消声器设计与声学分析

1、所属：所属：CDAJ-GT TEAM 芮芮 鹏鹏 q消声器消声器设计设计与声学分析基与声学分析基础础 qGT-POWERGT-POWER中的中的标标准声学分析准声学分析 qGT-POWERGT-POWER中的中的线线性声学分析性声学分析 qMufflerMuffler专专用消声器用消声器设计设计模模块块 qGEM3DGEM3D在消声器在消声器设计设计与声学分析中的与声学分析中的应应用用 q声学要求声学要求 减少声能的传递减少声能的传递 传递损失传递损失 插入损失插入损失 q空气流动要求空气流动要求 空气流过消声元件时空气流过消声元件时 受到阻力流体压力上升受到阻力流体压力上升 r机械和材料方面

2、的要求机械和材料方面的要求 气流、温度对材料性能的影响气流、温度对材料性能的影响 r成本的控制成本的控制 r安装空间的限制安装空间的限制 能量损失增大 流速过高，摩擦噪声增大 q对噪声源进行实地了解，主要实测发动机排气噪声的频谱，并且分析各 个频带上的噪声声压级，通常用A声级 q测出噪声的声频谱，采用1/3倍频程带宽或倍频程带宽的频率分析装置作 出频率特性曲线图， 这是消声器设计的主要依据 q掌握发动机的基本参数、工作条件，如气流的流量、流速、管道的截面 参数等明确要设计的消声器的性能要求，如要求达到的消声量和允许的 最大压力损失 q选择消声器的类型，根据对消声器性能的要求、声源特性、环境的影

3、响 空间的限制等条件，选择适当类型的消声器 q设计计算消声器的各种结构尺寸时， 选择合适的消声材料及消声结构， 要根据消声原理及性能要求作理论计算， 并考虑空间的限制和制造成本 q验算或作必要的实验，确认消声器能达到各项性能指标。根据加工及安 装的工艺性要求来设计消声器，有时试验后还要进行改进才最后完成 q对选择的消声器，进行实际工况下的测试，对消声器性能的理论计算结 果进行测试，分析误差并进行改进 消声元件的分类消声元件的分类 主动：主动： 电子控制、产生与声源幅值相等、相位相反的次声波。电子控制、产生与声源幅值相等、相位相反的次声波。 半主动：被动控制系统，消声效果由气流控制，半主动：被动

4、控制系统，消声效果由气流控制， 如排气系统中的双模态消声器。如排气系统中的双模态消声器。 被动消声器被动消声器 声能被反射和吸收声能被反射和吸收 成本太高，汽车 进排气系统中应用较少 内部装有消声材料 扩张扩张消声器消声器 旁支消声器旁支消声器 赫姆霍兹消声器 波长管 波长管 只能消除窄只能消除窄频带频带的噪声的噪声 1000 h QV n V N 发动发动机具体型号机具体型号 排气噪声排气噪声频谱频谱， 消声器消声器设计设计的一些基本原的一些基本原则则和和规规定定 参考原消声器或类似工况下的消声器参考原消声器或类似工况下的消声器 扩张比 理想的m为：720 尽可能取在1014之间 节数通常以

5、24节为宜，除 非有低噪声或特殊要求，节 数不应该多于4节。 总体积 Y为消声系数，一般取56 n0为标定转速；N为气缸数 为行程数；Vh为排量 1/2 0 () 120 mh n VYV N 套管（框型罐） 内装式Helmholtz 消声器 三管迷路Helmholtz 消声器 同心Helmholtz 消声器 旁支Helmholtz 消声器 穿孔管消声器 Helmholtz消声器 波长管 复合消声器 阻性消声器 Helmholtz消声器消声器频频率作用范率作用范围围 ：40200Hz；三管迷路；三管迷路频频率作率作 用范用范围围100500Hz；套管加入消；套管加入消 声材料声材料频频率作用范

