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基于Virtual.Lab Acoustics汽车排气消声器声学性能的研究

唐博  
【摘要】:排气噪声是汽车发动机的主要噪声源,控制发动机排气噪声的主要途径是安装排气消声器。消声器在降低管道噪声时自身壳体受到激励有可能产生新的噪声,所以消声器声学分析应包括计算管道噪声和壳体辐射噪声(Shell Noise)。在设计消声器时如果单独考虑其中一个,则很可能使另一个性能恶化。以往对消声器进行声学性能计算时,只注重消声器管道噪声,未考虑壁面振动对消声性能(声振耦合)和外场辐射噪声性能的影响。而研究表明在有些情况下,消声器壳体的结构辐射噪声可以和排气管道噪声相当。因此应该同时考虑这两个因素,使消声器总的声学性能到达最优。针对上述问题,本文以排气消声器为研究对象,综合考虑消声器的管道噪声和壳体辐射噪声两个方面,在LMSVirtual.Lab中研究了消声器的声学性能。 首先,在Virtual.Lab Acoustics中建立排气消声器声学有限元模型,采用两种不同的方法研究消声器的传递损失:一种采用定义入口质点振速的方法;另一种采用AML技术,直接计算声功率的方法。研究结果表明:两种方法计算出来的结果高度一致,且采用AML方法计算步骤简单、计算速度快,对于大截面管路消声器也同样适用,显示了其计算方法的优越性,为大截面管路消声器传递损失的计算提供了一种新方法。初步研究了考虑流体流速对消声器的传递损失特性的影响,结果表明:入口流速为60m/s时,对消声器传递损失在中低频范围影响不大,在高频范围影响较为明显。利用AML技术,研究考虑气流速度影响下消声器出口的辐射噪声,并建立了其插入损失的有限元计算模型,为插入损失的研究提供了一种仿真方法。 其次,针对原消声器声学性能设计方面存在的问题,根据排气消声器设计理论,以传递损失作为声学性能评价指标,在不改变其外形和尺寸的情况下,通过改变消声器内部结构,增加穿孔结构和多孔吸声材料等措施,提出了两种优化改进方案。为了解决穿孔板小孔划分网格导致计算困难的问题,选择在穿孔板两侧定义传递导纳来模拟这些小孔。通过对这两种方案分析评价,结果表明这两种方案都是可行的,其中以第二种优化改进方案最佳。最终选定方案二作为优化设计的目标,并且以方案二改进后的消声器作为下文其声振耦合和辐射噪声研究的对象。 然后,以改进方案二设计出的消声器为研究对象,对其进行振动分析,分析和确定消声器的振动源。研究消声器内部声学模态和壳体结构模态、耦合模态,得出了这三种模态的固有频率和模态振型。通过对干模态和耦合模态对比,发现两者的固有频率并不一样,有一定的差异,表明流体对消声器结构模态有一定的影响。考虑流体和结构的相互作用,对消声器进行声振耦合分析,研究考虑声振耦合影响下消声器的声学性能。 最后,把声振耦合后消声器壳体的振动响应映射到声学网格上作为边界条件,利用FEM-AML方法建立了消声器壳体辐射噪声分析模型。对消声器壳体进行辐射噪声预测研究,得到了壳体表面的声压级分布和场点网格上辐射噪声声压级分布。通过分析场点网格上声压级分布和场点上IO点的声压频率响应函数,结果表明:消声器第二阶模态对辐射噪声的影响比较大。针对辐射噪声预测结果,给出了排气消声器壳体辐射噪声控制的几点措施。


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