消声器气流再生噪声测试技术研究
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2010年 10月
噪声与振动控制
文章编号: 1006-1355( 2010) 05-0116-05
消声器气流再生噪声测试技术研究
第 5期
罗 虹, 赵世举, 赵海军, 杨 杰
(重庆大学 机械工程学院, 重庆 400030)
摘 要: 基于双传声器传递函数法, 发展了一种采用 传声器间距组合的消声器气流再生噪 声测量方 法。通过 对三 种取样管声场和流场分析, 重点比较了其导流透声效 果, 分析表明选取的取样管能真实 反映主管 道内的声压, 且导流透声结构对主管道内声场和流场的影响较小。在无气流条件下, 试验验证了声场仿真计 算的结果。在 设计 的试验台上对一穿孔管消声器测试表明: 研究的 测量方法以及研制的试验台能够较准确地测试消 声器在不同 气流 速度下的气流噪声和再生噪声的叠加噪声。
关键词: 声学; 消声器; 气流再生噪声; 测试技术; 取样管
中图分类号: TH 11 文献标识码: A DO I编码: 10. 3969 / .j issn. 1006- 1355. 2010. 05. 028
Research on the T echnique of F low R egeneration N oise Testing for M ufflers
消声器气流 再生噪声试验 台的总体布置 及构 成如图 1所示。
1. 离心式风机 2. 风机进气消声器 3. 电机 4. 变频器 5. 隔 音墙 6. 风机排 气消声器 (抗性 ) 消声器 (阻性 ) 8. 皮托管 9. 微型压差计 10. 试验消声器 11. 取样管 12. 主管道 13. 消声末端
为研究导流透声结构对主管道内流场的影响, 对主管道及取样 管流场进行流场 分析。模型 尺寸 与声场分析时相 同。流场分析 时主管道入口 为速 度边界条件: 60 m / s, 出 口为 相对 压力 边界 条件: 0 P a。取样管及其 周围主管 道的速度 分布结果 如 图 6。
从图 6中可以看出, 由于管壁上开孔, 导流透声 结构对主管道的流场均有一定的影响, 开孔面积的 大小直接影响到取样管中的 流速和主管道壁 面的 流场。在取样管前 12 mm 到取样管后 10 mm 之间 的主管道边界流场遭到了一定的破坏, 边界层向小 孔 (槽 )中扩散。由于方案 1开槽较长, 取样管中的 速度较大, 最大为 9. 7 m / s, 方案 3中的孔径较大, 取样管中的速度较大, 取样管内流速最大为 7. 1 m / s, 方案 2中的孔径较小, 取样管中的速度最小, 取样 管内流速最大为 2. 4 m / s, 对主管道流场的边界层 的影响也比另两 种方案小。三 种方案中主管 道内 的主体流速分布大体相同, 导流透声结构对主管道 内主流的影响很小。
第 5期
图 2 特征点位置示意图 F ig. 2 Sketch m ap o f position of character po ints
在三种方案中, 主管道中各特征点的声压级相 差很小, 差距在 0. 05 dB 以内, 说明主管道中的声 波以平面波的形式在传播。在取样管前后点 1、点 2、点 4、点 6的声压级与无取样管时主管道中相同 位置处声压级几乎一致, 说明导流透声结构没影响 到声波在主管道中的传播。
为使取样管有优良的导流透声效果, 减小高速 气流条件下由于传声器的安装对测量的影响, 本试 验设计了 3种在主管道管壁上 开口的导流透 声方 案, 方案 1为条形槽, 方案 2和方案 3均为微穿孔, 穿槽 ( 孔 ) 率相差不大, 具体结构参数如表 1所示。 利用 SYSNO ISE 和 ANSYS /CFX 软件分别对这 3 种 结构取样管进行声场和流场分析。
F ig. 5 Sound field calcu lation result o f schem e 3
从图 3- 图 5中可以看出, 三种方案 声压级关 系趋势较为一致, 在 1 000 H z以下时, 取样管中点 7 的声压级与主管道中点 3 的声压级几乎没有差别, 在频率高于 1 000 H z之后, 两者之间的差距随频率 的增大而增加。在频率为 3 000H z时, 两者的差距 最大, 方案 1约 0. 85 dB, 方案 2约 0. 7 dB, 方案 3 约 0. 75 dB。在点 5和点 8之间也有同样的规律。 三种方案都有较好的透声效果, 主管道中的声压信 号能通过开孔 ( 槽 ) 传递到取样管中。仅 从声场方 面考虑, 方案 2 要略优于方案 1 和方案 3。说明取 样管在一定频率范围内能真 实反映主管道中 的声 压, 在高频有一定的误差。 2. 2 流场分析
取样管的重点是 比较取样管中的 声压级与主 管道中的声压级。经过计算, 点 3与点 5、点 7 与点 8的声压级相差很小, 声压级曲线几乎重合, 为了能 在图中有所区分, 图中只比较取样管中点 7 与主管 道中点 3的声压级, 三种不同导流透声结构声场比 较如图 3- 图 5。
图 5 方案 3声场计算结果
Key word s: acoust ics; m uffler; flow regenerat ion no ise; test techn ique; probe tube