6、率作用范围围：500Hz Helmholtz腔腔 传递损失传递损失(Transmission Loss) 消声器入射声（消声器入射声（Lwi）和透射声（）和透射声（Lwt）的声功率之差。）的声功率之差。 传传声器声器 10lg i WiWt t W TLLL W 声源 管路 声学元件全消音 传传声器声器 加入全消音装置，加入全消音装置， 防止声波防止声波继续继续反射回来反射回来 插入损失（插入损失（Insertion LossInsertion Loss） 系统中插入消声元件之前和之后，在出口处得到的声功率级系统中插入消声元件之前和之后，在出口处得到的声功率级 （或声压级）的差值。（或声压级）

7、的差值。 声源 声源 管路 管路 声学元件 传传声器声器 传传声器声器 1 12 2 10lg WW W ILLL W W1：没有安装消声元件的系：没有安装消声元件的系统统在在测测量点的声功率量点的声功率 W2：安装了消声元件后在同一点：安装了消声元件后在同一点测测量的声功率量的声功率 l声压级差值（声压级差值（level difference） 系统中任意两点的声压级的差值系统中任意两点的声压级的差值 声源 管路 声学元件 传传声器声器1 传传声器声器2 1 12 2 20lg PP P LDLL P 传递损失传递损失: :只要有截面变化，就存在传递损失，而且只要有截面变化，就存在传递损失，

8、而且 永远是正值。只与消声元件的结构、介质的阻抗率永远是正值。只与消声元件的结构、介质的阻抗率 以及截面面积有关。而与消声元件在系统中的位置以及截面面积有关。而与消声元件在系统中的位置 没有关系。用于描述单个元件。没有关系。用于描述单个元件。 插入损失：取决于传递损失和消声元件在系统中的插入损失：取决于传递损失和消声元件在系统中的 位置有关以及声源和出口处的声学特性。可能是正位置有关以及声源和出口处的声学特性。可能是正 值也可能是负值。用于描述整个系统。值也可能是负值。用于描述整个系统。 声压级差值：与声源特性无关，但却取决于出口处声压级差值：与声源特性无关，但却取决于出口处 的声学特性。用于

9、评价出口处的最终的噪声指标。的声学特性。用于评价出口处的最终的噪声指标。 提供了多种预测整个系统声学特性的工具提供了多种预测整个系统声学特性的工具 运用非线性预测工具可以把频域信号转化成时域信号运用非线性预测工具可以把频域信号转化成时域信号 麦克麦克风风（传传声器）声器） 传递损传递损失失 插入插入损损失失 传递损传递损失（失（2Mic） 声音文件声音文件转换转换 快速傅立叶快速傅立叶变换变换 阶阶次追踪次追踪 数据提取数据提取 例例:四冲程发动机四冲程发动机 6000rpm Basic f: 50Hz Rotation f: 100Hz 1st，2nd，4th harmonics: 50Hz

10、，100Hz，200Hz 1st，2nd，4th orders: 100Hz,200Hz,400Hz. 对于二冲程发动机：对于二冲程发动机： Harmonics=Orders Engine Cycle Engine Revolution Basic Frequency Rotation Frequency orders Harmonics *Mult. *Mult. GT-POWERGT-POWER不能预测频率高于不能预测频率高于1000Hz1000Hz的噪音。的噪音。 在进行声学性能分析时要用小的离散长度在进行声学性能分析时要用小的离散长度 在使用外部数据进行声学性能分析的时候，采样在使用外

11、部数据进行声学性能分析的时候，采样 频率也非常重要，要保证所有的采样的点都被存频率也非常重要，要保证所有的采样的点都被存 储起来。储起来。 根据根据NyquistNyquist理论，当采样频率低于信号中最高频理论，当采样频率低于信号中最高频 率的率的2 2倍的时候，将发生混叠倍的时候，将发生混叠 数字滤波器不能消除混叠现象，它只与采样频率数字滤波器不能消除混叠现象，它只与采样频率 相关相关 由于由于GT-POWERGT-POWER采用的时间步长很短，所采用的时间步长很短，所 以基本上能消除频率混叠现象。以基本上能消除频率混叠现象。 输出数据是离散的输出数据是离散的 如果每个时间步长内的数据没有

