内燃机消声器气流再生噪声研究

论文摘要

气流再生噪声是影响内燃机消声器消声性能的主要因素,而消声性能的好坏直接关系到整车工作时的噪声大小,关系到环境污染和能源消耗。当气流速度足够大时,消声器的消声量甚至会变成负值,噪声反而增大,消声器成了噪声放大器。随着内燃机向高速化发展,气流噪声问题或许是最重要的。因此,开展消声器气流再生噪声研究,揭示气流再生噪声的产生机理,实现气流再生噪声的定量描述和预测,对优化消声器内部流场、抑制气流再生噪声和提高实际消声性能有重要的现实意义。基于双传声器传递函数法和无气流时消声器传声损失,提出了消声器气流再生噪声的一种测量方法,搭建了专用试验装置,并编写了管内入射声功率测试程序。通过理论算例对所编写的程序进行了正确性和抗干扰能力的验证,并进行了误差估计。研究表明,气流速度、环境温度、传声器间距偏差和复反射系数对管内入射声功率测量程序影响很小。分别利用三维有限元和边界元方法计算了无气流时消声器的传声损失,其结果一致并与试验测试结果吻合较好。采用正交试验设计方法确定了消声单元试验样件的具体结构参数,运用极差分析方法对正交试验表中的结果进行分析,根据相似原理采用量纲分析方法建立了消声单元气流再生噪声的总声功率模型,并研究了模型估计的准确性,给出了置信区间,在显著性水平0.01下,所建模型都是高度显著的。利用模型探讨了消声器基本结构对气流再生噪声的影响规律,研究表明,在所研究的气流速度范围内,穿孔管式消声单元气流再生噪声随进口气流速度的变化而变化比较大,当气流速度约达到40m/s时,气流再生噪声最大,然后随气流速度的增大而下降,而简单扩张腔、穿孔板、插入管式消声单元的气流再生噪声变化比较平稳。用流场和声模态数值分析方法,探讨了消声单元气流再生噪声的频谱特征,提出了流场分布特征参数,并建立了其与气流再生噪声的关系模型。利用流场中的静压脉动的频谱分析了消声单元气流再生噪声,不直接求解声场,为气流再生噪声的连续宽频频谱特征提供了依据。消声单元内部流场结构的静压脉动作为激励,当声模态的主要声压分布和气流再生噪声的激励源位置一致时,激起了消声单元系统的声模态,引起共鸣,从而产生更大的气流再生噪声。当消声器结构参数一定,腔内速度势核和侧壁冲击流的流场分布特征不随进口气流速度的变化而变化,仅是数值大小的差异,且在侧壁冲击流上存在临界速度。在此基础上,发现了能直接反映气流再生噪声强度的流场分布特征参数,该参数表征了消声单元内部气流机械能转化为声能的能力,和气流再生噪声的变化趋势一致,通过不同速度下的试验结果,获得了气流再生噪声和流场分布特征参数及进口气流速度之间的关系式,气流再生噪声总声功率与腔内流场分布特征参数符合三次多项式的关系,与气流速度的四次方较符合。根据总声功率模型、BP神经网络模型及流场特征参数关系模型对基本消声单元气流再生噪声的总声功率级进行了预测和验证。结果表明,三种方法都是可行的,精度都较高,基于神经网络模型的预测方法较简便,只要输入主要结构参数和气流速度,就可方便得到气流再生噪声总声功率级的预测结果,为消声器气流再生噪声的预测提供了新思路。相比于前两种预测方法,流场分布特征参数关系模型预测是基于流场分析,不需要太多的试验数据,可能适用范围更广。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 消声器气流再生噪声的研究现状
• 1.2.1 气流噪声产生机理及数值计算
• 1.2.2 消声器气流再生噪声试验技术
• 1.2.3 消声器气流再生噪声研究现状分析及存在的主要问题
• 1.3 本文主要研究工作
• 2 消声器气流再生噪声测试研究
• 2.1 气流再生噪声测试原理
• 2.2 入射声功率测量基础
• 2.2.1 双传声器传递函数法
• 2.2.2 有效测量频率范围的确定
• 2.2.3 两通道失配的校正
• 2.3 入射声功率测量程序的设计及验证
• 2.3.1 入射声功率的测量程序设计
• 2.3.2 程序验证基础
• 2.3.3 验证结果
• 2.4 入射声功率测量程序的误差估计
• 2.5 消声器气流再生噪声试验台设计
• 2.5.1 试验台总体布置及构成
• 2.5.2 测试管道系统消声装置的设计
• 2.5.3 取样管设计及性能分析
• 2.5.4 消声器气流再生噪声测试
• 2.6 本章小结
• 3 典型消声单元的气流再生噪声总声功率模型
• 3.1 引言
• 3.2 消声单元结构参数的确定
• 3.2.1 简单扩张腔式消声单元
• 3.2.2 穿孔板式消声单元
• 3.2.3 插入管式消声单元
• 3.2.4 穿孔管式消声单元
• 3.3 气流再生噪声因素影响程度初步分析
• 3.4 气流再生噪声总声功率模型的建立
• 3.4.1 建立条件
• 3.4.2 总声功率模型的建立
• 3.5 气流再生噪声总声功率模型的求解
• 3.5.1 模型求解过程
• 3.5.2 模型求解结果
• 3.6 总声功率模型显著性验证
• 3.6.1 F 检验
• 3.6.2 模型的置信区间
• 3.7 气流再生噪声变化规律
• 3.7.1 消声单元结构型式对气流再生噪声的影响
• 3.7.2 简单扩张腔式消声单元主要参数的影响
• 3.7.3 穿孔板式消声单元主要参数的影响
• 3.7.4 穿孔管式消声单元主要参数的影响
• 3.7.5 插入管式消声单元主要参数的影响
• 3.8 本章小结
• 4 消声器气流再生噪声的产生机理
• 4.1 引言
• 4.2 流场数值分析
• 4.2.1 流场模型建立及边界条件施加
• 4.2.2 流场结果的试验对比
• 4.2.3 简单消声结构的流场分布特征
• 4.3 气流再生噪声的频谱特征
• 4.3.1 分析方法
• 4.3.2 模态模型边界条件的确定
• 4.3.3 结果对比
• 4.4 流场分布特征对气流再生噪声强度的影响
• 4.4.1 速度势核分布特征
• 4.4.2 侧壁冲击流速度分布特征
• 4.4.3 流场分布特征参数
• 4.4.4 基于流场特征的气流再生噪声总声功率关系模型
• 4.5 辐射效率
• 4.6 本章小结
• 5 消声器气流再生噪声和实际消声量预测
• 5.1 消声器气流再生噪声预测
• 5.1.1 基于总声功率级模型预测
• 5.1.2 基于BP 神经网络预测
• 5.1.3 基于流场分布特征参数预测
• 5.2 考虑气流再生噪声的消声器消声量预测
• 5.2.1 预测原理
• 5.2.2 应用对比
• 5.3 本章小结
• 6 总结及后续研究
• 6.1 论文的总结
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录
• C 简单扩张腔式消声单元气流再生噪声影响因素分析表
• D 消声单元 exp1 气流再生噪声突出峰值频率与模态频率对比
• E 侧壁冲击流临界速度的确定方法