柴油发动机消声器辐射噪声的预测外文翻译资料

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ABSTRACT

Exhaust noise is the major noise source for the automotive vehicle contributing to its interior as well as exterior noise. The Transmission Loss (TL), noise reduction, Insertion Loss (IL) and radiated noise are the major characteristics used to describe the performance of a muffler in an automotive exhaust system. Out of these characteristics, Insertion loss and exhaust radiated sound pressure levels plays a significant role in muffler design as it is a measure of true performance of muffler along with engine/vehicle and very much useful for the designers to compare different silencer configurations. In present work, the sound source is modelled by acoustic impedance and volume velocity of the engine. Since it is difficult to estimate the sound source impedance of the exhaust by measurements either with direct or indirect methods as both are prone to errors and difficult to implement, the empirical equations are used to define exhaust source, to have reasonable accuracy. In present study, the sound pressure at the exhaust opening is measured for different acoustic loads. The volume velocity is calculated backwards using the above measurement result and the numerical model of acoustic loads used. Estimation of Sound Pressure Level (SPL) at the exhaust opening has become possible by using source acoustic impedance and volume velocity, as the boundary conditions of the exhaust system model. Comparison of predicted and measured SPL is also presented for different engine speeds under full load condition.

Keywords: Insertion Loss (IL), Transmission Loss (TL), Source Impedance, Tailpipe noise

INTRODUCTION

There are different approaches of modelling exhaust noise radiation. Frequency domain [1] and Time domain analysis [2] are majority used. In time domain analysis the method of characteristics [2] or finite volume technique is used to solve nonlinear fluid dynamic equations. This approach is complete in itself as it does not require knowledge of source characteristics but limitation being model size becomes very large and time consuming. Hence alternatively linear frequency domain analysis tools [1] are used, as exhaust process is periodic in nature when engine rotates at constant speed. At present TL is widely used as a design criteria, as it is function of muffler geometry alone hence source and radiation characteristics need not be modelled. But as TL does not directly give quantitative relation with radiated noise of muffler final decision of muffler design validation are to be made from test results of exhaust-radiated noise. This radiated noise at tailpipe of muffler is function of muffler geometry and engine itself. For its prediction engine needs to be modelled as source in terms of source strength (Ps), and source impedance (Zs). The source impedance of engine can be evaluated experimentally by direct [3] or indirect methods [4]. Multi load method [4,5] is most common where in different acoustic loads are used to evaluate source impedance characteristics. Of course all these methods are time consuming and prone to measurement errors.

From practical point of view if modelling of source is possible by some approximations that will reduce design cycle time will be a welcome step. One such way is to use linear frequency domain analysis with simplified expressions to model source impedance. Some researchers have used

1

Symposium on International Automotive Technology 2011

constant pressure model assuming infinite source impedance [6], while some assumed constant velocity model with zero acoustic impedance. Further, to improve accuracy Crocker amp; Prasad [3] proposed anechoic source approximation based on their experiments. Collow and Peat [7] have given a more realistic expression

Where, Y is characteristic impedance of an exhaust pipe. This expression is used in present study to model source characteristic.

Some researchers have used hybrid approach combining frequency domain analysis of muffler elements and time domain approach for exhaust source upstream [2]. Sometimes these hybrid approaches are prone to instability hence convergence is not assured. This difficulty is removed by using two load method to extract linear source characteristics from non linear simulation [8,9]. Recently, Hota and Munjal [10] have used Multi load methods to predict pressure time history using numerical calculation based on finite volume method. Alternatively, some researchers have used combined approach that uses experimentally obtained source characteristics like internal impedance and volume velocity with numerical model using Boundary Element Method (BEM) to obtain radiated noise levels of intake [11]. Advantage of this approach being some source characteristics that are difficult to obtain by numerical approach are measured directly and BE model of intake downstream can represent much complex geometry. Similar approach is used in present study for exhaust radiated noise prediction wherein source impedance

