汽车空气动力噪声培训课件

一、流场中声源的分类一、流场中声源的分类1：单极子声源2：双极子声源3：四极子声源4：实际存在的声源5：壁面(软、硬)上的湍流边界层的声源一、流场中声源的分类一、流场中声源的分类1、单极子声源：可以看做点源，其由纯放射的运动压缩周围的流体，而成的声源媒质中流入质量和热量不均匀时形成声源。如沸腾的开水，水雷的爆炸，由于排气管很短，而声音在固体中波长远大于排气管长度，可看成单极子声源。2、单极子声源与流场的平均速度4次方成正比。流场：呈放射状声场：在球面上的均匀一、流场中声源的分类一、流场中声源的分类1、双极子声源：可以看做两个点源，其距离近但相位相反。流场中有障碍物，流体和物体产生不稳定的反作用力，双极子为力声源。气流的准二维别离的情况可看做双极子声源，如风吹电线，低速风过车身顶盖缝隙等。2、双极子声源与流场的平均速度6次方成正比流场：呈振荡状声场：两级相反一、流场中声源的分类一、流场中声源的分类1、四极子声源：可以看做两个相位不同的双极子声源构成了四极子声源，其距离近但相位相反媒体没有质量热量注入，由气体的粘性作用产生的辐射声波。气流的三维别离的情况可看做双极子声源。在高排气速度下，排气管声源为4极子声源，高速情况下四极子声源比例大。2、四极子声源与流场的平均速度8次方成正比声场：两极或四极-流场：呈双振荡状1、边缘音气动噪声特征狭带，特定频率域产生的狭带域音气动噪声特征狭带，特定频率域产生的狭带域音L2、空腔谐振声2 2、气动噪声特征狭带、气动噪声特征狭带UL3、亥姆霍兹共鸣气动噪声特征狭带气动噪声特征狭带4、窗漏音气动噪声特征气动噪声特征 狭带狭带 开口部如车顶天窗，侧窗附近涡流产生频率和驾驶室空间噪声频率大致相等，产生最大窗漏噪声，多为车速在4080km/h开始产生5、振动噪声气动噪声特征气动噪声特征 狭带狭带Uab 流动通过圆柱时在下流产生规则的涡，有该涡产生的噪声称为振动噪声，处于b/a=0.2806稳定状态下的涡称为卡门涡流场中实际存在的声源为以上各种声源的集合体，大局部是双极子和四极子声源的集合体。根据相关研究，总结：汽车气动噪声声源的分类，产生气动噪声的原因大体上包括三种，即密封不良、二维别离流动以及三维别离流动，见表气动噪声特征气动噪声特征 广带，三维别离具有音域广的特性广带，三维别离具有音域广的特性 1流场中实际存在的声源为以上各种声源的集合体，由于三维别离流动在汽车车速范围内60350km/h，气流别离点、面位置根本固定在某特定的小范围内，气动阻力系数变化量很小！广带域音的声源几乎不受车速变化影响。2改善广带域音的方法可以是减小高速行车时，气流或能量的吸出，车身局部形成较高负压力区，造成内流的吸出减小车身缝隙，采用吸音材料。气动噪声特征气动噪声特征 广带，三维别离具有音域广的特性广带，三维别离具有音域广的特性 1汽车外表的脉动压力：当汽车高速行驶，车身和周围的空气相对作用，产生气流别离，涡流，涡流湍流相互作用，形成强大的脉动压力。2汽车外表的脉动压力传递途径：1渗漏噪声：通过车身缝隙传播的噪声 2穿透噪声：脉动压力作用与车身壁面诱发钣金、其他构件振动向车内辐射的噪声 3渗漏噪声分两局部：1以车身外部脉动流通过密封件形成的质量流单极子声源其在渗漏噪声中占主导作用；2缝隙气流别离二维，三维产生双极子和四极子声源气动噪声特征气动噪声特征 广带，三维别离具有音域广的特性广带，三维别离具有音域广的特性对二维流动的干预对二维流动的干预在天线上缠绕螺旋线在天线上缠绕螺旋线在天窗上装置适宜材料特在天窗上装置适宜材料特性的双层密封条性的双层密封条 细节造型设计有助于降低后视镜区域的噪声。在一些轿车后视镜的设计上，采用了凹槽、凸缘用以影响后视镜尾流，如图对三维流动的干预对三维流动的干预1616计算结果计算结果-风阻系数风阻系数Cd=0.01238第一轮外后视镜第一轮外后视镜第二轮外后视镜第二轮外后视镜Cd=0.01292后视镜外表风阻后视镜外表风阻第二轮外后视镜外表的风阻略大于第一轮外后视镜，增加了约4.4%；通常情况下，整车风阻在0.280.32之间，后视镜的增加量0.0006对于整车风阻而言是个极小的量，可以忽略不计；1717计算结果计算结果-外表宽频噪声分布云图外表宽频噪声分布云图第一轮外后视镜第一轮外后视镜第二轮外后视镜第二轮外后视镜u 第二轮后视镜外形在靠近车体的一侧圆角更大，使得该处气体流动更为顺第二轮后视镜外形在靠近车体的一侧圆角更大，使得该处气体流动更为顺畅，从而减小了后视镜外表的气动噪声；畅，从而减小了后视镜外表的气动噪声；u 计算第二轮后视镜外表最大宽频噪声；计算第二轮后视镜外表最大宽频噪声；1818流动迹线流动迹线迹线迹线外后视镜外后视镜 1 1从迹线分布情况来看，为减小气动噪声，气流流经后视镜的气体从车体从迹线分布情况来看，为减小气动噪声，气流流经后视镜的气体从车体侧面经过，不要再吹向玻璃，再附着在玻璃上。侧面经过，不要再吹向玻璃，再附着在玻璃上。