用m a t l a b 平台的g u i 功能进行了界面设计。所设计的界面友好，操作简单，秉承人性化的操作理念，大大简 化了声学计算过程中编写程序和数据输入输出的工作，提高了计算过程的效率与准确程 度，也节省了很多后处理时间。 论文采用不同方法计算了内燃机排气噪声的源阻抗，对几种方法的计算结果进行了 比较分析，同时研究了转速和负荷对声源特性的影响。在介绍了插入损失与排气辐射噪 声的计算方法后，对一简单膨胀腔消声器进行了插入损失和排气辐射噪声的实例计算与 分析。不同方法的计算结果吻合良好，证明了声源特性、插入损失和排气辐射噪声等计 算的正确性。 关键词：内燃机；排气噪声；声源阻抗；多负载法；数值计算；声学仿真 内燃机排气系统声学仿真方法与设计技术研究 a bs t r a c t i n s e r t i o nl o s si st h em o s te f f e c t i v ec r i t e r i o nf o rt h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fa g i v e nm u f f l e r i no r d e rt o c a l c u l a t et h ei n s e r t i o nl o s s ，t h r e ep a r a m e t e r s ，n a m e l ys o u r c e i m p e d a n c eo fi c e n g i n ee x h a u s tn o i s e ，f o u r - p o l ep a r a m e t e r so fe x h a u s ts y s t e ma n dr a d i a t i o n i m p e d a n c eo ft a i lp i p en e e dt ob eo b t a i n e d t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na n d m e t h o d so fi c e n g i n ee x h a u s tn o i s es o u r c ei m p e d a n c e ，c o m p a r e ds e v e r a lm a j o rm u l t i l o a d m e t h o d sa n dd i s c u s s e dt h e i rr e l e v a n ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ep r o p o s e dm a x i m u m s o u n dp o w e rm e t h o do b t a i n e da l lp o s i t i v er e a lp a r t so fs o u r c ei m p e d a n c e ，w h i c hh a da c t u a l p h y s i c a lm e a n i n g s al i n e a r s o u r c er a d i a t i o nn o i s em o d e lw i t hk n o w np a r a m e t e r sw a s i n t r o d u c e di no r d e rt oc h e c kt h ea c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t yt ot h ei n p u te r r o r so fv a r i o u s m e t h o d s i tw a sf o u n dt h a t t h ep r e s e n tm o d i f i e dm u l t i l o a dm e t h o di sb e t t e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a lf o u r - l o a dm e t h o dp r e s e n t e db yp r a s a da n dt h er e f i n e dm u l t i - l o a dm e t h o d p r o p o s e db yj a n ga n di hr e g a r d i n gt h ea c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t yt oi n p u te r r o r s am a j o rf a c t o r t h a ta f f e c t st h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t si st h es e l e c t i o no fl o a d si na d d i t i o nt ot h ed