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柴油发动机消声器辐射噪声的预测

摘要

排气噪声是汽车的主要噪声源，有助于其内部以及外部噪声。传递损失（TL），降噪，插入损失（IL）和辐射噪声是用于描述汽车排气系统中消声器性能的主要特性。在这些特性之中，插入损失和排气辐射声压级在消音器设计中起着至关重要的作用，因为它是消声器与发动机或车辆的真实性能的写照，并且对于设计者而言，插入损失和排气辐射声压级对于比较不同的消音器配置非常有帮助。在目前的工作中，声源是由发动机的声阻抗和体积速度建模。由于难以通过使用直接方法或间接方法的测量来估计排气的声源阻抗，因为两者都比较容易出错并且难以实现，所以用经验公式来定义排气源，从而使其具有合理的精度。在本研究中，是通过在不同的声学负载下来测量排气口处的声压。分别使用上述的测量结果以及使用的声负载的数值模型向后计算体积速度。通过使用声源阻抗和体积速度作为排气系统模型的边界条件，可以估计出排气口处的声压级（SPL）。在全负载的条件下，针对不同的发动机转速还给出了预测的和实际测量的SPL的比较。

关键词：插入损失（IL），传递损失（TL），源阻抗，尾管噪声。

介绍

由于对排气噪声辐射建模的方法有很多种。但在实际中大多数使用频域分析[1]和时域分析[2]。在时域分析中，特征方法[2]或有限体积技术用于求解非线性流体动力学方程。这种方法本身是完整的，因为它不需要源特性的知识，但是限制条件是模型的大小变得非常大而且十分耗费时间。因此，我们选择使用线性频域分析工具[1]，因为当发动机以恒定速度旋转时，排气过程从本质上来讲是周期性工作的。目前传递损失TL被广泛用作一种设计标准，因为它是消声器的一种单独的几何功能，因此源和辐射特性不需要建模。但是由于传递损失TL不直接给消声器的辐射噪声提供定量关系，因此消声器设计的最终判定将根据排气噪声的测试结果进行验证。这种在消声器尾管处的辐射噪声是消声器几何形状和发动机本身的函数。对于其预测引擎，需要在源强度（Ps）和源阻抗（Zs）方面被建模成为源。发动机的源阻抗可以通过直接[3]或间接的方法[4]进行实验评估。多负载法[4,5]是最常见的，在多负载法中，使用不同的声学负载来评估源阻抗特性。当然，所有的这些方法都是很耗费时间的并且很容易出现测量误差。

从实际的角度来看，如果源的建模能通过一些近似的方法从而达到减少设计周期时间的目的，将是一个非常受欢迎的方法策略。有一种这样的方式，就是通过使用具有简化表达式的线性频域分析来给源阻抗建模。一些研究者已经使用恒定的压力模型假设无限源阻抗[6]，而另一些假设恒定速度模型与零声学阻抗。此外，为了提高准确性，Crocker和Prasad [3]提出了基于他们的实验的消声源近似。 Collow和Peat [7]给出了更现实的表达：

Zs = Y（0.707-j 0.707） （1）

其中，Y是排气管的特性阻抗。这个表达式在本研究中用于模拟源特征。

一些研究人员已经使用混合的方式，将消声器元件的频域分析和用于排气源上游的时域方法这两者组合起来[2]。有时这种混合方法比较不稳定，因此不能确保能够有效混合。通过使用双载荷法从非线性模拟中提取线性源特性来消除这个困难[8,9]。最近，Hota和Munjal [10]通过基于有限体积法的数值计算，使用多载荷的方法来预测压力时间的历程。另外，一些研究人员使用组合方法，使用实验获得的源特性，如内部阻抗和体积速度与数值模型，通过使用边界元方法（BEM）获得辐射噪声水平的摄入[11]。该方法的优点是，可以用此方法直接测量获得一些通过数值方法难以获得的源特征，并且下游进气的BE模型可以表示出非常复杂的几何形状。在本研究中使用类似的方法来对排气辐射噪声进行预测，其中源阻抗值从等式（1）中计算获得，并且使用在附接到发动机的不同声负载的一些参考点处的测量的声压级的组合来预测源的体积速度，以及其BE模型。

排气系统数学模型

在此表示直列多缸柴油发动机的排气源的数学模型。排气口处的声压取决于来自于发动机的排气过程的传递路径、以及声源。任意位置r的声压可以由下式给出：

（2）

其中qi（t）表示气缸i中的声源，hi（r，t）表示在时域中从气缸i到接收器点（r）的声传递函数，N表示发动机之中的气缸数目。这里假设声源qi保持不受其必须工作的声学载荷的影响。