由于发动机排气系统中的高速气 流产生的再 生噪声, 使消声器的实际消声效果急剧下降。消声 器内部体积小且结构复杂, 使得气流再生噪声的产 生和传播变得极为复杂。迄今, 国内外对气流噪声 理论及数值计算的研究还不成熟。因此, 试验法是 目前研究消声器气流再生噪声的主要 手段和重要 方法。文献 [ 1] 在自行设计的 试验台上, 对扩张腔
2. 1 声场分析 为研究导流透声结构对主管道内声场的影响,
2010年 10月
噪声与振动控制
以及取样点与主管道中对应点处的声压级关系, 对 主管道及取样管进行声场有限元分析, 分析时主管 道直径为 42 mm, 壁厚为 2 mm, 取主管道长 为 500 mm, 两取样管之间的间距为 70 mm。入口边界条件 为单位速度激励, 出口边界 条件为全吸声, 比较三 种不同 导流 透 声方 案 在图 2 中 各 特征 点 处 的声 压级。
LUO H ong, ZHAO Shi-ju, ZHAO H ai-jun, YANG J ie
( Co llege o fM echanical Eng ineering, Chongq ing Un iversity, Chongqing 40030, Ch ina)
A bstract: B ased on the m ethod of doub le-m icrophone transfer funct ion, a m ethod for flow regeneration no ise m easurem ent in m ufflers is deve loped w ith d ifferen t distances betw een the m icrophones. The flow field and acoustic field o f three type probe tubes are stud ied, and the ir effects o f diversion and sound transm ission are com pared. T he result show s that the selected probe tube can reflect the acoust ic pressure signal in m ain tube tru ly, and the structure o f probe tube has litt le effect on flow field and acoustic field in the m ain tube. Under the no flow cond it ion, the result of acoustic sim u la tion is testif ied. On the designed test bench, a perfo rated mu ff ler w as tested. T he resu lt show s that the deve loped m easurem ent m ethod w ith the test bench can m easure e ffect ively the flow noise, the regenerat ion no ise and the noise of the ir superposition in the mu ffler at various flow velocity.
本文在双传声器传递函数法的基础上, 通过传 声器间距组合, 提高分析频率范围。利用有限元软 件分析比较三种取样管的导流透声结构, 选取并加 工具有良好导流透声结构的取样管, 实现了对消声 器气流再生噪声较精确的测量。
消声器气流再生噪声测试技术研究
117
1 测量原理及试验台布置
1. 1 测试原理 在消声器上游管 道施加一个稳定 流速的低噪
式消声器气流再生噪声进行研究, 但由于测点选在 主管道外, 测得的气流再生噪声与实际的气流再生 噪声有一定的差距, 更无法对气流再生噪声进行定 量分析。文献 [ 2, 3]通过在不同出口阻抗条件下测 量消声器的声学性能, 实现了有流条件下对传递损 失的测量。测点位置选在主管道壁面, 但没有介绍 取样管的具体结构, 也没有分析取样管结构对主管 道声场和流场的影响。
收稿日期: 2009 - 10- 20; 修改日期: 2009- 12- 08 基金项目: 重庆市汽车零部件重大专项资助项目
( CSTC, 2008A B6108 ) 作者简介: 罗虹 ( 1955- ), 男, 重庆 大学副教 授, 主要 研究方向为 汽
车振动与噪声控制。 E-m ai:l cd lh@ 163. com
2 取样管的设计
消声器的气流再 生噪声的测量需 要传声器准 确拾取主管道内的声压 信号。而主管 道内气流速 度较高, 如果在主管道管壁上开孔直接把传声器插 入主管道, 传声器的隔栅及开孔边缘引起的气流扰 动对传声器测量精度有很大的影响。因此, 设计的 取样管必须在不影响主管道流动的条 件下有优良 的透声效果。
