消声器设计与声学分析ppt课件

1、所属：所属：CDAJ-GT TEAM芮芮 鹏鹏q消声器设计与声学分析根底消声器设计与声学分析根底qGT-POWERGT-POWER中的规范声学分析中的规范声学分析qGT-POWERGT-POWER中的线性声学分析中的线性声学分析qMufflerMuffler公用消声器设计模块公用消声器设计模块qGEM3DGEM3D在消声器设计与声学分析中的运用在消声器设计与声学分析中的运用q声学要求声学要求q减少声能的传送减少声能的传送 传送损失传送损失 插入损失插入损失q空气流动要求空气流动要求q空气流过消声元件时空气流过消声元件时 q遭到阻力流体压力上升遭到阻力流体压力上升q机械和资料方面的要求机械和资料

2、方面的要求q气流、温度对资料性能的影响气流、温度对资料性能的影响q本钱的控制本钱的控制q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对噪声源进展实地了解，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安装作出频率特性曲线图， 这是消声器设计的主要根据q掌握发动机的根本参数、任务条件，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，如要求到达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、环境的影响空间的限制等条件，选择适当类型的消声器

3、q设计计算消声器的各种构造尺寸时， 选择适宜的消声资料及消声构造，要根据消声原理及性能要求作实际计算， 并思索空间的限制和制造本钱q验算或作必要的实验，确认消声器能到达各项性能目的。根据加工及安装的工艺性要求来设计消声器，有时实验后还要进展改良才最后完成q对选择的消声器，进展实践工况下的测试，对消声器性能的实际计算结果进展测试，分析误差并进展改良消声元件的分类消声元件的分类自动：自动： 电子控制、产生与声源幅值相等、相位相反的次声电子控制、产生与声源幅值相等、相位相反的次声波。波。半自动：被动控制系统，消声效果由气流控制，半自动：被动控制系统，消声效果由气流控制， 如排气系统中的双模态消声器。

4、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本钱太高，汽车进排气系统中运用较少内部装有消声资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l扩张消音器特性：扩张比和扩张腔室的长度扩张消音器特性：扩张比和扩张腔室的长度l扩张比增大：传送损失添加幅值扩张比增大：传送损失添加幅值l长度添加时，最大值的中心频率减少，带宽也减少长度添加时，最大值的中心频率减少，带宽也减少l赫姆霍兹特性：容积、衔接纳长度、衔接纳的截面积赫姆霍兹特性：容积、衔接纳长度、衔接纳的截面积l容积添加，共振频率降低，幅值变化没有规律容

5、积添加，共振频率降低，幅值变化没有规律l截面积添加时，共振频率也添加，幅值变化也没有规律截面积添加时，共振频率也添加，幅值变化也没有规律l管长添加时，共振频率下降，幅值变化没有规律管长添加时，共振频率下降，幅值变化没有规律l主管截面添加时，传送损失减少，频带变窄，但频率不变主管截面添加时，传送损失减少，频带变窄，但频率不变l 波长管特性：长度、面积比旁支截面积比主管截面面波长管特性：长度、面积比旁支截面积比主管截面面积比值积比值l长度越大，频率越低长度越大，频率越低l截面积比越大，传送损失幅值增大，带宽也增大，但对频截面积比越大，传送损失幅值增大，带宽也增大，但对频率不影响率不影响l用来消除较

6、高频率用来消除较高频率l排气系统噪音组成：排气系统噪音组成：l空气噪音脉动噪音；空气噪音脉动噪音；l发动机的气缸数；几何尺寸；发动机的气缸数；几何尺寸；GTGT主要关注点主要关注点l冲击噪音；冲击噪音；l气流对管路的冲击引起；气流对管路的冲击引起；l辐射噪音；辐射噪音；l机械振动；稳定气流引起；不稳定气流引起；机械振动；稳定气流引起；不稳定气流引起；l气流摩擦噪音；气流摩擦噪音；l紊流引起；高频；紊流引起；高频；l温度影响：温度影响：l温度高，低频降噪才干降低温度高，低频降噪才干降低lV V型发动机，选择适当的型发动机，选择适当的Y Y型管决议半阶次大小型管决议半阶次大小1000hQV nVN

