（光学工程专业论文）摩托车整车噪声测试与改进.pdf

the test and improvement of the motorcycle noise a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhang yuanyuan supervisor by associate prof. he yansong specialty: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china. october, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 噪声水平是评价机动车辆等级的重要性能指标之一。随着摩托车加速行驶噪声 限值标准的日渐严格，对加速行驶噪声控制的研究已迫在眉睫。数值仿真的方法能 将大部分设计及改进工作在计算机内建立的虚拟模型上进行，节约了大量的人力物 力，缩短开发周期，因此得到广泛的应用。本文针对某型摩托车的加速行驶噪声控 制问题，应用仿真方法建立了排气消声器计算模型，通过控制排气噪声达到了降低 摩托车整车加速行驶噪声的目的。 根据加速噪声的测量结果分析通过噪声的频率特性，确定了声强和近场声压测 试的摩托车工况，然后运用声强测量、近场声压测量、谱阵分析等多种噪声源诊断 识别方法分析噪声源的分布，识别出摩托车的主要噪声源，指出发动机的排气噪声 是整车噪声过高的主要矛盾。在半消声室内测量得到了消声器的插入损失特性，结 合声学仿真分析，结果表明原排气消声器在低频段消声不足。 建立排气系统的 cad 模型和有限元模型，通过对排气系统的机械性能、空气 动力学性能和声学性能仿真分析，结合实验测试，确定结构改进的重点。根据消声 器阻抗突变消声的基本原理，基于声学仿真，提出排气消声器改进方案。通过与原 消声器性能对比分析，选择了声学性能效果好，压力损失和机械性能基本不变的改 进方案作为样件设计方案。 根据选择方案加工样件，通过摩托车整车定置噪声测试、发动机排气消声器插 入损失和功率损失测试、整车加速噪声测试，与原消声器测试结果对比，改进方案 比原消声器消声性能得到提高，整车噪声能够降低 1db(a)以上；插入损失比原消声 要多增加 2-3 db(a)；功率损失满足标准要求，试验与仿真结果的一致性很好。 关键词：摩托车，噪声源识别，声学仿真，消声器，传递损失 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract the pass-by noise level is an important performance to evaluate the quality of vehicles. the noise control of motorcycle became obliged to conform to more stringent statutory pass-by noise requirements. the design method based on numerical simulation is widely used for its reduction on cost and short development period. in this paper, the acoustic simulation was applied to improve the noise performance of muffler to control the exhaust noise which was contributed much to pass-by noise. the new improved muffler did contribute to the reduction of pass-by noise of motorcycle from the result of experiment. the characteristic of pass-by noise was studied according to the results of measurement. the test conditions of sound intensity and near-field sound pressure were confirmed. different methods including near field sound pressure test, sound intensity measurement, and order analysis etc were applied to analyze the noise distribution of the motorcycle, then the main noise sources was identified. the exhaust noise of engine was one of the main noise sources, and it has more thing to do with the pass-by noise. the transmission loss characteristic experiment of muffler was carried on got at semi-anechoic room, and the analysis results of the experiment and acoustic simulation show the acoustic performance of muffler below 1000 hz is deficient. the cad model and the finite element model were built. the mechanical performance, air dynamic performance and acoustic performance were calculated and analyzed based on the fem, what keystone being improved is ascertained combining with the experiments. due to the