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某矿车进气系统的性能研究及优化设计 摘要 在工程机械工作时辐射的诸多高强度噪声中，发动机的进气噪声是重要的 噪声源之一。因此，控制进气噪声对降低工程机械整体噪声有着非常重要的作 用。木文旨先对发动机进气噪声的产牛机理及控制的措施进行了阐述，并对噪 声的控制流程及进气系统中常用到的消声器及其特性进行了分析说明。然后， 从有限元分析和试验研究两个方面对某工程机械的进气系统的噪声特性进行了 分析，并对流场特性进行了仿真分析。 本文对某进气系统的噪声测试结果进行了分析，并建立了进气系统的有限 元模型，分别对声场和流场进行了仿真分析，得到了进气系统的传递损失及内 部气流流动情况。并根据分析结果，提出了降噪改进方案，并对改进方案的声 学及流场进行了分析。经过对安装改进方案后的实车进行了测试，测试结果显 示，驾驶室内的噪声得到有效地降低，满足了客户的需求，也为工程机械方面的 降噪提供了思路和理论指导。 另外，本文对简单扩张消声器进行了一些研究学习，分析结果为扩张消声 器的优化设计提供了一定理论依据，也为工程项目中对扩张消声器的结构方式 选择提供了一定的参考价值。 关键词：发动机；进气系统：噪声控制；消声器；有限元 r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c ea n d o p t i m a ld e s i g n o ft h em i n ec a ri n t a k es y s t e m a b s t r a c t a m o n gt h eh i g h i n t e n s i t yn o i s er a d i a t e db yt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，t h e e n g i n ei n t a k en o i s ei sa ni m p o r t a n tn o i s es o u r c e t h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n gt h ei n t a k e n o i s ei sv e r yi m p o r t a n tt or e d u c et h eo v e r a l ln o i s eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y i n t h i sp a p e r ，t h en o i s eo fe n g i n ei n t a k es y s t e m sg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o l m e a s u r e sa r ei n t r o d u c e d ，t h en o i s eo ft h ec o n t r o lp r o c e s s i o na n dt h ec o m m o n c h a r a c t e r i s t i c so fm u f f l e r st h a ta r eo f t e nu s e di nt h ei n t a k es y s t e m sa l s oa r e d e s c r i b e d t h e n ，t h en o i s ep r o p e r t yo ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi n t a k es y s t e mi s a n a l y z e db yf e m a n dt e s t ，a n dt h ef l o wf i e l di sa l s os i m u l a t e d i nt h i sp a p e r ，t h en o i s et e s tr e s u l t so fac o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi n t a k es y s t e m i sa n a l y z e d ，f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ei n t a k es y s t e mi sb u i l t ，a n dt h es o u n df i e l d a n df l o wf i e l do ft h ei n t a k es y s t e ma r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n ，a n dg e tt h en o i s e t r a n s m i s s i o nl o s so ft h ei n t a k es y s t e ma n di n t e r n a la i rf l o wf l i e dr e s u l t a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l t s ，a s i m p l i f i e d i n t a k e s y s t e m a c o u s t i cm o d e li s b u i l t b y o n e - d i m e n s i o n a la c o u s t i ct h e o r y ，a n di m p r o v e dc a s ei sg i v e na f t e rs i m u l a t i o na n d a n a l y s i s a f t e rp r a c t i c a lt e s t i n ga n dv a l i d a t i o n ，t h ec a b i nn o i s ei sr e d u c e d ，a n dt h e c u s t o m e r sd e m a n di sm e t ，a l s os o m ei d e a sa n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ec a nb e u s e da s r e f e r e n c e so nt h ec o n t r o lo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yn o i s e i na d d i t i o n ，s o m er e s e a r c ha b o u tt h es i m p l ee x p a n s i o nm u f f l e rh a sb e e nm a d e i n t h i sp a p e r ，w h i c hp r o v i d en o to n l yt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h em u f f l e r ，b u ta l s oc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rs e l e c t i n gs t r u c t u r et y p e s o fe x p a n s i o nm u f f l e rd u r i n gt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：e n g i n e ：i n t a k es y s t e m ；n o i s ec o n t r o l ；m u f f l e r ；f i n i t ee l e m e n t 致谢 忆往昔，寒窗岁月稠，丰楼灯依旧，奋笔疾书争上游。 看今朝，前途美景瑶，壮志今犹在，同学少年尽风流。 转眼间，两年多的研究牛生活即将结束，我们就要踏入社会，走向工作岗 位，为社会的发展贡献自己的力量。在硕士论文即将完成之际，我谨向所有指 导和帮助我完成学业的师长、同窗、朋友们致以诚挚的谢意。 首先要感谢我的导师陈剑教授。在攻读硕士期间，陈老师无论在生活上还 是学习上都给予了我极大的关心和帮助，使我顺利的完成硕士研究牛阶段的学 习和科研工作。陈剑老师身兼数职，事务繁忙，总能抽空安排、指导我们开展 各项工作、参加学术交流活动等等，为我们创造各种机会学习和提高自己，让 我们度过了两年多愉快的牛活，在此向陈老师表达我深深的谢意。 同时也要感谢噪声振动工程研究所诸位师兄弟的关心和帮助。感谢我的学 长李家柱、郭付洋，同窗马燕、王歆侃、朱江森、郭艳茹、张学丘等，师弟袁 正、刘道修、钮炳瑜等，正是他们的帮助、协作以及诸位对本研究提出的宝贵 建议才让我的论文得以顺利完成。 感谢我的室友牛风山、阎照明和孙博宇，他们在我的研究生学习期间，给 予了不少牛活上的帮助。 还要感谢我的家人，感谢他们对我精神上和物质上的鼓励和支持，感谢他 们无私的奉献。 两年多的硕士研究牛学习生活是一段珍贵的人生经历，时光虽然短暂，但 却让人难以忘怀，感谢留住了我人牛中一段美好时光的合肥工业大学。 