i f f e r e n c e b e t w e e nv a r i o u sm u l t i l o a dm e t h o d se m p l o y e di nt h es o u r c ei m p e d a n c ee v a l u a t i o n a sf o ra c e r t a i nm u l t i - l o a dm e t h o du s e dt oc a l c u l a t et h es o u r c ei m p e d a n c e ，c o r r e c tr e s u l t sm a yb e o b t a i n e db ye m p l o y i n gs o m el o a d s ，w h i l eag r e a td e v i a t i o nt ot h et r u ev a l u em a yb ec a u s e db y e m p l o y i n gs o m eo t h e rl o a d s t h e r e f o r e ，t h es e l e c t i o nm e t h o do fl o a d sw a ss t u d i e da n d v e r i f i e d ，a n da l s ot h ee f f e c t so fl o a d sn u m b e ro nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ea n a l y z e di nt h i s t h e s i s i no r d e rt oa c h i e v et h es y s t e m a t i ca n dv i s u a lc a l c u l a t i o n sf o rt h ee x h a u s ts y s t e m a c o u s t i c a lp e r f o r m a n c e ，t h ep r e s e n tt h e s i sc o n d u c t e dt h ei n t e r f a c ed e s i g nb yu s i n gg u i f e a t u r e sv i am a t l a bp l a t f o r m 1 1 1 ed e s i g n e di n t e r f a c ei su s e r - f r i e n d l y , s i m p l et ou s e ，a n d a d h e r i n gt oh u m a n i z a t i o ni d e a s ，w h i c hg r e a t l ys i m p l i f i e dt h ep r o g r a m m i n ga n dd a t ai n p u ta n d o u t p u tw o r k si nt h ea c o u s t i cc a l c u l a t i o n s ，a n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fc a l c u l a t i o n sa n dt h e a c c u r a c yo fr e s u l t s ，a l s os a v e d al o to fp o s t p r o c e s s i n gt i m e v a r i o u sm e t h o d sw e r ee m p l o y e di nt h es o u r c ei m p e d a n c ec a l c u l a t i o n so fi c e n g i n e e x h a u s tn o i s e ，a n dt h e nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yu s i n gv a r i o u sm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n d a n a l y z e d t h ee f f e c t so fe n g i n es p e e d sa n dl o a d so nt h es o u r c ei m p e d a n c ew e r es t u d i e di nt h i s t h e s i s mc a l c u l a t i o nm e t h o d so fi n s e r t i o nl o s sa n de x h a u s tr a d i a t e dn o i s ew e r ei n t r o d u c e d ， a n dt h e ni n s e r t i o nl o s sa n de x h a u s tr a d