12、完全被如果每个时间步长内的数据没有完全被 存储起来将发生存储起来将发生aliasingaliasing（频率混叠）（频率混叠） 一般只有在预测高频事件中才会产生频一般只有在预测高频事件中才会产生频 率混叠现象率混叠现象 当采样频率当采样频率12691Hz12691Hz时预测的结果是时预测的结果是 准确的准确的 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 相当于一个外置的随机的白噪声麦克风，相当于一个外置的随机的白噪声麦克

13、风， 可根据声源特性将气流的压力波模拟成声波可根据声源特性将气流的压力波模拟成声波 通过在自由场中放置麦克风，计算由于流动脉动引起的噪声通过在自由场中放置麦克风，计算由于流动脉动引起的噪声 假定脉动流动是由于单极子的振动辐射产生假定脉动流动是由于单极子的振动辐射产生 计算通过噪声（考虑到计算通过噪声（考虑到多普勒效应）多普勒效应） 把麦克风和车辆之间的距离设置为定值，即传声器随车辆一起运动。把麦克风和车辆之间的距离设置为定值，即传声器随车辆一起运动。 把麦克风的空间位置确定，车辆运动把麦克风的空间位置确定，车辆运动 考虑了车辆和外置传声器之间的相对运动，产生多普勒效应考虑了车辆和外置传声器之间

14、的相对运动，产生多普勒效应 当车辆朝着传声器方向运动的时候，由于相对运动，导致传声器测得的波长变短、频率变高当车辆朝着传声器方向运动的时候，由于相对运动，导致传声器测得的波长变短、频率变高 当车辆远离传声器方向运动时候，由于相对运动，导致传声器测得波长变长，频率变低当车辆远离传声器方向运动时候，由于相对运动，导致传声器测得波长变长，频率变低 lMultiple sources may influence 1 microphone (dual Multiple sources may influence 1 microphone (dual exhaust)exhaust) 在在V6.2V6.2

15、版本以后可以考虑流动噪声（见注释）版本以后可以考虑流动噪声（见注释） 该模块用于模拟过程中也可以用于计算结果的后处理中该模块用于模拟过程中也可以用于计算结果的后处理中 输出结果：输出结果： dB vs. Frequency （频谱分析）（频谱分析） dB Order Tracking （阶次分析）（阶次分析） Linear Order and Frequency Contours（？）（？） dB Order and Frequency Contours （Cambell图）图） Postprocess During a simulation 22 ( ) nn Amplitude nAB 传

16、感器传出每个时间步长的速度信号传感器传出每个时间步长的速度信号 麦克风把速度信号转换成压力信号麦克风把速度信号转换成压力信号 GT-POWER对压对压力信号力信号进进行插行插值值用于用于FFT转换转换 对压力信号进行对压力信号进行FFT转换转换 计算每个频率下声波的振幅计算每个频率下声波的振幅 cos()sin() onn F tAAnftBnft 2 1 3 4 a r tu dt d * r*c s* P 频域分析的最大频率频域分析的最大频率1000Hz 应用应用24阶低通滤波器阶低通滤波器 瞬态窗函数的选择瞬态窗函数的选择 稳态工况：稳态工况：NO 瞬态工况：瞬态工况：Hanning窗窗

17、 Coherence（决定声源基频的一致性）：（决定声源基频的一致性）：not Coherence 球面声波球面声波or半球面声波半球面声波 实际情况应该是介于两者之间实际情况应该是介于两者之间 预测结果相差预测结果相差3dB 把非周期信号转换成周期信号把非周期信号转换成周期信号 采用采用Chung和和Blaser的理论和方法在的理论和方法在4个外置麦个外置麦 克风间通过自相关谱和互相关谱得到声功率之差克风间通过自相关谱和互相关谱得到声功率之差 由由speaker提供白噪声声源提供白噪声声源 必须采用无回声的终止端（防止声波的反射）必须采用无回声的终止端（防止声波的反射） 四麦克风方法用于把压