图 1 消声器气流再生噪声试验台示意图 F ig. 1 Sketch m ap of test bench of flow regenera tion no ise in m ufflers
7. 风机排 气
试验所需的气流由一台功率为 4. 5 kW 的离心 式风机提供, 借助于消声器上游的皮托管和微型压 差计组件, 通过变频器调节风机转速来控制消声器 入口的气流速度。试验消声器前端采用阻性、抗性 消声器结合的方式降低气流背景噪声, 经反复试验 测得的气流背景噪声已得到有效控制。因此, 本试 验的关键问题是取样管的设计, 取样管是为了传声 器在不影响主管道流场的前提下准确 拾取主管道 中的声压信号。
的声学特性。在消声器的试验 研究中也通常 采用 此方法测得反射系数, 从而计算得到入射声声功率。
双传声器传 递函数法的测 量分析频率范 围与 两传声器之间的间距密切相关, 相互制约 [ 6] 。为了 在较宽的测试频带内有较高的精度, 本试验采用不 同传声器间距组 合的方式。确 定传声器间距 分别 为 0. 25 m、0. 07 m、0. 03 m, 对应的有效分析频率 范围分别为 65 H z- 522 H z、233 H z - 1 865 H z、544 H z- 4 352H z、本试验选取有效分析频率范围为 100 H z- 3 000 H z。 1. 2 试验台总体布置
声气流, 在消声器内部产生的气流再生噪声向消声 器下游管道辐射。若 所施加稳速气流 的背景噪声 相比消声器 气流再生 噪声足 够小 ( 相 差 10 dB 以 上 ) , 即可认为气流是 / 无声 0气流, 则试验测定的量 即为消声器中气流产生的再生噪声。
1980年, J. Y. Chung与 D. A. B laser共同提出利 用双传声器传递函数法 [ 4, 5] 测量阻抗管中吸声系数 和声阻抗的方法。其 主要思想是通过 测量管壁上 两传声器位置处声压的传递函数来确 定吸声材料
表 1 导流透声结构参数 T ab. 1 Param eters of struc ture of liquid
d iversion and sound tran sm ission
结构型式
方案 1 方案 2 方案 3
槽宽 /孔径 /m m 1 1 1. 5
穿槽率 /穿孔率 /( %来自百度文库) 31 33 32
噪声与振动控制
文章编号: 1006-1355( 2010) 05-0116-05
消声器气流再生噪声测试技术研究
第 5期
罗 虹, 赵世举, 赵海军, 杨 杰
(重庆大学 机械工程学院, 重庆 400030)
摘 要: 基于双传声器传递函数法, 发展了一种采用 传声器间距组合的消声器气流再生噪 声测量方 法。通过 对三 种取样管声场和流场分析, 重点比较了其导流透声效 果, 分析表明选取的取样管能真实 反映主管 道内的声压, 且导流透声结构对主管道内声场和流场的影响较小。在无气流条件下, 试验验证了声场仿真计 算的结果。在 设计 的试验台上对一穿孔管消声器测试表明: 研究的 测量方法以及研制的试验台能够较准确地测试消 声器在不同 气流 速度下的气流噪声和再生噪声的叠加噪声。
关键词: 声学; 消声器; 气流再生噪声; 测试技术; 取样管
中图分类号: TH 11 文献标识码: A DO I编码: 10. 3969 / .j issn. 1006- 1355. 2010. 05. 028
Research on the T echnique of F low R egeneration N oise Testing for M ufflers
消声器气流 再生噪声试验 台的总体布置 及构 成如图 1所示。
1. 离心式风机 2. 风机进气消声器 3. 电机 4. 变频器 5. 隔 音墙 6. 风机排 气消声器 (抗性 ) 消声器 (阻性 ) 8. 皮托管 9. 微型压差计 10. 试验消声器 11. 取样管 12. 主管道 13. 消声末端
为研究导流透声结构对主管道内流场的影响, 对主管道及取样 管流场进行流场 分析。模型 尺寸 与声场分析时相 同。流场分析 时主管道入口 为速 度边界条件: 60 m / s, 出 口为 相对 压力 边界 条件: 0 P a。取样管及其 周围主管 道的速度 分布结果 如 图 6。
从图 6中可以看出, 由于管壁上开孔, 导流透声 结构对主管道的流场均有一定的影响, 开孔面积的 大小直接影响到取样管中的 流速和主管道壁 面的 流场。在取样管前 12 mm 到取样管后 10 mm 之间 的主管道边界流场遭到了一定的破坏, 边界层向小 孔 (槽 )中扩散。由于方案 1开槽较长, 取样管中的 速度较大, 最大为 9. 7 m / s, 方案 3中的孔径较大, 取样管中的速度较大, 取样管内流速最大为 7. 1 m / s, 方案 2中的孔径较小, 取样管中的速度最小, 取样 管内流速最大为 2. 4 m / s, 对主管道流场的边界层 的影响也比另两 种方案小。三 种方案中主管 道内 的主体流速分布大体相同, 导流透声结构对主管道 内主流的影响很小。
第 5期
图 2 特征点位置示意图 F ig. 2 Sketch m ap o f position of character po ints