7、发动发动机机详细详细型号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根本原那么和的一些根本原那么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尽能够取在1014之间节数通常以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，普通取56n0为标定转速；N为气缸数 为行程数；Vh为排量1/20()120mhnVYVN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

8、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；套管参与消；套管参与消声声资资料料频频率作用范率作用范围围：500HzHelmholtz腔腔传送损失(Transmission Loss)消声器入射声Lwi和透射声Lwt的声功率之差。传传声器声器10lgiWiWttWTLLLW声源管路声学元件全消音传传声器声器参与全消音安装，参与全消音安装，防止声波防止声波继续继续反射回来反射回来插入损失Insertion 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或声压级的差值。声源声源管路 管路声学元件

9、传传声器声器传传声器声器112210lgWWWILLLWW1：没有安装消声元件的系：没有安装消声元件的系统统在丈量点的声功率在丈量点的声功率W2：安装了消声元件后在同一点丈量的声功率：安装了消声元件后在同一点丈量的声功率l声压级差值level differencel系统中恣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2112220lgPPPLDLLP 传传送送损损失失: :只需有截面只需有截面变变化，就存在化，就存在传传送送损损失，而且永失，而且永远远是正是正值值。只与消声元件的构造、介。只与消声元件的构造、介质质的阻的阻抗率以及截面面抗率以及截面面积积有关。而与消声元件在系

10、有关。而与消声元件在系统统中的位置没有关系。用于描画中的位置没有关系。用于描画单单个元件。个元件。插入插入损损失：取决于失：取决于传传送送损损失和消声元件在系失和消声元件在系统统中的位置有关以及声源和出口中的位置有关以及声源和出口处处的声学特性。能的声学特性。能够够是正是正值值也能也能够够是是负值负值。用于描画整个系。用于描画整个系统统。 。声声压级压级差差值值：与声源特性无关，但却取决于出口：与声源特性无关，但却取决于出口处处的声学特性。用于的声学特性。用于评评价出口价出口处处的最的最终终的噪声目的噪声目的。的。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

11、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传送送损损失失插入插入损损失失传传送送损损失失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 6000rpmBasic f: 50Hz Rotation f: 100Hz1st，2nd，4th harmonics: 50Hz，100Hz，200Hz1st，2nd，4th orders: 100Hz,200Hz,400Hz.对于二冲程发动机：对于二冲程发动机：Harmonics=OrdersEngine Cycl

12、eEngine RevolutionBasic FrequencyRotation FrequencyordersHarmonics*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。在进展声学性能分析时要用小的离散长度在进展声学性能分析时要用小的离散长度在运用外部数据进展声学性能分析的时候，采样在运用外部数据进展声学性能分析的时候，采样 频率也非常重要，要保证一切的采样的点都被频率也非常重要，要保证一切的采样的点都被存储起来。存储起来。根据根据NyquistNyquist实际，当采样频率低于信号中最高频实际，当采样频

13、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景象，它只与采样频率数字滤波器不能消除混叠景象，它只与采样频率相关相关由于GT-POWER采用的时间步长很短，所以根本上能消除频率混叠景象。输出数据是离散的假设每个时间步长内的数据没有完全被存储起来将发生aliasing频率混叠普通只需在预测高频事件中才会产生频率混叠景象当采样频率12691Hz时预测的结果是准确的-1.5-1-0.500.511.501-1.5-1-0.500.511.501相

14、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经过在自在场中放置麦克风，计算由于流动脉动引起的噪声经过在自在场中放置麦克风，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经过噪声思索到多普勒效应计算经过噪声思索到多普勒效应把麦克风和车辆之间的间隔设置为定值，即传声器随车辆一同运动把麦克风和车辆之间的间隔设置为定值，即传声器随车辆一同运动。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 思索了车辆和外置传声器之间的相对

15、运动，产生多普勒效应思索了车辆和外置传声器之间的相对运动，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，频率变低波长变长，频率变低Multiple sources may influence 1 microphone (dual exhaust)Multiple sources may influence 1 microphone (dual

16、exhaust)在在V6.2V6.2版本以后可以思索流动噪声见注释版本以后可以思索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置中该模块用于模拟过程中也可以用于计算结果的后处置中输出结果：输出结果：dB vs. Frequency dB vs. Frequency 频谱分析频谱分析dB Order Tracking dB Order Tracking 阶次分析阶次分析Linear Order and Frequency ContoursLinear Order and Frequency Contours？dB Order and Frequency Contours dB Or