i a t e dn o i s ew e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e df o ras i m p l e 哈尔滨1 ：程大学硕十学何论文 e x p a n s i o nc h a m b e rm u f f l e r t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yu s i n gv a r i o u sm e t h o d sa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t he a c ho t h e r , d e m o n s t r a t e dt h a t t h e c a l c u l a t i o n so fs o u r c ec h a r a c t e r i s t i c s ， i n s e r t i o nl o s sa n de x h a u s tr a d i a t e dn o i s ew e r ec o r r e c t k e yw o r d s ：i n t e r n a lc o m b u a i o ne n g i n e ；e x h a u s tn o i s e ；s o u r c ei m p e d a n c e ；m u l t i - l o a d m e t h o d ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；a c o u s t i cs i m u l a t i o n 第l 章绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i 1 i i i i i i 嗣 第1 章绪论 1 1 内燃机排气噪声控制与消声器 内燃机广泛应用于工业、农业、交通运输和国防建设中，它是汽车、农业机械、工 程机械、机车、船舶、移动和备用电站等装置的主要动力。随着对环境保护要求的不断 提高，内燃机的噪声问题越来越受到人们的重视。内燃机排气噪声在内燃机噪声中占有 很大的比重，随着对内燃机噪声控制的法规越来越严格，是否具有良好的噪声、振动和 平顺性( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ，简称n v h ) 已经成为内燃机能否投放市场并具有 良好竞争力的先决条件。因此，内燃机方面的专家普遍认为，在新的世纪里噪声和排放 作为内燃机研究的两大主题，将会决定内燃机未来生存和发展。 噪声的控制，主要是从噪声源和传播途径入手。对于内燃机排气噪声的控制，一方 面可以从分析噪声源的产生机理入手，采取相应对策，但这将会影响内燃机整体结构设 计及其它方面的性能，技术难度大而且降噪水平有限。目前最有效的方法是从噪声传播 途径入手，也就是研制性能优良的排气消声器。 消声器性能的评价指标主要包括声学性能和空气动力性能两个评价指标。 1 、声学性能评价指标 消声器声学性能的评价主要用消声量的大小及消声频谱特性来表示，其中主要包括 计权声级( a 声级或c 声级) 消声量及各倍频程( 倍频程或1 3 倍频程) 消声量。根据测试 方法的不同，消声器声学性能的评价指标可分为传递损失、插入损失及噪声衰减量等j 。 传递损失定义为末端为无反射条件下，消声器入口处入射声功率级和出口处透射声 功率级之差，其表达式为： 矽 儿= l o g l o 兰 = l 彬一三 ( 1 一1 ) w t 式中形为消声器进i ；3 处的入射声功率、形为出1 ：3 处的透射声功率，单位为w ；三砒为消 声器进口处的入射声功率级、厶消声器出口的透射声功率级，单位为d b 。 传递损失是消声器单独具有的特性，与管道系统和噪声源无关，在消声器设计阶段 多采用传递损失作为衡量消声器消声性能的指标。 插入损失儿定义为消声器安装以前和安装以后在某固定测点处测得的声压级之差， 即 i l = l 口l l p 2 ( 1 2 ) 插入损失易于现场测量，非常实用。插入损失是包括声源、管道和消声器这个系统 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在装消声器前后声学性能的变化。对于评价消声器实际的消声效果更具有现实意义，现 场测试时一般采用插入损失作为衡量消声器实际的消声效果的指标。为计算消声器的插 入损失，除需获得排气系统的四极参数与管口辐射阻抗外，还需获得声源阻抗。 噪声衰减量是指消声器进口端与出口端之间声压级之差，其表达式为： n r = 眦l s 彪2 ( 1 - 3 ) 式中s p l ，和s p l ，分别为消声器进、出口处的声压级，单位为d b 。 2 、空气动力性能评价指标 空气动力性能是评价消声器性能的又一重要指标，也是消声器设计中应该考虑的重 要因素，消声器的设计与研究在考虑消声性能的同时要兼顾其空气动力性能。 消声器的空气动力性能评价指标通常为压力损失或者背压。