18、力分解到正向和反向部件四麦克风方法用于把压力分解到正向和反向部件 【注意注意】 所有的传感器必须放置在管路的中心位置所有的传感器必须放置在管路的中心位置 需要检查离散长度、整个管路的长度以及传感器的位置需要检查离散长度、整个管路的长度以及传感器的位置 Distance in object should be same as distance between Distance in object should be same as distance between SensorConnsSensorConns ？ 模型中传感器的位置必须与实验设备的位置一样模型中传感器的位置必须与实验设备的位置一

19、样 在做试验对比的时候要选择合适的测点位置在做试验对比的时候要选择合适的测点位置 传递损失对采样点的多少十分敏感传递损失对采样点的多少十分敏感 一般设置最大时间步长为一般设置最大时间步长为0.088deg0.088deg，对应的，对应的FFTFFT中最大采样点为中最大采样点为40964096。 number of points: assumes that a driver of 360 degrees is used. (derivation number of points: assumes that a driver of 360 degrees is used. (derivation

20、is left as exercise for the user)is left as exercise for the user)（？）？） 传递损失分析模块用法：传递损失分析模块用法： During the simulation（正在进行的模拟）（正在进行的模拟） PostProcessing（后处理）（后处理） data模块用于从模拟结果中得到数据模块用于从模拟结果中得到数据 确保模拟之初所有数据点都能储存到确保模拟之初所有数据点都能储存到data中中 在管路内部的两个位置放置两个麦克风在管路内部的两个位置放置两个麦克风 用于预测管路内部的动态声压用于预测管路内部的动态声压 传递函数定义

21、为每个频率下信号传递函数定义为每个频率下信号2和信号和信号1的振幅之比的振幅之比 考虑到声波反射和尾管的影响考虑到声波反射和尾管的影响 结果可以用结果可以用dB表示的表示的降噪量？降噪量？ signal1signal2 原理是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与原理是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与 声源特性有关，因此计算时必须要将消声器与发动机相连。声源特性有关，因此计算时必须要将消声器与发动机相连。 提供插入消声元件后的声压级损失提供插入消声元件后的声压级损失 分析步骤：分析步骤： 不插入消声元件，储存流速信号在不插入消声元件，储存流速信号在datadata

22、模块中模块中 插入消声元件，用存储在插入消声元件，用存储在datadata中的信号以及中的信号以及AcoustInsLoss计计算插入算插入损损失失 采用低通滤波器消除采样数据中的高频信号采用低通滤波器消除采样数据中的高频信号 消除在差值过程中消除在差值过程中Contamination 的可能性？的可能性？ 24th 阶次的滤波器应用效果最好（阶次的滤波器应用效果最好（TransLoss、Mic） 用于产生用于产生*.wav 文件文件 稳态计算：稳态计算： 重复最后一个循环的模拟结果重复最后一个循环的模拟结果 声音文件的时间由用户控制声音文件的时间由用户控制 瞬态计算：瞬态计算： 声音文件的时

23、间等于整个瞬态过程的时间声音文件的时间等于整个瞬态过程的时间 输入参数推荐：输入参数推荐： Bits: 16 Sampling Rate: 44.1 kHz Filter: 54th order 当采样的数据为非周期性信号，采用当采样的数据为非周期性信号，采用FFTFFT时会产生旁瓣现象。时会产生旁瓣现象。 通过对数据加窗函数可以消除旁瓣现象通过对数据加窗函数可以消除旁瓣现象 窗函数可以改善信号的频率响应，但加窗的最主要的目的窗函数可以改善信号的频率响应，但加窗的最主要的目的 是消除旁瓣（推荐使用是消除旁瓣（推荐使用HanningHanning窗）窗） 窗函数常用于瞬态分析（转速变化比较剧烈的

24、情况）窗函数常用于瞬态分析（转速变化比较剧烈的情况） 传声损失分析 插入损失分析 实际试验中测量传递损失是非常困难的。 它反应的是消声器本体的声学性能，是消声器 的固有特性。通常用与不同结构的消声器进行对比分析。 此外特别适合缺乏发动机参数的情况，也可以将由试验 取得的发动机出口处的状态参数输入到声源模块 且计算速度快。 安装消声器前后在发动机排气口某固定 测点处测得的计数声级之差，它直接反映了消声 器对发动机噪声的消声效果。该指标能综合反应 内燃机、消声器和消声器尾管的匹配特性。由于 插入损失考虑声源特性，因此必须建立发动机模 型。通常情况下计算插入损失必须建立两个模型 一个带消声器的模型和