17、der and Frequency Contours CambellCambell图图PostprocessDuring a simulation22( )nnAmplitude nAB传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展插展插值值用于用于FFT转换转换对压力信号进展对压力信号进展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()onnF tAAnftBnft2134artudtd*r*cs*P频域分析的最大频率频域分析的最大频率1

18、000Hz运用运用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Coherence决议声源基频的一致性：决议声源基频的一致性：not Coherence球面声波球面声波or半球面声波半球面声波实践情况应该是介于两者之间实践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的实际和方法在的实际和方法在4个外置麦个外置麦 克风间经过自相关谱和相互关谱得到声功率之差克风间经过自相关谱和相互关谱得到声功率之差 由由speaker提供白噪声

19、声源提供白噪声声源 必需采用无回声的终止端防止声波的反射必需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【留意】【留意】一切的传感器必需放置在管路的中心位置一切的传感器必需放置在管路的中心位置 需求检查离散长度、整个管路的长度以及传感器需求检查离散长度、整个管路的长度以及传感器的位置的位置Distance in object should be same as distance Distance in object should be same as distance between SensorConnsbetween

20、 SensorConns？模型中传感器的位置必需与实验设备的位置一样模型中传感器的位置必需与实验设备的位置一样 在做实验对比的时候要选择适宜的测点位置在做实验对比的时候要选择适宜的测点位置传送损失对采样点的多少非常敏感传送损失对采样点的多少非常敏感 普通设置最大时间步长为普通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 number of points: assumes that a driver of 360 degrees is u

21、sed. (derivation is of 360 degrees is used. (derivation is left as exercise for the user)left as exercise for the user)？传送损失分析模块用法：传送损失分析模块用法： During the simulation During the simulation正在进展的模拟正在进展的模拟 Post PostProcessingProcessing后处置后处置datadata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一切数据点都能储存到确保模拟之初一切数据点都

22、能储存到datadata中中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传送函数定义为每个频率下信号2和信号1的振幅之比思索到声波反射和尾管的影响结果可以用dB表示的降噪量？signal1signal2原理是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与声源特性有关，因此计算时必需求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分析步骤：不插入消声元件，储存流速信号在data模块中插入消声元件，用存储在data中的信号以及AcoustInsLoss计算插入损失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Contamination 的能够性？24th 阶次的滤

23、波器运用效果最好TransLoss、Mic用于产生用于产生*.wav 文件文件 稳态计算：稳态计算： 反复最后一个循环的模拟结果反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引荐：输入参数引荐：Bits: 16Sampling Rate: 44.1 kHzFilter: 54th order当采样的数据为非周期性信号，采用FFT时会产生旁瓣景象。经过对数据加窗函数可以消除旁瓣景象窗函数可以改善信号的频率呼应，但加窗的最主要的目的 是消除旁瓣引荐运用Hanning窗

24、窗函数常用于瞬态分析转速变化比较猛烈的情况传声损失分析插入损失分析实践实验中丈量传送损失是非常困难的。它反响的是消声器本体的声学性能，是消声器的固有特性。通常用与不同构造的消声器进展对比分析。此外特别适宜缺乏发动机参数的情况，也可以将由实验获得的发动机出口处的形状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。该目的能综合反响内燃机、消声器和消声器尾管的匹配特性。由于插入损失思索声源特性，因此必需建立发动机模型。通常情况下计算插入损失必需建立两个模型一个带消声器的模型和一个不带消声器的空管模型，两个模型在排气

25、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，笼统直观。 计算方法：传送矩阵频域分析 输入参数：几何尺寸、边境条件、初始条件 适用对象：有声学分析阅历的工程师运用过其他类似的声 学分析工具 模型中常用的流动部件： Pipe Flowsplit Orifice CatalystBrick EndEnvironment EndFlowCap采用传送矩阵4pole来描画系统的属性对于每个组件都有一个独立的传送矩阵例：从位置1到位置2的传送矩阵为每个单独的传送矩阵合并成一个大的传送矩阵描画整个系统222221121111upttttup计算方法：基于平面声波实际Helmholtz e