消声器的压力损失为气 流通过消声器前后所产生的压降，也就是消声器前与后气流管道内的平均全压之差值， 如果消声器前后管道内流速相同，即动压相等，则压力损失就等于消声器前后管道内的 平均静压差值，其表达式为： a p = 墨一罡 ( 1 - 4 ) 其中，眉和只分别为进i ：l 端和出1 ：3 端的平均全压。 消声器的压力损失大，则排气背压高，排气过程排出废气耗功就大，也就是功率损 失比较大，因此空气动力性能是消声器设计时必须考虑的重要指标。 消声器声学设计中，目前主要形成频域法和时域法两种理论。其中频域法主要包括： 一维传递矩阵法、三维解析法、有限元法和边界元法等。时域法分为一维时域方法和三 维时域( c f d ) 方法。相比较而言，频域方法计算速度快，只能计算消声器的声学性能， 不能考虑实际工作中发动机与消声器的相互作用，与频域方法相比，时域方法能够考虑 介质粘性、热传导现象、复杂流动以及非线性效应等。一维时域方法如g t - p o w e r 软件 不仅能够预测消声器的传递损失和插入损失、发动机的排气背压以及尾管辐射噪声等参 数，还可以考虑发动机和消声器的相互影响，模拟内燃机和排气系统中的非线性现象， 如流动效应、热传递以及不同位置温度、流速、压力的变化等。但它是以更长的计算时 间为代价，而且只适用于平面波范围，不能模拟声波传递过程中出现三维波的情况。同 样，时域方法如f l u e n t 软件不能模拟发动机与消声器的相互作用，计算时间比频域方法 要长。 针对以上分析，本文将结合一维时域方法和三维频域方法进行消声器的声学性能计 算，既能考虑实际的发动机工作过程，又能够模拟消声器中出现三维波时的情况，使仿 真计算结果更加接近于真实情况。 第1 章绪论 1 2 内燃机排气噪声源阻抗研究方法及现状 传统的消声器设计主要采用实验的方法，在遇到内燃机型号或者工况以及噪声法规 发生变化的时候，这种传统的消声器设计方法往往显得非常费时和麻烦。另外传统的消 声器设计方法，在评价消声器的声学性能时往往采用传递损失这个指标，是把排气消声 器独立于发动机和排气系统而进行的。相关研究表明，排气消声器并不是与发动机完全 独立的，内燃机作为排气消声器的噪声源，其排量、排气温度等对消声器的声学性能与 空气动力性能有很大影响。反之，消声器的加入对发动机的动力性和经济性等性能也会 产生影响。故在消声器设计中，把消声器与发动机联合起来研究更具有现实意义。评价 消声器声学性能的指标中，插入损失是衡量消声器消声量的最有效的指标，也是消声器 生产厂家最关心的指标。为计算消声器的插入损失或者尾管口辐射噪声，需要获得内燃 机排气噪声的源阻抗。如何准确地获得内燃机排气噪声的源阻抗，一直以来是排气消声 器设计中的一项重大课题。 在声源阻抗研究上，国外学者起步较早，取得了一些成果。m l k a t h u r i y a 等瞄j 最 早将内燃机排气系统表述为以声压和内部阻抗为参数的声源，并提出了一种将排气管看 成阻抗管来获得声源这些参数的方法。1 9 8 8 年，h b o d e n 3 j 采用两负载法对流体机械的 声源特性进行了实验测量，并对测量声源阻抗的两负载法进行了误差分析。1 9 9 2 年vh g u p t a 等【4 j 发展了一种数值方法来预测声源阻抗。1 9 9 4 年，b s s r i d h a r a 等【5 1 分别采用 速度源模型和双极子辐射模型进行噪声声源和排气尾管出口的模拟，结合不同截面处消 声器和排气管的四极参数进行了插入损失和排气辐射噪声的预测。1 9 9 5 年l d e s m o n s 等【6 】采用一个外部传感器和一组校准的负载得到了一台内燃机的声源阻抗。同年j l a v r e n o e v 掣7 】描述和讨论了一种对两极子声源的声源强度和阻抗进行测量的实验方法。 1 9 9 9 年ea l b e r t s o n 等1 8 】介绍了预测内燃机排气噪声的方法，对声源阻抗线性和非线性 模型作了简单阐述。 h b o d e n 等【9 , 1 0 1 和h r a m m a l 】进行了声源阻抗的线性和非线性模型的研究，提出 了两个判断单极子声源是否为线性声源的线性系数，通过仿真与实验，在几种机械上研 究了这些系数对随机噪声的敏感性与测试声源非线性的能力。m k n u t s s o n l l 2 j 通过非线性 仿真得到了内燃机进气系统的声学参数，并将其应用于内燃机进气系统噪声的预报中。 e d o k u m a c i 1 3 j 使用外部负载预测了时变和时不变单极子声源的源特性。e d o k 啪a c i l l 4 j 又提出了一个预测内燃机排气噪声单极子声源特性的线性模型，它基于一维理想流体动 力学方程，分别就线性时不变、线性时变以及非线性单极子声源模型进行研究。 2 0 0 1 年，k s p e a t 掣巧j 对使用间接法测量时变声源的声源阻抗进行了解析法研究。 2 0 0 2 年，k s p e a t 1 6 j 对使用直接法测量时变声源的声源阻抗进行了解析法研究。2 0 0 3 哈尔滨。