2 2迹线要求流线明显，反映较低的风阻系数迹线要求流线明显，反映较低的风阻系数1919截面速度矢量图截面速度矢量图 截面的速度矢量图来看：减小气流的涡流区域，减小气流别离面截面的速度矢量图来看：减小气流的涡流区域，减小气流别离面涡流涡流进气噪声 1、进气系统 发动机是汽车的心脏，而进气系统那么是发动机的动脉，也有人将进气系统比喻为汽车的呼吸系统。进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统包含了进气歧管、进气门机构、空气滤清器。空气滤清器一般由进气导流管、空气滤清器盖、空气滤清器外壳和滤芯等组成。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让干净的空气进入气缸。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将缩短2/3。另外，空气滤清器也有降低进气噪声的作用。2、进气噪声产生机理1进排气噪声均属于空气动力噪声，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声。直接向大气辐射的空气动力噪声包括：进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声。2发动机进气噪声是由进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。3进气噪声主要包括：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。2、进气噪声产生机理4进气阀门开启时，活塞由于上止点下行吸气，临近活塞的气体分子以同样的速度运动，这样在进气管内产生一个压力脉冲，随着活塞的继续运动，它受到阻尼；当进气门关闭时，同样产生一个有一定持续时间的压力脉冲，于是产生了周期性的噪声脉冲噪声，其噪声频率成分主要集中在200Hz以下的低频范围。5同时，进气过程中的高速气流流过进气门流通截面时，会形成涡流噪声，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要集中在1000-2000Hz之间的高频范围；2、进气噪声产生机理 6另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生空气柱共鸣，使进气管中的噪声更加突出。当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气阀之间产生屡次反射，产生波动噪声。进气噪声与发动机的进气方式、进气门构造、缸径、凸轮型线等设计因素有关，对同一台发动机来说，受转速影响最大，转速提高一倍，进气噪声可以提高1015dB(A)n:转速 z:发动机缸数 i:发动机冲程系数四冲程为2k:谐波次数阶次数 f:噪声频率2、燃烧和撞击声：频率1000以上大约3、空气摩擦噪声：频率8001000Hz以上大约1、进气空气动力噪声与发动机点火频率一样2.进气噪声的控制1、声源控制：1合理的设计和选用空气滤清器。空滤是发动机有效的进气消声器，空滤所占的体积可作为膨胀性消声器的膨胀腔，滤清器的容积到达发动机容积的五倍以上，就能到达良好的消音效果，一般来说，容积越大消音效果就越好。但受前仓空间的限制，空滤不可能做的非常大，因此消音效果受到限制。空滤的滤芯是阻性消声器良好的吸声材料。2合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。3导流管：进气管探入空滤器本体内，配合空滤本体内气道设计来消除噪声。空气滤清器相当于一个扩张消音器，影响其传递损失的因素有两个：扩张比m和滤清器的长度L。扩张比越大越好，有两种方法提高扩张比：一是减小管道的尺寸，二是增加滤清器的截面积。减小管道尺寸会使得功率损失增加，而增加滤清器的截面积又受到安装空间的限制。将进入管和输出管插入到滤清器中也可以提高滤清器的传递损失。假设只考虑进入管插入即假设只考虑进入管插入即 这时的传递损失简化为：这时的传递损失简化为：管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当时传递损失达到最大值，对应的频率为时传递损失达到最大值，对应的频率为传递损失可以用以下公式来表达：插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管插入到滤清器中后，就相当插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管插入到滤清器中后，就相当于在系统中参加了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下于在系统中参加了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下的传递损失。的传递损失。插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受到限制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来到限制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来的损失还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。