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1、 哈尔滨工程大学硕士学位论文内燃机排气系统声学仿真方法与设计技术研究姓名：边杰申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：季振林20110312 摘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
2、入误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。 内燃机排气系统声学仿真方法与设计技术研究， 琭瓹甌瑆 琧瑃瑆瓹琣 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
3、。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、振动和一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，口狶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 鰈式中蚐，分别为消声器进、出口处的声压级，单位为。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，
4、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：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。 内燃机排气噪声源阻抗研究方法及现状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。年瓺等【坎捎靡桓鐾獠看衅骱鸵蛔樾嫉母涸氐玫搅艘惶谌蓟纳醋杩埂闖】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。模型作了简单阐述。年，甋对使用直接法测量时变声源的声源阻抗进行了解析
5、法研究。 年，瓾等【】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季振林等【】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。年，季振林等【】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。年，胡志龙在其硕士论文中，分别基于软件的二负载法、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真计算表明，这几种简化声源都不恰当，因此准确得到声
6、源阻抗对准确得到消声器的插要分为直接法【图浣臃。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 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
7、级，很难找到甚至不可能找到这样的外部声源【】。有的学者提出，在声源阻抗测量中应该关闭被测声源川。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
8、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。降低由测量引入的输入误差的影响，提高计算准确度。由于：蚙。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 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，第四次就是将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莺，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
9、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凳，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
10、的不准确 法有冲突，以及声源的非线性效应涞姆窍咝阅芰看。瓸和瓽型，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，瓽和甋作了一些陈述。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
11、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。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模块。模块是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。它利用软件标准
12、的窍咝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，在安装模块处有相同的声学结果的声源数据， 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：诓考扑惴、一个麦兜风来获得卢源特性。软件计算声源阻抗，最少需要两个氲管负载，最多可以使用个负载。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。图软件的排气噪声源阻抗计算模型图是使用软件进
13、行排气噪声源阻抗计算的模型图，在图中源截面处从图可以看出，使用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。 的功能和计算过程。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。 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。内燃机排气噪声源阻抗的概念式中，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，内燃机排气系统物理模型和等效声电类比电路如图所示。图内燃机排气系统物理模型和等效声电类比电路 传统四负载法声源特性由声源强度见和声源阻抗乙来表示，