f ：稃人学硕十学伊论文 - - 1 年，s h j a n g 等【1 7 】就流体机械的时变特性，对两种典型的测量方法所得结果的影响作 了细致研究。2 0 0 4 年，s h j a n g 等【l8 】就单极子时变声源的声学特性进行了阐述。同年， m l m u n i a l 【1 9 】在前人研究的基础上，就内燃机排气声源的声学特性作了一个总体回顾。 2 0 0 6 年，f a l b e r t s o n 等【2 0 】比较了采用不同方法将时域中的非线性声源形式，耦合到频 域中的线性系统形式，并将其应用到一台简单无气门单缸冷态发动机上。2 0 0 7 年，h r a m m a l 等【2 1 1 对于非线性声源模型，发展了一种多负载方法。同年h r a m m a l 等【2 2 1 使用 单极子声源模型对空气中末端装置的噪声特性进行了研究。2 0 0 8 年，j j i a n g 等四j 提出 了一种有效监测内燃机燃烧过程的方法，该方法基于声学单极子声源理论和排气声学测 量。他们发现以声压为度量的声源强度可以为内燃机燃烧过程提供一个更准确的指示， 因为声源强度是通过使排气系统的反射效果最小化而得到的。 在声源阻抗研究方面，国内学者起步较晚，涉及声源阻抗计算方法的研究也相对较 少。1 9 8 7 年王佐民【2 4 l 初步探讨了声源空腔对抗性消声器插入损失的影响。1 9 8 9 年王佐 民等【2 5 j 在国内首次介绍了多负载法的基本原理，并给出了相应的计算公式。1 9 9 6 年， 季振林等【2 6 】使用边界元法与四负载法联合进行了排气消声器的插入损失的预测。1 9 9 8 年，季振林等【2 。7 】使用双负载法和特征线法确定发动机的声源阻抗和强度，实现了对内燃 机排气噪声和消声器插入损失的预测。2 0 0 9 年，胡志龙1 2 8 j 在其硕士论文中，分别基于 g t - p o w e r 软件的二负载法、三负载法以及四负载法进行内燃机排气噪声源阻抗的计算， 并计算了一个三通穿孔管消声器的插入损失。 在消声器设计中，内燃机声源阻抗往往被忽略或者简单把内燃机声源看作是恒压声 源( z 。= 0 ) 、恒速声源( z 。= 0 0 ) 和无反射声源( z ，= p c ) ，而通过消声器性能的实验和仿 真计算表明，这几种简化声源都不恰当，因此准确得到声源阻抗对准确得到消声器的插 入损失是必要的【2 9 1 。在如何得到内燃机声源阻抗方面，前人做了许多研究。实验方法主 要分为直接法【3 0 0 3 1 和间接法【3 4 。3 9 1 。 1 2 1 直接测量方法 直接法又叫有外部声源的方法，是将外部声源放在负载的某个位置，其幅值必须比 被测声源高，因此测量时被测声源的声压可以忽略。直接法的优点是只需要一次测量， 准确度是所有方法中最高的。不足之处是对于内燃机排气噪声源来说，很难找到这样一 个外部声源，即使可以找到，如此高的声压级也会出现很强的非线性现象。 直接法主要分为两步。第一步，声源阻抗由外部激励声源决定，这时可以用测量被 动系统声阻抗方法来测量声源阻抗，早期主要是驻波比法。d f r o s s 和m j c r o c k e r i 四j 提出了一种采用驻波比方法实验测量一台内燃机的声源阻抗。实验装置中包括一个能沿 着测试管轴线移动测量任何位置驻波压力的传声器。在连着测试管的旁支管端，连着 4 第1 章绪论 一个高声强的声源，测试管的另一端连着一台未知阻抗的内燃机。通过测量驻波中最大 与最小压力幅值的比，以及测试管中测量参考面到第一个最小的驻波之间的距离，可以 得到内燃机的反射系数，进而得到内燃机的声源阻抗。通过他们的研究发现，内燃机声 源阻抗是转速的函数，也与内燃机负荷有关。现在普遍采用的是两传声器法以及多传声 器法【3 0 - 3 3 j 。第二步，把外部声源关掉，声源强度是通过将一个已知声学负载加到被测声 源后，所测量到的压力来得到的。 直接法的主要问题在于第一步。外部激励声源打开时，压力传声器所要获取的只是 这个激励声源产生的声场而不包括被测声源产生的声场，而实际过程中压力传感器感受 到的是二者耦合的声场。要解决这个问题，一些学者提出选用一个比被测声源声压级高 出许多的外部激励声源。但是在低频时，这么做还是不可行或者所得结果不正确。因为 低频时发动机产生相当高的声压级，很难找到甚至不可能找到这样的外部声源【2 9 3 0 】。有 的学者提出，在声源阻抗测量中应该关闭被测声源1 4 川。但是对于大多数机器，声源特性 在发动机运行时会发生改变，故这种办法也不能得到正确的结果。还有一种办法是使用 一个与被测声源声场相关的参考信号【3 1 1 。例如用电信号激励一个喇叭，但是它很难跟被 测机器产生的声场相关起来，即使这可以实现，有时也很难找到如此高声压级的外部声 源。同时，由于直接法主要在管内测量，会带来操作上的困难。例如高温和带腐蚀性气 体的环境，对于安装外部声源是个问题。由于内燃机是具有较高的低频声压级的声源， 对于采用直接法测量这样的声源，要求测量仪器相对复杂，这在很大程度上限制了直接 法的实施。故在很多场合下，间接法比直接法更受青睐。