的损失还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。空中声波长约为250mm一般来说，减小空滤进气管的截面积有显著的降噪效果；增加进气管长度能够降低低速噪声，但同时中高速噪声会有较多的增大；减小空滤出气管的面积，对进气噪声的降低效果不是很明显，反而影响到发动机的充气效率有较大波动；引进消声措施：主要是增加赫尔姆兹消音器谐振腔和四分之一波长管。赫尔姆兹消音器一般是用来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除高频噪声。如果要用四分之一波长管来消除低频噪声，那么波长管必须做得很长，但是太长的管道很难安装。这两种消音器的目的都是消除窄频带的噪声，但是赫尔姆兹消音器的消音频带比四分之一波长管要宽，所以赫尔姆兹消音器比四分之一波长管显得更重要。进气系统中，低频噪声成分往往非常大，而控制低频要采用赫尔姆兹消音器。所以在汽车设计初期，要尽可能地给进气系统留出较大空间，以便安装赫尔姆兹消音器，一般来讲赫尔姆兹消音器不能安装在空气滤清器上。谐振腔式消声器谐振频率计算公式(如下图)：其中：C-为空气中的音速 L-接管长度 S-接管平均断面积 V-谐振腔的容积 f-谐振频率f=(C/2f=(C/2)*(S/(L*V)*(S/(L*V)1/21/2Lsv空滤谐振腔四分之一波长管四分之一波长管 四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，如下面四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，如下面图所示。声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管，图所示。声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管，某些频率的声波与主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，某些频率的声波与主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而到达消音目的。从而到达消音目的。这个旁支管的传递损失为：式中L是四分之一波长管的长度，而m是主管截面积与波长管截面积的比值 当 （n=1,2,3）时，传递损失达到最大,旁支管长为：四分之一波长管共振的频率为：旁支管的频率只取决于管道的长度，管道越长，频率越低。从上式知道，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是旁支管的截面积与主管截面积的比值m，另一个是波长管的长度。四分之一波长管的一端是开口的，一端是封闭的，在开口处的声波会象活塞一样运动，存在辐射声阻抗，因此管道的实际工作长度增加，需要对开口端进展修正。对四分之一波长管来说，主管的管壁相当于法兰，于是四分之一波长管的实际长度应该为：式中 和 分别是实际长度和计算长度，修正频率为：扩张消音器是由一个主要腔室和两边与之相连接的管道组成，如下图。进气管道的截面积和出气管道的截面积比扩张腔室的截面积要小些。由于截面积的变化，声阻抗就变化，因此扩张消音器是一种抗性消音器。入射波到达扩张室后，一局部能量被反射回进气管，从而消耗声能。在消音器里面并没有能量损耗。扩张消音器扩张消音器 扩张器比对传递损失的影响扩张消音器是由一个主要腔室和两边与之相连接的管道组成，如下图。进气管道的截面积和出气管道的截面积比扩张腔室的截面积要小些。由于截面积的变化，声阻抗就变化，因此扩张消音器是一种抗性消音器。入射波到达扩张室后，一局部能量被反射回进气管，从而消耗声能。在消音器里面并没有能量损耗。扩张消音器扩张消音器 扩张器长度对传递损失的影响Flexible elbowDecoupling elementClean air shellFilterDirty air shellFilter connectionFlexible elementResonatorOrificeExampleJaguar(美洲虎X150AirInductionsystemFilterYarisGasoline&DieselCorollaGasolineAvensisGasoline&Diesel试验后布置两个谐振腔某型车初状态进气系统改进后增加布置两个谐振腔初期宝马(BMW)进气系统空滤器总成谐振腔1进气噪声的测量及主观评价2噪声频谱分析确定进气噪声产生的原因多种3布置谐振腔或1/4波长管 样件准备及验证试验4布置确认及工装样件开发进气噪声的优化进气噪声的优化声腔有限元振动声腔有限元振动1、什么是气流二维别离，什么是气流三维分流？2、空气动力噪声传播的途径有什么？如何改善车身气动噪声演讲完毕，谢谢观看！