basic principle of noise reduction that impedance mutation of muffler cause the noise diminished, and using the acoustic simulation method, three projects of the modified muffler were optimized. compared with the original muffler on performance, the improved projects which are better acoustic performance, and the invariant pressure loss and mechanical performance basically are adapted to be the product sample piece. the product sample pieces of improved projects are made to be used to experiment that are the test of noise emitted by stationary, the test of insertion loss and the test of power loss, compared with the original, the acoustic performance of the improved projects was enhanced and the pass-by noise of the motorcycle reduced by 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii 1db(a). insertion loss also increased by 2-3 db(a) than original muffler, the power loss still keeps invariant and meets the requirement of the nation standard, and the result of the calculation simulation had a high coherence with the result of experiment keywords: motorcycle; noise source identification; acoustic simulation; muffler; transmission loss; 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论. 1 1.1 研究背景及目的意义研究背景及目的意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 2 1.2.1 声源识别的方法. 3 1.2.2 降低噪声的改进措施 . 4 1.3 本文的研究内容和技术路线本文的研究内容和技术路线 . 5 1.3.1 研究内容 . 5 1.3.2 技术路线 . 5 2 噪声基本理论及声强识别技术噪声基本理论及声强识别技术 . 7 2.1 基本理论基本理论 . 7 2.1.1 声波基础 . 7 2.1.2 声学基本概念 . 8 2.1.3 声压叠加规律 . 9 2.2 声强测试技术声强测试技术 . 10 2.2.1 声强测试技术的发展 . 10 2.2.2 声强测试原理 . 10 2.2.3 声强测试的误差来源 . 12 2.3 本章小结本章小结 . 13 3 摩托车噪声声源识别试验与分析摩托车噪声声源识别试验与分析 . 14 3.1 摩托车加速噪声测试与分析摩托车加速噪声测试与分析 . 14 3.1.1 摩托车加速噪声测试 . 14 3.1.2 加速噪声数据分析和处理 . 16 3.2 摩托车整车声强试验摩托车整车声强试验 . 20 3.3 摩托车近场声压试验摩托车近场声压试验 . 26 3.4 摩托车摩托车噪声噪声谱阵分析谱阵分析 . 26 3.5 消声器壳体消声器壳体振动分析振动分析 . 27 3.6 本章小结本章小结 . 29 4 摩托车排气系统性能试验测试与数值仿真摩托车排气系统性能试验测试与数值仿真 . 30 4.1 排气系统几何模型的建立排气系统几何模型的建立 . 30 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4.2 排气系统的机械性能排气系统的机械性能 . 31 4.2.1 排气消声器模态试验与仿真 . 31 4.2.2 排气消声器激励分析 . 32 4.2.3 排气消声器共振分析及共振对整体噪声的影响 . 33 4.3 消声器的空气动力学性能消声器的空气动力学性能 . 34 4.3.1 研究消声器内部流场的必要性 . 34 4.3.2 消声器的流体仿真边界条件 . 35 4.3.3 流体仿真结果分析. 35 4.4 排气消声器的消声性能排气消声器的消声性能 . 38 4.4.1 发动机排气频谱测试试验 . 38 4.4.2 发动机排气频谱数据分析 . 40 4.4.3 排气消声器消声性能仿真 . 42 4.5 本章小结本章小结 . 44 5 排气消声器的研究与改进排气消声器的研究与改进 . 45 5.1 排气消声器的改进流程与原则排气消声器的改进流程与原则. 45 5.2 消声器声学性能仿真改进消声器声学性能仿真改进 . 46 5.2.1 消声器分腔消声性能计算 . 46 5.2.2 消声器声学改进方案提出 . 48 5.3 消声器结构模态对比消声器结构模态对比 . 51 5.4 消声器空气动力学性能对比消声器空气动力学性能对比 . 52 5.5 摩托车噪声试验验证摩托车噪声试验验证 . 52 5.5.1 消声器性能台架试验测试 . 52 5.5.2 定置噪声试验 . 53 5.5.3 加速噪声试验 . 54 5.6 本章小结本章小结 . 55 6 结结 论论 . 56 致致 谢谢 . 57 参考文献参考文献 . 58 附附 录录：a. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目.62 b. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文.62 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及目的意义 我国是全球最大的摩托车生产国和消费国，摩托车产量已连续 15 年位居全 球之首，2006 年共生产 2140 万辆，其中仅重庆市摩托车产量就达 720 万辆，约 占全国总产量的 34%，2007 年，全国总产量 1800 多万辆 1。2008 年至 11 月为 止，2008 年前三季度，摩托车全行业产销增速有所放缓，摩托车产销 2125.49 万 辆和 2115.48 万辆，同比增长 14.43和 13.56。有文章表明，摩托车在环境噪 声中所占比例大约为 5%左右，随着经济发展，这一比例还会逐步增加，而且其 被列为“令人非常讨厌的噪声”。 从人对环境的直觉来看， 摩托车噪声给人以断续、 突出和尖锐的感觉3。 随着环保呼声的日益高涨，各国对噪声的控制越来越严，国外工业发达的国 家自60年代起就对机动车辆噪声给予了足够的重视， 制定了许多法规和标准来控 制。如联合国欧洲经济委员会（ece） 、欧洲经济共同体（欧盟） （eec） 、日本、 美国等主要国家和地区，从70年代起每3-5年就修订一次相关的法规或标准，各 种车辆噪声的限制有了较大幅度的提高4。国内从79年开始发布噪声限值标准， 1986年7月1日起对各种摩托车和轻便摩托车噪声实施了统一的限值标准， 指标不 断加严（见表1、表2），但是目前情况，摩托车行驶噪声在75-85db，距离现在 的标准还有一定的差距56。 表1.1 国家标准对摩托车加速行驶噪声限值加严进程一览表 table 1.1 the gb aggravation about limit of noise emitted by accelerating motorcycles 发动机 排量 ml gb5366-1985 gb16169-1996 发动机 排量， ml gb4569-2000 1986 年 7 月 1 日起 1997 年 1 月 1 日起 1998 年 1 月 1 日起 第一实施阶 段 2002 年 1 月 1 日起 第二实施阶 段 2005 年 7 月 1 日起 新车 新车 两轮 三轮 两轮 三轮 噪声 a 声级限值，db 噪声 a 声级限值，db 100 84 82 80 80 77 82 75 80 100 84 83 80 且 175 80 77 175 82 80 过高的汽车噪声严重地影响着人们地生活、工作和健康，对人的危害主要体 现在以下几个方面2： 对听觉的损伤。大量研究表明，一个人长期处于强噪声环境中而又没有采 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 取有效的防护措施就会逐渐造成耳聋；(2) 影响人的生理健康。噪声引起人体的 紧张反应使肾上腺素增加，从而引起心率改变和血压升高；(3) 影响人的心理。 噪声对心理的影响是使人烦躁不安，容易使人疲劳，影响精力集中和工作效率。 表1.2 国家标准对轻便摩托车行驶噪声限值加严进程一览表 table 1.2 the gb aggravations about limit of noise emitted by accelerating mopeds 设计 最高 车速 (v), km/h gb4558- 1984 gb16169-1996 gb16169-2000 1986 年 7 月 1 日起 1997 年 1 月 1 日起 1998 年 1 月 1 日起 2002 年 1 月 1 日起 2005 年 7 月 1 日起 新车 两轮 三轮 两轮 三轮 噪声 a 声级限值，db 25 且 50 77 77 76 73 76 71 76 25 70 66 随着产量销量的增长和市场竞争的日益激烈， 摩托车已从卖方市场向买方市 场转化，人们对摩托车的选择余地增大，对其快速性、机动性、舒适性和可靠性 的要求越来越高。同时，随着摩托车的使用越来越普及，其对环境的影响也日益 突出。 随着人们要求的提高， 摩托车噪声也成为评价摩托车等级水平的重要指标之 一，它不仅影响成员的乘坐舒适性，还是影响公路交通噪声的重要来源；同时由 于摩托车经常出入居民密集的小道小巷，它也是住宅区的重要噪声源。由于摩托 车噪声的超标和不舒适性，给用户和环保带来了困扰，也给厂家带来了危机，因 此对严格控制摩托车噪声是摩托车行业亟待解决的课题。 本课题来源于重庆市科技攻关计划项目，其目的是降低摩托车噪声，以达到 国家免检要求(厂家要求为76db)，确保改进后产品既能提高产品的市场竞争力， 也能降低噪声污染。 1.2 国内外研究现状 随着摩托车噪声法规的日益严格，加强对噪声控制的研究势在必行。噪声测 试、频谱分析是寻找噪声源进而探索噪声控制策略，进行降低噪声设计的基础。 国外摩托车知名公司如日本的本田、铃木、川崎，德国的宝马，美国的哈雷 等均投入大量资金建立了一流的噪声测试分析试验室， 对摩托车噪声的控制进行 了大量的研究工作，并且取得了一定进展。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 1.2.1 声源识别的方法 随着声学测量理论、电子技术和数字计算技术的发展，特别是快速傅里叶变 换技术的进步，使噪声测试技术有了长足的发展。现在国内外普遍采用声源识别 测试方法是近场声压法、分部运行法、铅覆盖法、表面振速测量法、声全息、声 强、声阵列、相干分析和自回归谱分析技术9-12。各类测试方法不一定独立，它 们大多时候结合起来运用。 近场声压法：是在近场测量振动表面的声压级，从而近似估算振动表面的噪 声值。该方法由于在混响环境中受到其它噪声源的影响较大，所以精度较低，在 噪声识别应用中，只能用于近似性评估。近场测量对中、小型发动机不太适用， 但在分析进、排气噪声和风扇噪声以及大型内燃机噪声时，还是一种比较简单可 行的方法。 分步运转法：其在噪声识别应用中，经常用来估算某些噪声值。它是在不同 时刻控制不同噪声源， 对我们需要的噪声值分别测算13。 分别运行法的优点是简 单易行， 直观性强， 无需采用先进设备与技术， 但该法费工费时， 声源定位粗略， 拆除某些部件可能对机器相关联部分有较大的影响，从而使测量数据有较大误 差，并且受机器结构的限制，一些部件对总噪声的贡献无