对于内燃机这样的声源，更多 的是使用间接法测量或者仿真计算得到声源阻抗。与直接法相比，间接法在得到声源阻 抗的同时还可以得到声源强度，它也不需要外部声源。 1 2 2 间接测量方法 间接法又叫无外部声源的方法。声源强度p 。和声源阻抗z 。是由通过测量将已知阻 抗的负载加到未知声源后的声压而得到的。声压测量分为管内测量法和管外测量法，较 多采用的管； i - n 量法。采用两负载法【3 4 珈郴j 计算p 。和z 。这两个未知量，只需要在噪声源 后面添加两个不同声学负载，然后分别进行声压测量。如果声学负载多于两个负载，就 是多负载法【4 1 ，4 2 1 ，典型的是三负载法【4 3 】和四负载法【3 5 】。多负载法是通过解超定问题，来 降低由测量引入的输入误差的影响，提高计算准确度。由于p 。和z 。都是复数，这就要 求两负载法进行的是复数压力测量，必须有一个与被测声源相关的非声学参考信号存 在，但是这样的参考信号通常是不容易或者不可能找到的l 。基于这种考虑以及实际的 可操作性，通常采用的是多负载方法。例如使用单通道测量系统，而不是双通道测量系 统测量声压。只需要测量压力的自谱，而不用测量复数压力参数。三负载法就是第一种 哈尔滨r 稃大学硕十学何论文 采用这种思想的方法。通过将式阢( 互p ，) = z 。+ 互两边取模平方，得到一个包含三个 未知数( g p 。= i 以1 2 以及乙的实部r e ( z 。) 和虚部i m ( z 。) ) 的实数方程( 1 - 5 ) 。要计算这三 个未知量，需要在噪声源后面添加三个不同负载进行三次测量。 fz f 2 g h ) g 饥一2 r e ( 乙) r e ( 互) 一2 i m ( z f ) i m ( 乙) 一i 乙1 2 = i z , 1 2 ( 卜5 ) 其中眙= i a l 2 。 式( 1 5 ) 为一个非线性方程，其解多于一个实根，故采用这种方法测量声源阻抗很 不可行，且被报道有很大的测量误差 3 8 1 。m gp r a s a d 3 5 】提出了一种四负载测量声源阻 抗的方法，并使用这种方法测量了一个麦克风的声源阻抗。对于四负载法来说，第四次 声压测量用于消除非线性项z 。2 ，但是这种方法同样被报道有较大的误差【3 9 l 。四负载法 就是将( 1 5 ) 式在噪声源后面添加四个不同负载，进行四次测量后得到四个方程，用其 中一个方程分别与其他三个方程相减消去非线性项z 。2 。也就是把非线性方程看作一个 线性方程求解，它的前提是将非线性项z 。2 看作是独立未知量。 与直接法和两负载法相比，三负载法和四负载法不需要测量复数量( 声传递函数) ， 只需要一个单通道信号分析仪测量声压信号自谱。使用三负载法和四负载法求声源阻抗 时，得到两到三个二次非线性代数方程。四负载法得到的方程组中有一个方程是多余的， 可以用它将三个非线性方程化成两个线性方程。但是这样简化存在的问题是如何保证将 声源的实部和虚部化成线性方程后，能够很好的满足由原来的恒压声源模型导出的非线 性方程。据前人研究，这种非线性方程到线性方程的简化带来了很大的误差。 三负载法的优点是只需要在三个负载下测量三个声压自谱( 实数) ，缺点是三负载法 不能够得到所有频率下的声源阻抗。三负载法得到的两个非线性方程，可以把它化成以 声源实部和虚部为坐标的两个圆的形式。若两个圆相切，则声源阻抗有两个重根。若两 个圆交于两点，则有两组声源阻抗值，要从这两组值中确定真正的声源阻抗值是比较困 难的。如果两个圆压根没有相交，则这个频率下方程组没有根( 即得不到这个频率下的 声源阻抗) 。由此可以看出，三负载法构造的二次非线性方程求解过程的缺陷，限制了 三负载法的应用。 四负载法与三负载法的控制方程相同，差别在于多用了一个负载，也就多了一个非 线性方程。三个非线性方程可以化成三个圆的形式，由于二次方程最多有两个根，这三 个圆理论上是相交于一点或者两点。如果三个圆多于两个交点，找到真正的声源阻抗值 就很困难。若将三个非线性方程消去二次项，化成两个线性方程。这样简化的问题是两 个线性方程的根，并不是在所有频率下都满足原来的三个非线性方程。事实也证明这样 的简化带来了很大的误差。例如将线性方程得到的声源阻抗代入非线性方程左边表述 式，左边表述式的结果并不等于0 ，有时候远大于0 ，这跟非线性方程左边必须等于0 相差太远。也就是说线性方程的解不能满足原来的非线性方程，这就造成求解的不准确 6 第1 章绪论 3 9 1 o 内燃机声源阻抗的测量对于输入误差十分敏感【4 5 1 ，一个重要的原因是测量波导时存 在平均流，湍流的存在也导致了波导的衰减。实际测量中由于很难区分由于湍流产生的 再生噪声与管中已经存在的噪声，故实际测量往往是在无流的情况进行的1 4 引。在使用各 种方法测量内燃机声源阻抗时，声源阻抗实部往往出现负值，而负的声阻在物理上是没 有意义的。在一些方法中可能得到正的声阻，而另一些方法中声阻出现负值，有很多原 因可能导致声阻出现负值【4 2 j 。最可能的原因是时不变声源的假设与多负载方法的固有算 法有冲突，以及声源的非线性效应( 声模态之间的非线性能量传递) 。 