作者：杨剑 插图清单 图1 1 内燃机噪声分类图1 图1 2 矿用自卸汽车结构示意图3 图2 1 声学计算流程8 图2 2 控制体面积1 0 图2 3c f d 的计算流程图一11 图2 4l m st e s t l a b 测试系统1 2 图3 1 气缸的赫姆霍兹共振腔模型1 4 图3 2 进气系统降噪流程图1 5 图3 31 4 波长管示意图1 8 图3 41 2 波长管示意图1 8 图3 5 旁支孔1 9 图4 1 驾驶员左右耳处传声器位置图2 3 图4 2 进气口传声器位置图2 3 图4 3 进气口噪声频谱2 4 图4 4 定置时驾驶员右耳处噪声值2 5 图4 5 驾驶员右耳与进气噪声互相关谱2 5 图4 6 进气消声器实验现场2 6 图4 7 空气滤清器静态试验进、出口测点频谱2 6 图4 8 空气滤清器传递损失曲线2 7 图4 9 进气系统网格模型2 7 图4 1 01 0 0 h z 时进气系统声压云图2 8 图4 11 进气系统传递损失仿真曲线图2 8 图4 1 2 进气系统流场网格模型2 9 图4 1 3 残差曲线图3 0 图4 14 原进气系统内速度云图3 1 图4 15 原进气系统内湍流强度云图3 2 图4 1 6 方案一9 0 h z 时声压云图3 3 图4 1 7 方案一传递损失曲线3 3 图4 18 方案二9 0 h z 时声压云图3 4 图4 1 9 方案二传递损失曲线3 4 图4 2 0 去除h e l m h o l t z 谐振器后9 0 h z 时声压云图3 5 图4 2 l 去除h e l m h o l t z 谐振器后传递损失曲线3 5 图4 2 2 方案三9 0 h z 时声压云图3 6 图4 2 3 方案三传递损失曲线3 6 图4 2 4 方案四1 0 0 h z 时声压云图3 7 图4 2 5 方案四传递损失曲线3 7 图4 2 6 方案四进气系统内速度云图3 8 图4 2 7 方案四进气系统内湍流强度云图3 9 图4 2 8 方案四的进气系统结构尺寸4 0 图4 2 9 方案四的进气系统制造安装图4 0 图4 3 0 进气系统改进前后发动机2 0 0 0 r p m 迸气u 噪声频谱4 0 图4 3 1 进气系统改进前后效果对比4 1 图4 3 2 改进后进气系对整车影响4 1 图4 3 3 二次改进集气箱结构尺寸4 2 图4 3 4 二次改进方案频率1 0 0 h z 时声压云图4 2 图4 3 5 二次改进方案传递损失曲线4 2 图4 3 6 二次改进方案进气系统内速度云图4 3 图4 3 7 二次改进方案进气系统湍流强度云图4 4 图4 3 8 不同转速下阻力损失仿真值对比4 5 图4 3 9 二次改进方案的实际安装图4 5 图4 4 0 二次改进方案前后进气噪声噪声水平对比4 6 图5 1 网格模型4 7 图5 2 传递损失仿真曲线4 8 图5 31 0 0 h z 时各模型声压云图4 8 图5 4 各模型速度云图4 9 图5 5 各模型湍流强度云图4 9 i v 表格清单 表4 1q s k l 9 型发动机技术参数2 6 表4 2h e l m h o l t z 谐振器尺寸参数3 2 表4 3h e l m h o l t z 谐振器尺寸参数3 2 v 第一章绪论 1 1 引言 随着社会的发展与科技的进步，人们工作与日常牛活中出现了越来越多的 噪声源，影响着人们的正常牛活环境，汽车噪声就是影响人类牛存环境的丰要 噪声污染源之一，因此汽车噪声控制也就成为了近些年来汽车设计者的一个重 要研究课题，声学的基木理论在1 9 世纪末期就已经发展成熟，有了声学巨著声 的理论( 由瑞利爵士总结而成) ，进入2 0 世纪后，声学基础理论发展比较缓慢， 但声学与不同科学和技术结合而成的边缘科学发展迅速，其中噪声与振动控制 学为人们对噪声污染的控制提供了充实的理论及实践依据，特别是由庞建、谌 刚、何华博士编著的汽车噪声与振动为汽车噪声与振动界提供了宝贵财富 1 o 改革开放以来，我国经济得到了稳定并且快速的发展，随着基础建工程的 蓬勃发展，工程机械得到了越来越广泛的应用，工程机械带来的噪声污染也就 随之增加，一般工程机械噪声强度都比较高，长时间在强烈的噪声中工作与牛 活，不仪给工作人员在心理及牛理上造成影响，也严重影响了附近居民的正常 牛活，低噪声成为工程机械设计与制造的一个重要技术指标，且受到国家法律 法规的制约。“。参照通过噪声标准is o r 3 6 2 3 ，我国出台了相应的标准工 程机械噪声限值( g b 16 7 1 0 卜l9 9 6 ) 。 进气噪声是工程机械整体噪声的丰要贡献噪声源之一。因此，对发动机进 气系统噪声控制的研究对工程机械整体噪声控制有着重要意义。 1 2 发动机进气噪声 汽车噪声的特性与发动机转速和汽车行驶速度有关，也可以从频率的角度 来分析噪声源。低车速时，丰要是发动机噪声：车速在4 0 公里d , 时左右时，丰 要是轮胎噪声；车速在6 0 公里d , 时以上时，车身风噪是丰要噪声源。从噪声频 率角度分类，在低频时为发动机噪声：在中频时，风激励与变速箱是丰要噪声 源，高频时，丰要考虑噪声是否影响正常语言交流p j 。 图1 1 发动机噪声分类图 发动机噪声可分为空气动力噪声，燃烧噪声和机械噪声三大类，图1 _ l 为发 动机机噪声分类图。 