25、一个不带消声器的空管模 型，两个模型在排气口处的声压级之差即为插入 损失。此声波可以转化成声音文件播放出来，形 象直观。 计算方法：传递矩阵（频域分析）计算方法：传递矩阵（频域分析） 输入参数：几何尺寸、边界条件、初始条件输入参数：几何尺寸、边界条件、初始条件 适用对象：有声学分析经验的工程师适用对象：有声学分析经验的工程师 （使用过其他相似的声（使用过其他相似的声 学分析工具）学分析工具） 模型中常用的流动部件：模型中常用的流动部件： Pipe Flowsplit Orifice CatalystBrick EndEnvironment EndFlowCap 采用传递矩阵（采用传递矩阵（4p

26、ole）来描述系统的属性）来描述系统的属性 对于每个组件都有一个独立的传递矩阵对于每个组件都有一个独立的传递矩阵 例：从位置例：从位置1到位置到位置2的传递矩阵为的传递矩阵为 每个单独的传递矩阵合并成一个大的传递矩阵描述整每个单独的传递矩阵合并成一个大的传递矩阵描述整 个系统个系统 2 2 2221 1211 1 1 u p tt tt u p 计算方法：基于平面声波理论Helmholtz equation 压力、流量的传递矩阵形式 正向、反向的传递矩阵形式 声波传播、反射的传递矩阵形式 计算要求：计算要求： 计算速度快、只反应系统的整体性能计算速度快、只反应系统的整体性能 不在时域上进行计算

27、不在时域上进行计算 不能考虑详细细节（部件的流速、压力不能考虑详细细节（部件的流速、压力etc.)etc.) 不考虑空间位置不考虑空间位置 只反映整个系统的响应只反映整个系统的响应 适用的频率范围：适用的频率范围： AirboxAirbox声速为声速为343m/s 343m/s 等效直径为等效直径为200mm200mm MufflerMuffler声速为声速为500500600m/s 600m/s 等效直径为等效直径为350mm350mm 最大频率最大频率 1000Hz1000Hz 主要应用范围：比较几个消声器的性能差异主要应用范围：比较几个消声器的性能差异 1.84 * * S freqC

28、D l平均流平均流动动 考考虑虑了了MachMach数的影响数的影响 质质量流量可以通量流量可以通过过每个每个连连接件的接件的“Initial Mass Flow Rate”“Initial Mass Flow Rate” 获获得得 lViscoThermalViscoThermal 考考虑虑流体粘性和流体粘性和热热力学性力学性质质的影响的影响 温度可以通温度可以通过过每个每个连连接件的接件的“Wall Temperature”“Wall Temperature” 获获得得 TemplateDescriptionAnalog AcoustSource线性声源线性声源 EndFlowSpeake

29、r EndFlowRadiation线性声学线性声学 EndEnvironment, 边界条件边界条件EndFlowAnechoic AcoustLinEigen本征频率的计算本征频率的计算None (order/mode (natural frequencies)storage flag) AcoustLinTransLoss传递损失传递损失 AcoustTransLoss & transfer matrix AcoustLinExtMic声压级的计算声压级的计算 AcoustExtMicrophone & more AcoustLinInsLoss插入损失插入损失 AcoustInsLos

30、s TMBlackBox传递矩阵传递矩阵 Data 把声源特性定把声源特性定义义以下以下为为 频频率以及每个率以及每个阶阶次下次下发动发动机机转转速速 的函数的函数 l一般用一般用speaker模块模块 声源特性不是十分重要（传递损失的计算）声源特性不是十分重要（传递损失的计算） 一般性的分析一般性的分析 l特殊的声源模型特殊的声源模型 数据从数据从multiload中获得中获得 每个发动机对应一个声源每个发动机对应一个声源 出口边界可以定义为：出口边界可以定义为： Open end（球型（球型) Flange（半球型）（半球型） Anechoic termination（全消音室）（全消音室