如前面所述，传统四负载法对于测量输入误差很敏感【4 2 1 ，为了改进传统的四负载法， h b o d e n l 47 】提出了一种直接最小平方算法，但是它同样对输入误差敏感。2 0 0 0 年，s h j a n g 和j gm 【4 8 】提出了一种克服传统四负载法稳定性差的新算法，它基于线性时不变模 型，通过引出一个误差函数来实现的。据报道，采用这种方法对测量输入误差没有前两 种方法敏感。对多负载方法进行改进，为了是使在计算声源阻抗时，在研究的频率范围 内多负载法尽可能保持稳定。但是不管多负载法如何改进，由多负载方法计算的声源阻 抗实部总是出现负值。采用多负载法测量声源阻抗时，由于声源出现非线性与时变效应 等，导致声阻出现负值的观点被大多数学者所接受。对于可能产生负的声阻的原因，j g i h 和k s p e a t l 4 9 l 作了一些陈述。他们指出可能的原因有测量输入误差、平均流的影响、 声源非线性现象、湍流影响、声源时变和其他因素例如强的温度梯度、尾管口的声反射 等。同时他们也指出有必要对声源阻抗实部出现负值作进一步的研究，以便揭开声阻出 现负值的谜底。有可能要对声源的线性与时不变模型的基本假设进行重新考虑，以便真 实、细致和全面地反映声波和气流的传播过程。 1 2 3 数值仿真方法 g t - p o w e r 是一种能够直接对内燃机排气噪声源阻抗进行仿真计算的商业软件。源 阻抗计算时，首先需要搭建内燃机和排气系统的仿真模型，然后在排气系统末端连接一 个直管负载，直管长度可以随工况改变。在直管负载进口端为排气噪声源与负载的交界 面，在此截面处安装一个体积速度传感器和压力速度传感器，以及对压力信号和体积速 度信号进行处理的m u t i l o a d 模块。 m u t i l o a d 模块是g t - p o w e r 软件自带的一个非线性模块，该模块能模拟时域中的声 源，得到用于线性声学分析中的频域声源特性。它利用g t - p o w e r 软件标准的( 非线性) 声学仿真结果而得到用于线性声学分析中等效的声源特性。它与线性声学分析有关，但 是用于非线性仿真中，非线性求解器中的时域声源必须转换成能用于线性分析中的频域 数据，通过确定与非线性仿真中，在安装m u t i l o a d 模块处有相同的声学结果的声源数据， 7 哈尔滨i ：榉人学硕十何论文 就得到了线性声源特性。声源特性可以通过下而三种方法计算得到：l 、内部计算法；2 、 外部计算法：3 、外部测量法。内部计算法确定的足排气系统内部的声学特性；外部计 算法通过获得丌【_ i 环境处的体积流量直接得到卢源特。陀：外部测罱法是存自吐i 场中安装 一个麦兜风来获得卢源特性( 5 。 g t - p o w e r 软件计算声源阻抗，最少需要两个氲管负载，最多可以使用1 0 个负载。 排气噪声声源需要连接一直管负载，这个直管负载的长度随着工况而改变。软件对不同 负载进行两两随机组合，在所有工况中，通过平均不同负载组合时的声源特性而得到声 源阻抗的计算结果。 图1 1g t - p o w e r 软件的排气噪声源阻抗计算模型 图1 1 是使用g t - p o w e r 软件进行排气噪声源阻抗计算的模型图，在图中源截面处 的声压和体积速度由两个传感器测得，传感器把测得的时域信号输入到m u l t i l o a d 模块 中。该模块对输入的时域信号进行傅立叶变换，得到源截面处声压和体积速度的频域信 号，然后通过( 1 6 ) 式计算得到声源阻抗值。 z 。= ( 觑一所) 一巧) ( i - 6 ) 式中p ，、v 分别为原负载时的声压和体积速度，p ，。、“分别为变负载时的声压和体积 速度。 从图1 1 可以看出，使用g t - p o w e r 软件模拟计算声源阻抗，方法比较简单，易于 操作，并且得到声源阻抗的同时也可以得到声源强度，但是计算结果也会存在一些不足。 例如，在许多频率处所求得的声源阻抗实部出现负值。国内外学者在使用间接法测量声 源阻抗时也普遍存在这个问题，并且难以消除，目前也没有得到比较好的解决办法，通 常认为是由声源的非线性和时变效应造成的，但是更深层次的原因还有待进一步研究。 厌川热心 第1 章绪论 1 3 课题的提出及本文的主要研究内容 评价排气消声器声学性能最有效的指标是插入损失，它最能反映消声器对于给定的 发动机以及排气管路的实际消声效果，是产品定型以及检验时经常使用的声学性能指 标。为计算排气消声器的插入损失，需要获得内燃机排气噪声源阻抗、排气系统的四极 参数以及尾管口的辐射阻抗。目前，在内燃机排气噪声源阻抗的实验测量与仿真计算方 面，还存在诸多问题与不足。因此，本文将在前人研究的基础上，对声源阻抗仿真计算 方法作了进一步的探讨和研究，目的在于推动内燃机排气噪声源阻抗计算方法的不断改 进与发展。在进行上述问题研究的基础上，为了使本文的各项工作成为一个体系，更好 更方便的进行排气系统声学性能等计算的实施，本文尝试开发了排气系统声学仿真平台 ( a s p e s ) 。该平台能实现多种功能，例如声源特性计算、插入损失计算、排气辐射噪声 计算、曲线绘图和数据导出等。 