空气动力噪声丰要产牛在发动机进排气管道中，在管道中气流流速较高， 空气具有一定的粘度，管道结构突变或者管道中细小障碍物都会阻碍气体流动， 产牛涡流或者气体密度突变，从而发出噪声【4 j 。 发动机噪声控制一般包括减弱声源、阻碍声波传播等措施。对于发动机为 噪声源时，需要对发动机噪声进行测试，分析出具体是哪些结构产牛的噪声， 再有针对性的对声学性能较差的结构进行改进，这是现阶段比较有效的发动机 噪声控制措施。但这些方法经常涉及到发动机的各个零部件的结构设计，如有 改动，对发动机的其他性能会有更大的影响，需要进行大量的综合分析测试实 验才能得到满意效果。对于汽车制造厂商，这种改进措施成本过高。最实用有 效的手段就是阻碍噪声的传播，进气噪声丰要是在进气管道内传播，合理设计 进气管道，在适当部位添加消声器和隔声装置以及采用其他手段，就可以对进 气噪声进行合理控制。发动机噪声中空气动力噪声是最丰要的噪声源，空气动 力噪声中风扇噪声在低频时很小，进排气噪声是低频时的主要噪声源，在有效 控制排气噪声后，进气噪声就是最大噪声源。现阶段，对进排气系统噪声的控 制有主动控制与被动控制俩种措施，丰动控制是在进排气系统中设置可动态调 消声频率的赫姆霍茨消声器、可控阀门、双模态消声器或者与噪声相位相反的 扬声器 4 】。从经济性考虑，主动控制的成本相对较高，只有少数高级轿车或者 特种车辆才会采用，应用的并不是很广泛。大部分车辆还是采用被动控制措施， 即在进排气系统中合适的位置安装高效的消声器、调节管道长度或者改变进排 气口位置，来达到降噪的目的。 1 3 国内外研究现状 1 9 2 0 年，美国人g e o r g ew a l t e rs t e w a r t 提出了声波过滤理论【6j j 。随后，消声 器的设计理论得到迅速发展。p o a l d a v i e s 认为消声器的几何模型可以分解 一系列单元或者腔体组合，利用每一个单元或者腔体的声学特性进行组合分析， 并根据实验测试来矫正分析结果，使仿真模拟趋近于现实工况【7 儿”j 。2 0 世纪5 0 年代后，计算机技术得到了飞速发展，数值计算方法在仿真分析中得到了。泛 应用，有限差分法、有限元法、边界元法等新的理论方法为消声器声学性能分 析提供了多方面研究途径。a k d h i n g r a n u m e r i c a l 等采用间接边界元法对某进 气系统的插入损失进行了模拟分析计算，分析结果与测试结果基本吻合j 。 p r s a j a n p a w a r 等采用三维有限法对某结构复杂的消声器进行了仿真分析，分析 结果具有很高的有效性p j 。 计算机技术的飞跃进步也使计算流体力学( c f d ) 技术得到了充分发展， 现n ：c f d 技术亿发动机进排气研歹e 厅。嘶甜剑j 7 广泛f 逦用。s h i g e k is u g i u r a 等人 对某进7e 系统进行j 7 流场分析，f j ：j f 究j ，进7e 系统结构形状对7e 流流：扛及流能的 影响oj 。j s u r e s hk u l n a r 等用c f d j - 法纣某发动机1 ，7 “j 附近的流场进行j ，模 拟汁；7 = ，j f ：对1 了7 “ f im 打歼角度时的爪力损夫进行了汁算，计 - 7 ：结果j 测试 结果琏小吻合j 。d a v i dg r e e l e y 等对发动机进7e 1 了7 “_ 处的7e 流 l f 噪一i 进仃j 7 预测分析，研究j 一市气i 、j 打开角度对气流噪声的影响 忙】。 我【f 4 住 i 0 年代以后彳开始对发动机进排7e 噪声控制进i i 研究j ：作，普通 ： 辆的排7e 噪一i 要比进7e 噪， j 更5 矗著，f 。 f ji ：作埘排7e 噪声控带0 研究较多。近些 年 ：稚机械、f k 禾 剑j - 蓬勃发展，人功二筝z 之动机以及涡流增爪技术得剑j 一泛心川， 进7e 噪，：i 也随l j 发动机功二笨的增人和涡轮增j 区技术的应j jm 增大，对发动机进 7e 噪声控制的研究也l 逐渐增多。杨诚等对进气噪声产牛机胖进行j 7 研究，i ：采 j | j 赫姆诬兹谐振器有效的控韦0j - 进气噪声i 【l3 l 。贤维新等采川边界无法对，y 滤 消器声学性能进行预测分析，仿真分析结果与测试结果璀小r 致【1 4 】。n 【f 4 外， c f d 技术l 经泛j 监刚j 二发动机的进排7e 分析，闻内也逐渐开始心川c f d 技术 j 二进排7i 系统分析。王存发等运j jc f d 力法对进7e 系统内的气体流动特性进行 1 ，分析，为碍! 解进7 弋系统结构形状对进7e 流动的影响提供j 7 依据【l5 1 。贸彦龙等 利用c f d 软件对7e 滤消器结构进行_ j ，优化研究【l o l 。