31、） Data （输入边界的声阻抗）（输入边界的声阻抗） 可以进行边界声阻抗的建模可以进行边界声阻抗的建模 声阻抗数据可以通过外部文件读入声阻抗数据可以通过外部文件读入 固有频率可以反应整个系统的响应状况固有频率可以反应整个系统的响应状况 反映的是系统受到激励时自由振动的频率反映的是系统受到激励时自由振动的频率 在一个固定激励作用下进行频率扫略可以确定在一个固定激励作用下进行频率扫略可以确定 系统的共振频率系统的共振频率 所有的固有频率都可以在后处理里中显示出来所有的固有频率都可以在后处理里中显示出来 ？ 固有固有频频率分析率分析 系系统统的固有的固有频频率率 RLT结结果果显显示示 计计算插入

32、算插入损损失失 允许输入端为传递矩阵允许输入端为传递矩阵 可以替代一个组件或者系统可以替代一个组件或者系统 TMBlackBox获取途径：获取途径： 应应用用 TMatrixGeneratorTMatrixGenerator 进进行行标标准的准的GT-POWERGT-POWER计计算算 其他相似其他相似软软件件 试验试验数据数据 理理论论公式公式 用用户户子程序子程序 NoLinear Acoustic Linear Acoustic MultiLoadAcoustSource 产产生声源特性生声源特性（p/z） TMBlackBox 产产生生传递传递矩矩阵阵（TM） Gap 用用带带有有边边

33、界条件的界条件的标标准（非准（非线线性）的声性）的声 学学计计算算产产生用于生用于线线性声学的性声学的Blackbox 基于时间的流动基于时间的流动/压力函数转换成基于频率的压力压力函数转换成基于频率的压力/阻抗函阻抗函 数数 间接计算声源特性间接计算声源特性 计算方法：计算方法： 内部计算模型内部计算模型 外部计算模型外部计算模型 外部测量模型外部测量模型 管路管路长长度必度必须须可可变变 内部内部计计算模型：算模型： 需要系需要系统统的体的体积积流量信号和流量信号和压压力信号力信号 外部外部计计算模型：算模型： 在系在系统统端点端点传传感出体感出体积积流量信号流量信号 需要加入需要加入线线

34、性声学分析模性声学分析模块块 外部外部计计算模型：算模型： 通通过过microphone传传感出系感出系统统的的压压力信号力信号 需要加入需要加入线线性声学分析模性声学分析模块块 管路管路长长度必度必须为须为可可变变 q专用的图形化前处理程序专用的图形化前处理程序 q图形化的界面图形化的界面 q建立包括各种零部件的复杂结构消声器的三维几何形状建立包括各种零部件的复杂结构消声器的三维几何形状 q通过其内部数据格式数据文件自动生成通过其内部数据格式数据文件自动生成GT-POWERGT-POWER模型模型 q减少消声器建模的工作量减少消声器建模的工作量( (不必做大量的加工和测试）不必做大量的加工和

35、测试） q模型优化而准确模型优化而准确 q为复杂形状的建模提供方便为复杂形状的建模提供方便 l1. 1. 基本概念基本概念 l2. 2. 基本操作基本操作 l3. 3. 离散离散 l4. Interference4. Interference l5. 5. 模型的快速检查模型的快速检查 l1.1 1.1 模板模板 l1.2 1.2 ShellShell（壳体）（壳体） 定定义义壳体的厚度壳体的厚度用于用于GT-POWER 中的参数中的参数 用于用于GT-POWER 中的参考模型中的参考模型 l1.3 1.3 ShellbaffleShellbaffle（挡板）（挡板） Left end at x=-1 Right end at x=1 Middle face positin Note: Baffle thickness reduces the effective chamber volume! l1.4 1.4 OrificeOrifice Define the inlet and outlet port number for assembly linkage in GT- POWER l1.5 1.5 PorocityPorocity )int()int(MaxNUM %100Porocity hole pi