排气系统声学传递函数不仅是从声源到接收器点的传递路径的函数，而且还是时变分量（例如排气阀开口）的函数。当排气阀周期性地重复打开和关闭时，系统的边界会随时间发生改变。这种时变系统的建模是非常困难的，需要考虑到去构建从进气到排气的时间变化的完美模型。然而，由于这种复杂模型的计算需要很长的计算时间，因此必须尽可能地简化模型。一种简化方法是通过用某种方法对时间变量分量来求平均值，使得模型与时间无关。就排气系统这里来说，声源在其中用作周期性功能。因此，在频域中描述系统可以被认为是最有效的一种平均方法。在该假设中，使用声源qi（w）和声传递函数hi（r，w）通过频域方程（3）来表示时域方程（2）。因此，一旦知道声源和传递函数，就可以预测辐射噪声。

（3）

排气源的建模

在过去的研究中，许多排气系统的声学分析已经是基于声学电路类比的方法来进行操作分析[1]。在这种类比中，电路代替声波在管中的传播。它假定线性和一维波传播。声学系统提供相对于输入压力（PN）的（P0）的输出，并且等效电路表示整个系统。该系统分为声源，声学系统和负载，由图1表示。这里，（V）表示对应于电路中的电流的体积速度，（Z）表示声阻抗。

源 声学系统 负载

图1.使用电子模拟的声学系统的表示

声源由体积速度VN 1和声阻抗ZN 1表示。当用排气系统模型代替时，将VN 1和ZN 1提供到排气歧管出口的连接区域表示发动机的内部，并且如果这些值可以通过实验确定，则应当意味着声源已定义。在该原理中，唯一必要的三维模型是排气消音器模型，其允许减小模型尺寸。使用边界元素法（BEM）对消声器几何进行建模。在实际计算中，ZN 1作为边界条件，VN 1作为输入条件

连接面积，VN 1在等式中表现为等于q（omega;）。辐射负载阻抗Z0无需在BEM计算中自动进行建模。

排气源的定义

如前面所叙述的，限定排气装置的声源定义声阻抗和发动机的体积速度。在这项研究中，这两个参数通过混合法来确定。在从公式（3）可以看出，在从等式计算出排气声传递函数和声源之后，可以估计出排气辐射声。

关于声音传递函数，可以通过准备排气消音器的三维模型并进行声学计算来进行估计。另一方面，对于排气声源，通过假设在低频平面波区域中的线性，建模是相对容易的。可以通过使用难以通过计算确定的参数的实际测量值来实现模型的简化以及缩短计算的时间。因此，在本研究中，通过应用声学电路的类比来简化声源，并且通过组合使用实验和模拟的方法来确定源模型的体积速度参数。

排气声学特性的预测

排气声压的预测取决于排气系统的声传递函数的估计精度。有两种评估声传递函数的方法，分别是通过声电路的类比或使用3D BEM方法来评估。后一个方法能给出声传递函数的更精确的计算，因为它可以借助于表面网格来对任何复杂的几何形状进行建模。在本研究中，在BEM计算中，消声器管壁被假定为刚性的，因此选择使用非耦合分析。在第一步中首先检查消声器BEM模型的精度，因为在进一步计算中会使用相同的模型。传递损失（TL）参数用于相同的，因为它是单独的消声器几何的功能，并且独立于源，并且方便于使用测试装置测量.TL使用BEM方法预测，并且结果与用于计算模型的验证的实验结果相比较 。

TL的预测

间接变化BEM公式用于使用振动声学软件LMS-VL预测传递损失TL。对消声器的表面边界进行建模（图2）。通过施加传递导纳边界条件的方法将管穿孔建模为连续壁[12]。使用每个波长标准的六个线性元件来正确地表示声场的变化。在这项研究中，选择30mm的元件长度，一直到2000Hz都有效。在入口面处给出单位正常速度边界条件来作为输入声学激励，并且通过提供等同于空气介质的特征阻抗的正常阻抗使得消声器的出口端消声。传递损失TL通过从输入和出口节点声压来计算得出。

图2.消声器的BEM模型

对同一消声器的另外的传递损失TL进行实验评价。 文献综述[13]关于测定传递损失TL的实验方法揭示了三种方法：分解，双源法和双负载法。 在这些方法中选择双源法进行操作，因为它在宽频率范围上给出的结果会更好一些，并且不需要终止消声工作。 实验装置（图3和4）包括在一端连接到消声器的扬声器。

信号发生器

多通道

功率 数据采集器

放大器

消声器

图3.实验设置示意图

图4. TL测量的实验设置

扬声器通过随机噪声发生器的使用来激励消声器腔。两个麦克风放置在消声器的上游管和下游管。多声道数据采集系统用于获取两个麦克风之间的声学传递函数。传递函数进一步处理从而获得四极参数，这导致消声器产生了传递损失TL。