陈琳运f jg t p o w e r 软件对 进气系统i 躜振腔传递损失进行了模拟分析j 。 1 4 课题来源 受内某人掣i i 稚机械牛产：氽、的委托，对某款矿川戡霞f l 卸汽车开腱噪 声控；削i ：拌治 i | ! l ：作。根槲标准c j c t2 ( ) ： 一l9 9 5 矿f f jf j 卸汽乍g 驶窀噪声一测 ； i = 办法及限值，阿先丌腱对项 i1 i 型寥g 驶窜的噪声振动水、 ，- 测试，j 与棚吨 位及功率的标杆车进行对比分析，结果显示：驾驶室噪声超过8 5 d b ( a ) ，未达 到标准规定的限值水平。对驾驶室噪声测试结果分析，发现进气噪声为丰要贡 献声源之一，需要对发动机进气系统进行降噪改进。图1 - 2 为此次课题研究对 象。 1 5 主要研究内容 本文丰要研究内容如下： ( 1 )对进气系统噪声测试结果进行分析，得出需要降噪控制的声波中心频 率。 ( 2 ) 研究进气噪声的产生机理和控制理论方法，详细j ，解进气系统结构和进 气消声器，掌握声学基本理论、有限元理论、计算流体动力学理论和分析 软件，为下一步进行消声器的数值仿真分析准备理论基础。 ( 3 )利用v i r t u a l l a b 软件对进气系统进行声学性能分析，了解进气系统内 部声场特性，为改进方案提供声学性能改进方向。 ( 4 )利用c f d 软件f l u e n t 对进气系统的流场特性进行分析，计算得出系统 内流场分布情况，对气流再噪声进行预测分析，为进气系统优化设计提供 更合理改进方案。 ( 5 )确定改进方案并实际制造安装，对改进后的进气系统进行噪声测试，验 证改进方案的有效性。 ( 6 )对简单扩张消声器进行了一些研究与分析，为扩张消声器的优化设计提 供了一定理论依据，也为工程项目中对扩张消声器的结构方式选择提供了 一定的参考价值。 4 第二章基础理论及数值方法 多年以来人们对各种结构的声波传递特性进行了研究与探索。二十世纪五 十年代起开始建立了无气流影响条件下声波传递特性的理论公式，六十年代末 期解决了声波与气流流动混响作用的问题，发展到现在，对声波传递特性的研 究主要包括一维平面波法，声传递矩阵法以及数值计算法等等。三维数值方法 可以在计算机上更为准确的计算复杂消声器性能的变化情况，更快的分析及比 较多个设计和改进方案，找到最佳的方案，为实验提供更有效的参考，从而节 省资源的耗费，加快了产品开发的进程。目前有关消声器数值计算研究的重要 趋势为：研究消声器内部声场和流场的分布对消声器性能的影响；将进气系统 和消声器等作为一个整体进行研究等等。本文- 丰要是对某矿车进气系统进行降 噪改进，丰要通过对进气系统的流场的数值计算和声场的数值计算后，提出优 化改进方案。 2 1 数值声学方法1 1 8 i 数值声学丰要分为声学有限元法( f e m ) ，声学边界元法( b e m ) ，数值声 学的基本方程为h e l m h o l t z 方程，声学有限元法与声学边界元法就是如何运用 有限元与边界元求解h e l m h o l t z 方程。我们可以通过研究介质中声压、质点速 度和密度的变化量来了解声场的特性和规律，为进一步的利用声场或者对声场 进行改进提供理论技术支持。通过建立声波连续方程，声波运动方程和声波物 态方程，我们可以推到出声波h e l m h o l t z 方程。求解声波h e l m h o l t z 方程，可以 得到声场内声波的特性。 2 1 1 声波连续方程 推导声学波动方程时，假定流体介质是理想的非黏性介质，流体中的声学 响应，如声压和声强等，可以看作是在一个稳定的流体场的基础上叠加了一个 扰动量。因此流体中的总声压p 、流体的密度p 和流体的振动速度v 是在任意 时刻t 和任意位置( x ，y ，z ) 可以分别表示如下： p ( x ，y ，z ，f ) = p o ( 工，y ，z ，t ) + p ( 工，y ，z ，t ) f ，一1 ) p ( x ，y ，z ，t ) = p o ( x ，y ，z ，t ) + p ( x ，y ，z ，t ) f2 - 2 ) v ( x ，y ，z ，t ) = v o ( x ，y ，z ，f ) + 1 ，( x ，y ，z ，f )f2 - 31 式中：p 。、p 。和分别为静态情况下的声压、密度和速度；p 、p 和v 分别为 外界扰动引起的流体声压、密度和速度的变化量：v = v x i + v v j + v 二k ：对于流体 微元体，微元体质量的改变应等于微元体质量的变化率，有： 刊篓+等+誓，出咖出=昙cpaxayaz)uxa vo zo t 将p ：风十p 带入到式( 2 4 ) 中，引入v = 去f + 导，+ 未七，得 昙( 风+ p ) ：一( 风+ p ) v v 瓦【风+ p 。) 2 一【风+ p ) v v ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 为没有声源情况下的声波连续方程。 