鉴于以上分析并结合现有的条件，本文开展的主要研究内容如下： 1 、探讨内燃机排气噪声源阻抗的计算方法，分析比较不同计算方法的异同之处，重 点发展本文的内燃机排气噪声源阻抗的计算方法。 2 、分析比较几种不同方法计算精度与对误差敏感程度，确定较好的声源阻抗计算方 法，以及进行负载选取方法的研究与验证，同时研究负载个数对声源阻抗计算结 果的影响规律。 3 、搭建排气系统声学仿真平台( a s p e s ) ，集成声学仿真程序，探讨使用m a t l a b 平 台的g u i 功能进行人机交互界面设计的基本方法，介绍仿真平台中不同功能模块 的功能和计算过程。 4 、采用不同计算方法进行内燃机排气噪声源阻抗的计算与分析，研究内燃机转速和 负荷对声源特性的影响，得出一般规律性的结论。 5 、进行排气消声器插入损失与尾管排气辐射噪声计算方法的研究，将由预测的声源 阻抗计算的插入损失和排气辐射噪声与g t - p o w e r 软件直接模拟计算结果进行比 较，验证插入损失和排气辐射噪声计算的正确性。 9 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 第2 章内燃机排气噪声源阻抗仿真计算方法 2 1 引言 内燃机排气噪声源阻抗是计算消声器插入损失或者尾管辐射噪声的一个必要元素。 如何比较准确地预测声源阻抗，一直以来都是内燃机声学专业人员关注的重点，也是难 点所在。本章首先介绍前人在预测声源阻抗方面的几种基本方法，在此基础上，进一步 探索内燃机排气噪声源阻抗预测的新方法。 2 2 内燃机排气噪声源阻抗的概念 对于内燃机这样的流体机械，从进排气开口端看，声负载没有改变或者开口与开口 之间在声学上相互没有耦合，那么这样的声源就可以看作是单极子声源，通常假设为线 性时不变声源，声波为平面波传播。在频域范围内，单极子声源和负载交界面处的声源 参数有如下关系【4 q 见( z f 易) = 互+ 乙 ( 2 1 ) 式中，以为声源声压，互为归一化声源阻抗，所为声源截面和负载截面交界处的声压， z ，为声源截面和负载截面交界处的归一化负载阻抗。 内燃机排气系统物理模型和等效声电类比电路如图2 1 所示。 声源负载 - 图2 1 内燃机排气系统物理模型和等效声电类比电路 l o 第2 章内燃机排气噪声源阻抗仿真计算方法 2 3 传统四负载法 m gp r a s a d 3 5 1 于1 9 8 7 年提出了四负载外部测量方法，这种方法只需测量管口某点 在四种不同声负载下的声压级即可计算出声源阻抗，不需测量声压的相位，给实验操作 带来很大的方便。四负载法测量的原理如图2 2 所示，负载的变化是通过改变排气管长 度来实现的。在测量辐射声压时，保持管口与测量点( 传感器) 的相对位置不变，测出不 同负载下的声压值，然后通过计算得到声源阻抗特性。 z s 卫z l 图2 2 传统凹负载法测量卢源阻抗模型 声源特性由声源强度见和声源阻抗乙来表示，声负载z ，是在x = 0 处求出的声阻 抗，称之为负载阻抗。 z f = ( z ，+ 忍t a n k l ) ( 1 + j ( z z o ) t a l l k l ) ( 2 - 2 ) 其中z o = p o c o ，七= c o c ，k = k ( 1 - m 2 ) ，m 为平均流- s 赫数。 根据图2 2 ，管内x = 0 处的声压由式( 2 。1 ) 决定。假设不同声负载时，声源特性p 。和 五不明显改变，对于四根不同长度的直管作为声负载时，可以得到 i 既l = ( i 乙i 眩+ 乙1 ) 慨i n = l ，2 ，3 ，4 ( 2 3 ) 由上述四个方程，可以定义三个比值 = f 巩l l 乙+ 。i f 巩+ 。i | 气i - 互+ 乙。i l l z , + z , i m = l ，2 ，3 ( 2 - 4 ) 式中，q ，口：和可以用声压幅值i 办l 和1 7 1 t 个不同长度阻抗已知的直管负载z f 计算得 到，其中l 巩i 是管内x = o 处的值，需要将管内声压比l 饩l i l 转化为管外给定点处所 测得的声压比。 哈尔溟1 科大字帧十字何论文 对于四个不同长度的直管，使用四极参数矩阵转换，可以得到 = ( 1 i i 以+ 。i ) i q z ，+ i i q + 。z ，+ + l l m - - 1 ，2 ，3 ( 2 - 5 ) 式中，声压l 研i 为管外离管口，处所测得的声压幅值，c 和d 为直管负载的四极参数，z ， 为管口的辐射阻抗。 进一步可以表示成声压级的形式 = 1 0 电。坨0 i q 乙+ q l l q z r + 吃+ i i m = l ，2 ，3 ( 2 - 6 ) 比值口，和负载阻抗z ，是已知的，互是未知的声源阻抗，将z ：和互表示成阻性部分 和抗性部分，可得到 ( 1 - - 1 z m 2 ) ( r 2 + 鼍2 ) + 2 ( 吃“- - 口m 2 气) r + 2 ( + 一口册2 x ) x s = 2 ( 心2 + 2 ) 一( k 2 + 屯2 ) m = l ，2 ，3 ( 2 - 7 ) 若令=