26、quation压力、流量的传送矩阵方式正向、反向的传送矩阵方式声波传播、反射的传送矩阵方式计算要求：计算速度快、只反响系统的整体性能不在时域上进展计算不能思索详细细节部件的流速、压力etc.)不思索空间位置 只反映整个系统的呼应适用的频率范围：Airbox声速为343m/s 等效直径为200mmMuffler声速为500600m/s 等效直径为350mm最大频率1000Hz主要运用范围：比较几个消声器的性能差别1.84*SfreqCDl平均流平均流动动l思索了思索了MachMach数的影响数的影响l质质量流量可以量流量可以经过经过每个每个衔衔接件的接件的“Initial Mass “Initi

27、al Mass Flow RateFlow Rate 获获得得lViscoThermalViscoThermall思索流体粘性和思索流体粘性和热热力学性力学性质质的影响的影响l温度可以温度可以经过经过每个每个衔衔接件的接件的“Wall Temperature“Wall Temperature 获获得得TemplateDescriptionAnalogAcoustSource线性声源线性声源 EndFlowSpeakerEndFlowRadiation线性声学线性声学 EndEnvironment, 边境条件边境条件EndFlowAnechoicAcoustLinEigen本征频率的计算本征频率

28、的计算None (order/mode(natural frequencies)storage flag)AcoustLinTransLoss传送损失传送损失 AcoustTransLoss& transfer matrixAcoustLinExtMic声压级的计算声压级的计算 AcoustExtMicrophone& moreAcoustLinInsLoss插入损失插入损失 AcoustInsLossTMBlackBox传送矩阵传送矩阵 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普通用普通用speak

29、er模块模块l声源特性不是非常重要传送损声源特性不是非常重要传送损失的计算失的计算l普通性的分析普通性的分析l特殊的声源模型特殊的声源模型l数据从数据从multiload中获得中获得l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境可以定义为：出口边境可以定义为：Open endOpen end球型球型) )FlangeFlange半球型半球型Anechoic terminationAnechoic termination全消音室全消音室Data Data 输入边境的声阻抗输入边境的声阻抗可以进展边境声阻抗的建模可以进展边境声阻抗的建模声阻抗数据可以经过外部文件读入声阻抗数据可以经过外部文

30、件读入固有频率可以反响整个系统的呼应情况固有频率可以反响整个系统的呼应情况反映的是系统遭到鼓励时自在振动的频率反映的是系统遭到鼓励时自在振动的频率在一个固定鼓励作用下进展频率扫略可以确定在一个固定鼓励作用下进展频率扫略可以确定系统的共振频率系统的共振频率一切的固有频率都可以在后处置里中显示出来一切的固有频率都可以在后处置里中显示出来？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算插入损损失失允许输入端为传送矩阵允许输入端为传送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：运用运用TMatrixGenerato

31、r进展规范的进展规范的GT-POWER计算计算其他类似软件其他类似软件实验数据实验数据实际公式实际公式用户子程序用户子程序NoLinear AcousticLinear AcousticMultiLoadAcoustSource产产生声源特性生声源特性p/zTMBlackBox产产生生传传送矩送矩阵阵TM Gap用用带带有有边边境条件的境条件的规规范非范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

32、算模型内部计算模型外部计算模型外部计算模型外部丈量模型外部丈量模型管路管路长长度必需可度必需可变变内部内部计计算模型：算模型：需求系需求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求参与需求参与线线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：经过经过microphone传传感出系感出系统统的的压压力信号力信号需求参与需求参与线线性声学分析模性声学分析模块块管路管路长长度必需度必需为为可可变变l1. 1. 根本概念根本概念l2. 2. 根本操作根本操作l3. 3. 离散离散l4. Inte

33、rference4. Interferencel5. 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 Shell1.2 Shell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 Shellbaffle1.3 Shellbaffle挡板挡板Left end at x=-1Right end at x=1Middle face positinNote:Baffle thickness reduces the effective chamber volume!l1.4 Orifice1.4 OrificeDefine the inlet and outlet port number for assembly linkage in GT-POWERl1.5 Porocity1.5 Porocity)int()int(MaxNUM%100Porocityholepipeholeperforatedperforatedpipe