如果在微元体内有单位体积的体积速度q 引起的附加质量，即 q ( x ，y ，z ，t ) = q o ( x ，y ，z ，f ) + g ( x ，y ，z ，f ) ( 2 6 ) 假定q o ( x ，y ，z ，f ) = 0 ，此时声波连续方程为 昙( 风+ p ) = ( 风+ p 为一( 风+ p ) v v ( 2 7 ) 2 1 2 声汲还动万栏 由牛顿第二定律推导，在x 轴、y 轴、z 轴三个方向上的动力学方程分别为： x 轴方向： ( 风+ p , 八瓦c 3 + v 专) u = 一旦生旦笔妄尘 ( 2 8 ) y 轴方向： ( 风+ p ) ( 鲁+ v o v ) _ = 一旦! 旦暑亨j 竺2 ( 2 9 ) z 轴方向： ( 风圳昙+ v o v ”一瓮等( 2 - 1 0 ) 将三个方程式用矢量形式表示，则有 ( 风+ p ) ( 昙+ 1 ，v ) v = 一v ( p o + p ) ( 2 1 1 ) 式( 2 11 ) 即为声波的运动方程。 2 1 3 声波物态方程 在同一均匀介质中，由于声波的传播速度比热的传播速度快上许多，所以 可假定声波的传播过程是绝热的，可以认定一定质量的理想气体的声压和速度 之间存在着如下关系： 6 云= ( 纷( 2 - 1 2 ) 式中：y 为气体定压比热容与定容比热容之比，y = c 。c 对于空气y = 1 4 0 2 。 对( 2 12 ) 式进行泰勒级数展开，并进行处理，可得到声波的物态方程： p=盟p+4掣(p)2+(2-13)p02 p 0 2 1 4声波h e l m h o l t z 方程 对声波的连续方程、运动方程和物态方程进行变换，就可推导出声波 h e l m h o t z 方程： v 2 p ( x ，y ，z ) 一k 2 p ( x ，y ，z ) = - j p o t o q ( x ，y ，z ) ( 2 1 4 ) 式中：k 为波数，为角频率。 求解式( 2 1 4 ) ，可以得到声场内声波的特性。 由于实际声场比较复杂，随着计算机技术及数值方法的发展，有限元法及 边界元法被用来求解声波h e l m h o l t z 方程，缩短了运算时间，也提高了计算精 度。下面对本文进行声学计算时使用到的声学有限元法进行简单的介绍。 2 1 5 声场的边界条件 对于式( 2 1 4 ) 所示的h e l m h o l t z 方程的求解，需要根据不同的边界条件 来确定。声场分外声场与内声场，内声场是指在一个封闭的流体空间，周围被 结构或者固体所包围，周围的结构产生振动向封闭的流体空间中辐射声波。外 声场是指在一个封闭的结构或者固体的外侧的流体空间，外侧表面到无限远， 因此这是个无限大的空间。 边界条件可以从声场的边界是否封闭来分类，有以下四种边界条件：边界 封闭的内声场边界条件，边界封闭的外声场边界条件，边界开口的内声场边界 条件和边界封闭的内外声场边界条件。 2 1 6 声学有限元法【5 】【1 9 j 在确定的边界条件下。对于式( 2 1 4 ) 所表示的h e l m h o l t z 方程的求解， 通常采用有限元或边界元两种方式。木小结简单介绍下声学有限元法，有限元 法是求解偏微分方程数值解的重要方法之一，特别适用于研究复杂形状结构。 用声学有限元法求解h e l m h o l t z 方程，需要把所计算的声场域离散成一些较小 的小声场单元，小声场单元之间通过共有节点上的声压关系建立联系，这种声 压关系称为形函数或者权重函数，再进行求解，就可得出整个计算声场的声压 分布以及其他特性8 】。 2 1 7 声学计算的流程【1 7 】 建立声学网格 1 r 在v i r t u a ll a ba c o u s t i c s 模块中 导入声学网格 声学网格前处理 j 定义流体材料及属性 上 设置声学边界条件或定义声源 声学响应计算 上 定义输出场点 上 计算场点响应 上 提取场点响应 图2 1 声学计算流程1 8 】 使用软件v i r t u a l l a ba c o u s t i c s ，对非耦合声学模型进行声学有限元的仿真 分析计算流程如图2 1 所示。目前普遍使用软件h y p e r m e s h 对模型划分声学网 格，由封闭的面网格牛成三维网格，再检查网格的质量后，导入到软件 v i r t u a l l a ba c o u s t i c s 中，对网格进行声学网格定义的前处理操作，定义声学流 体材料及特性，设置声学边界条件及求解的频率范围，对模型进行声学响应计 算，然后定义输出场点，计算场点响应后提取场点的响应，进行后处理操作。 