验证TL的BEM模型

传递损失TL验证确定BE建模精度。 将从BEM分析预测的消声器的TL结果与从图6中的实验获得的结果进行比较。 在高达1500Hz处观察到非常好的相关性，在较高频率处发生一些偏差，这可以归因于实际和计算机模型几何形状的变化。 当BE模型被验证时，它可以用于进一步的计算。

模拟

实际TL

频率

图5. TL结果验证

体积速度通过反向计算

一旦BEM模型被验证并且成功定义了源阻抗，下一阶段就是体积速度的计算工作。不同的声学负载附接到发动机上，并且通过测量辐射压力从而获得体积速度。在这里使用的声负载是具有不同长度的直管元件。使用四个不同长度的直管可以将测量误差尽量缩小。可以使用由等式（1）计算的声阻抗、任意点处的声压以及直管的数值模型来计算未知的体积速度。首先，将计算出的声阻抗以及单位体积速度作为管BE模型的边界条件进而进行声学计算。然后，通过计算结果来计算基准点处的压力。该值是每单位体积速度的参考点处的声压，这只是从源到参考点的声传递函数的定义。在下一步骤中，将参考点处的测量声压除以声传递函数从而获​​得声源处的体积速度。使用该方法的时候，不需要在排气阀附近进行声压的测量。由于可以从任何点处的压力来计算体积速度，因此可以非常容易地进行测量工作。

排气口处的声压预测

使用由在上述步骤中预测计算的声阻抗和体积速度定义的声源，从而对在排气开口的参考点处的声压进行估算，如从图6所看到的。选择参考点距离排气消声器的开口为0.5米，目的是使其尽量减少其他噪声源造成的污染。在计算中忽略了沿长度方向上的流动温度变化，并且用恒定的平均温度进行计算。在数值模型中忽略流动的对流效应。在满负荷条件下对于两个发动机转速度1500rpm和2400rpm进行重复计算。

参考点

图6.具有用于SPL预测的参考点的消声器的BE模型

结果和讨论

在本研究中，使用的是插入式消声器。该计算是在自然吸气的直列式四缸柴油发动机上以1500rpm和2400rpm（额定速度​​）的中间速度以及在满负荷条件下进行的，因为它是严重的噪声情况。所有的测量都在半回波室中的自由场中进行，并且发动机借助于涡流测力计进行操作。在第一阶段中，使用连接到发动机上的不同声学负载预测发动机的体积速度，然后在消声器BEM模型上使用上述值来预测声压级。

在上述选择速度下的体积速度预测的结果如图8所示。可以观察到的是，随着发动机旋转情况的变化，发动机源的体积速度水平也随之发生了改变，并且这种变化不是线性的，因此在期望的发动机转速下的声压进行测量这一工作，对于进一步的预测是非常必要的。

图8和9分别示出了预测的辐射噪声水平与在1500rpm和2400rpm下的测量值

辐

射

噪

声

水

平

频率

图7.不同发动机转速下预测的体积速度水平

再研究的消声器的参考点。在这两种情况下，在覆盖排气噪声的前几个谐波的低频范围内的测量和计算的声压级之间能够观察到良好的相关性，这是主要而且直观的发现。除此之外，在较高频率的区域里，由于流动感应噪声的主导性和源行为的非线性，导致相关性降低。

实验

模拟

频率

图8.消音器出口在1500rpm下的预测和实验声压水平

实验

模拟

频率

图9. 2400 rpm时消声器出口处的预测和实验声压级

结论

在本文中，在这里提出了一种简化的方法来估计排气口处的声压级。这种方法采用的是消音器的BEM模型，并大大简化了体积速度和阻抗方面的排气源建模。在低频区域中建立了良好的相关性，其中排气噪声是主导的，因此该方法可以通过比较不同的消声器设计修改来帮助缩短消声器的设计周期时间。

为了提高在较高频率处的相关性，将考虑涉及到非线性，所以时间方差和负载相关性的发动机源特性的精确建模仍是很必要的。

参考文献：

1. Munjal M L, “Acoustics of Ducts and Mufflers”, John Wiley, 1987

2. Sathyanarayana Y and Munjal M L, “A Hybrid Approach for Aero Acoustic Analysis of the Engine Exhaust System

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