2 2 流体分析c f d 理论1 5 1 1 2 眦i1 1 1 2 2 i 发动机进气系统的空气动力特性，对发动机的进气阻力、充气效率、进气 均匀性、缸内燃烧过程、动力性、经济性、以及排放特性有着重要的影响，利用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 可以对进气系统的 流场特性进行分析，掌握进气系统内部的流动特性，可以获得流场中的压力、 速度、湍流动能等参数的分布规律，能够通过计算机屏幕图像直观的显示进气 系统的机构参数与气流流动特性的内在联系，因此可以为进气系统的设计或者 改进提供一定的仿真依据，为实验提供改进方向，避免了大量的重复试验，在 工程应用上具有重要的实际价值。 流体力学发展到现在，其力学特性的基本方程包括描述流体运动的质量守 恒定律方程、动量守恒定律方程和能量守恒定律方程，如果流体是湍流运动， 还有描述湍流运动的湍流输运方程。这些物理定律，是求解流体运动方程的理 论基础。 2 2 1 控制方程 2 2 1 1 质量守恒方程 质量守恒方程又可以称为流体连续性方程。质量守恒方程是从经典物理学 中物质的质量是不增不减、总质量不变的物理定律一一质量守恒定律推到而来 的，它描述了流体体积与密度的变化规律。即在单位时间内，流出与流入流体 微单元的质量是不变的，推到出质量守恒方程： 娑+ d i v c d 五) - 0 2 2 1 2 动量守恒万栏 动量守恒方程又称为流体运动方程，它是牛顿第二定律在流体力学中的应 用，即物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比。也可以理解为流 体微团所受到的力等于其动量变化率。即描述为流体微元体中的动量的时间变 化率等于作用在其上的外力之和。其数学表达式为动量守恒方程，又称为n s 方程。其表达式为： 掣o t 协泐) 柏蛔咖) 一罢蝇 ( 2 - 1 6 ) 伽 ( ，16 ) 掣+ 优v ( ) ：扰v 锄咖) 一i o p + s 。 叫 哕 ( 2 17 ) 掣胁(厕)嘲(pgradw)ot一老蝇 ( 2 - 眩 ( 7 1r ) 式中，g r a d ( ) = + + 为梯度，s ，、s 广s ：为动量守恒方程的广 义源项。 2 2 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程反映的是流体微团单位质量的能量即总能量包括内能与动 能。 9 流体微元体中能量的增加率等于微元体的净热流量增加量与体力和面力对 流体微元体做功之和。以温度t 为变量的能量守恒方程的表达式为： 掣协c 训岫b 小r 式中，c p 为比热容，t 为温度，k 为流体的传热系数，s r 为粘性耗散项。 建立p 与p 的关系，才能使方程组封闭，因此需要补充一个状态方程，即： p = p ( p ，t ) ( 2 2 0 ) 该状态方程对于理想气体p = 肚丁 ( 2 21 ) 其中r 是摩尔气体常数。 2 2 2 湍流模型 空气在发动机进气系统中的流动实际应为湍流运动。湍流是一种看似紊乱 的、无序的运动，但实际上湍流由有大有小的漩涡组成。由于其的复杂性，在 分析计算中，往往把湍流模型进行简化处理，获得有一定误差的逼近解，标准 k 一占模型是应用的最多的湍流模型。 标准k 一模型主要基于湍流动能和扩散率，湍流动能k 和湍流耗散率可 以通过下面两个输运方程求解得到： 型+掣：忆+笠妻k+g6一胪一蝇at 舐f 舐【_ l 。吒缸j 6朋“ f ，1 掣+ 掣= 邻+ 等崩蝎私岷g 小乞p 缸2 3 ， 2 2 3 有限体积法 燕 壤嚣 图2 2 控制体面积 l0 体辍 设q 为一有限体积，s 为包围q 的边界，控制方程为； a 1 善( 却) 咖= i ( p 坤) o n 凼+ i r d v 矗u ；矗( 2 2 4 ) 其中：v 为速度向量。n 为方向余弦向量。r 是与源及扩散有关的项。可 代表不同的物理量，可以是标量或是向量。当矽= 1 时，式( 2 - 2 4 ) 代表传质方程： 当矽= v 时，式( 2 2 4 ) 则代表动量方程。 有限体积法首先要将计算区域划分成若干个有限体积，用式( 2 2 4 ) 对每个 有限控制体进行积分建立方程，用适当的方法进行数值离散，可以得到离散方 程。利用有限体积法导出的离散方程具有守恒特性，并且得到的离散方程的系 数物理意义明确，是目前应用最广泛的一种c f d 求解计算方法。 2 2 4c f d 分析流程 2 0 】 l 堡兰堡型垄里 图2 3c f d 的计算流程图2 0 l c f d 分析流程一般如图23 所示。根据实际情况，设定合适的数值模型， 选择合适的控制方程，现实的工况f ，流体流动一般为湍流流动，设定时需要 增加湍流控制方程。在复杂的现实工况下，尽量简化模型与初始条件，确定的 衲始条件和边界条f f ：址保证拱潞0 方。狴仃确j 解的i j l _ 提，根据系统的流动为瞬态 或揣稳念，术f i 1 ) j 足r ij ；要i 殳定卡j 始条f ”t ，边界条件般学【g 流体外界足否 仃热交换、辐射等。结构与流体交界的 掺m i 足l 司定还有定的棚埘速度。划分 l t 9 格要注意川格的尺、j 在关键特征形状处l t 司格要s 【1 能的精细，牛成汁1 7 ：节 点，将控制疗程离敞，得到整个计算域的离敞办程。住软件f l u e n tl j ，通过刚 格的划分【l j 以将初始条件和边界条件按照离敞的方式分配剑十 | 应的节点i ：，即 - j 得剑离敞仞始条f t ：衣i 边界条f ，f ：。改胃求解控韦0 参数及收敛标准，对l 岛敞疗程 进行求解。计算结果收敛后，埘计算结果进行处理分析。 2 3 测试系统介绍1 2 5 | 测试仪器是比利时l m s 公c i jt e s t l a b 集成振动噪：f ：i 试验平俞，l m s t e s t l a b 足套集信l j 采集、数据处弱! 、结构试验、旋转机械分析、声。学和珂： 境试验等力能为一体的集成振动噪声测试系统。其数搬采集f m 端l m ss c a d a s 支十、 有关n v h 洲 扛的所有类，弘的传感器，包括声疗、加速度、速度、f 口移、 力、应力等。闪此，t 盯以完成动态测试的多种试验。i - n2 4 测试仪器实物i 刳。 斟2 4l m st e s t l a b 测试系统 第三章进气系统噪声理论及控制 发动机噪声可分为空气动力噪声，燃烧噪声和机械噪声三大类，空气动力 性噪声丰要由进气噪声与排气噪声构成，一般情况下排气噪声是空气动力噪声 的主要声源，但发动机功率较大时，进气速度高会导致进气噪声会变为空气动 力性噪声的丰要部分，特别是在排气噪声得到一定的控制时进气噪声更为突出。 近些年来，我国对噪声控制的要求日益严格以及机器操作者对产品的舒适性要 求的不断提高，对发动机的进气系统噪声控制的必要性也逐渐体现出来。在实 际工程应用中，并不是所有的模型都适合理论计算要求，而且大多数模型都过 于复杂，需要对降噪控制理论深刻理解才能对模型进行正确的简化。 3 1 进气系统简述与噪声控制声理 3 1 1 进气系统概述 进气系统一般由两部分组成：发动机进气多支管系统和空气进入系统，主 要功能有：调节油气混合比例，使进入气缸的空气量为最佳；防止空气中的灰 尘进入气缸；降低进气噪声。空气由进气系统进入发动机气缸中与燃油混合燃 烧，为发动机提供动力，在当今世界石油资源越来越匮乏，燃油的充分利用性 就是节能和环保的体现，进入气缸的空气越多，燃油燃烧的越充分。 发动机进气支管系统属于发动机本体的一部分，在改进进气系统噪声控制 性能的时候一般很少对其进行改动，丰要是对空气进入系统进行噪声控制优化 设计，优良的进气系统就是在尽量减小进气阻力，减小排气背压的情况下降低 进气噪声。 3 1 2 进气系统噪声的特征及其产生的机理【4 2 6 j 进气系统的噪声丰要指进气系统进气口处辐射出的噪声，在发动机怠速阶 段，进气噪声不是很大，但是随着发动机转速的提高，进气噪声有着明显的提 高。进气噪声丰要包括：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸内的赫姆霍兹 共振噪声和进气管的气柱共振噪声。另外，进气系统中还存在其他附加噪声， 如板壳结构振动产生的结构辐射噪声，当气流流速过快时管道内的气流再生噪 声等。 1 ) 周期性压力脉动噪声 发动机气门周期性开闭，引起进气管道内气流压力与速度波动形成周期性 压力脉动噪声。发动机一个工作循环会产牛两个压力脉冲，两个压力脉冲周期 性地发牛，形成周期性噪声。周期性压力脉动噪声的主要频率f 随发动机转速 改变而变化，其计算公式为： 厂：l 堕( 3 一一1 ) ，= l 1 ) “ 6 0 r 式中：n 为发动机转速( r p m ) ；n 为气缸数；t 为冲程系数；i 为基频阶数。 2 ) 涡流噪声 高速气流进入气缸时，由于管道内的细小障碍物或者结构突变，阻碍气流 流动，形成涡流。其频率成份往往呈宽频带特性，比较大的峰值频率的估算公 式为： 厂2 半( ( 3 2 ) 式中：s j i z 为斯托罗哈常数，一般取0 5 ：v 为进气门处气流速度( m s ) ：d 为气 门直径。 3 ) 气缸内的赫姆霍兹共振噪声 将发动机的气缸简化成一个赫姆霍兹共振腔，当缸内气体压力脉动频率等 于发动机各阶次基频时，会产生赫姆霍兹共振，辐射噪声最大。气缸简化模型 如图3 1 所示。 共振频率计算公式为： 图3 1 气缸的赫姆霍兹共振腔模型 厂：三 。 2 万 ( h z ) ( 3 - 3 ) 式中：c 为空气中的声速；，为进气管半径；，为进气管的长度；7 一为气缸容积。 4 ) 进气管的气柱共振噪声 当进气门关闭时，进气管道相当于一根一端封闭另一端开口的管道，当管 长为声源频率的1 4 波长的奇数倍时，会使管道共振产生辐射噪声。 此时管内气柱固有频率计算公式为： 厂：堕二! 匕舷1 ( 3 4 ) 。 4 ， 、 式中：i 为谐波次数；c 为空气中的声速：f 为进气管