在三种方案中, 主管道中各特征点的声压级相 差很小, 差距在 0. 05 dB 以内, 说明主管道中的声 波以平面波的形式在传播。在取样管前后点 1、点 2、点 4、点 6的声压级与无取样管时主管道中相同 位置处声压级几乎一致, 说明导流透声结构没影响 到声波在主管道中的传播。
为使取样管有优良的导流透声效果, 减小高速 气流条件下由于传声器的安装对测量的影响, 本试 验设计了 3种在主管道管壁上 开口的导流透 声方 案, 方案 1为条形槽, 方案 2和方案 3均为微穿孔, 穿槽 ( 孔 ) 率相差不大, 具体结构参数如表 1所示。 利用 SYSNO ISE 和 ANSYS /CFX 软件分别对这 3 种 结构取样管进行声场和流场分析。
F ig. 5 Sound field calcu lation result o f schem e 3
从图 3- 图 5中可以看出, 三种方案 声压级关 系趋势较为一致, 在 1 000 H z以下时, 取样管中点 7 的声压级与主管道中点 3 的声压级几乎没有差别, 在频率高于 1 000 H z之后, 两者之间的差距随频率 的增大而增加。在频率为 3 000H z时, 两者的差距 最大, 方案 1约 0. 85 dB, 方案 2约 0. 7 dB, 方案 3 约 0. 75 dB。在点 5和点 8之间也有同样的规律。 三种方案都有较好的透声效果, 主管道中的声压信 号能通过开孔 ( 槽 ) 传递到取样管中。仅 从声场方 面考虑, 方案 2 要略优于方案 1 和方案 3。说明取 样管在一定频率范围内能真 实反映主管道中 的声 压, 在高频有一定的误差。 2. 2 流场分析
取样管的重点是 比较取样管中的 声压级与主 管道中的声压级。经过计算, 点 3与点 5、点 7 与点 8的声压级相差很小, 声压级曲线几乎重合, 为了能 在图中有所区分, 图中只比较取样管中点 7 与主管 道中点 3的声压级, 三种不同导流透声结构声场比 较如图 3- 图 5。
图 5 方案 3声场计算结果
Key word s: acoust ics; m uffler; flow regenerat ion no ise; test techn ique; probe tube
由于发动机排气系统中的高速气 流产生的再 生噪声, 使消声器的实际消声效果急剧下降。消声 器内部体积小且结构复杂, 使得气流再生噪声的产 生和传播变得极为复杂。迄今, 国内外对气流噪声 理论及数值计算的研究还不成熟。因此, 试验法是 目前研究消声器气流再生噪声的主要 手段和重要 方法。文献 [ 1] 在自行设计的 试验台上, 对扩张腔
2. 1 声场分析 为研究导流透声结构对主管道内声场的影响,
2010年 10月
噪声与振动控制
以及取样点与主管道中对应点处的声压级关系, 对 主管道及取样管进行声场有限元分析, 分析时主管 道直径为 42 mm, 壁厚为 2 mm, 取主管道长 为 500 mm, 两取样管之间的间距为 70 mm。入口边界条件 为单位速度激励, 出口边界 条件为全吸声, 比较三 种不同 导流 透 声方 案 在图 2 中 各 特征 点 处 的声 压级。
LUO H ong, ZHAO Shi-ju, ZHAO H ai-jun, YANG J ie
( Co llege o fM echanical Eng ineering, Chongq ing Un iversity, Chongqing 40030, Ch ina)
A bstract: B ased on the m ethod of doub le-m icrophone transfer funct ion, a m ethod for flow regeneration no ise m easurem ent in m ufflers is deve loped w ith d ifferen t distances betw een the m icrophones. The flow field and acoustic field o f three type probe tubes are stud ied, and the ir effects o f diversion and sound transm ission are com pared. T he result show s that the selected probe tube can reflect the acoust ic pressure signal in m ain tube tru ly, and the structure o f probe tube has litt le effect on flow field and acoustic field in the m ain tube. Under the no flow cond it ion, the result of acoustic sim u la tion is testif ied. On the designed test bench, a perfo rated mu ff ler w as tested. T he resu lt show s that the deve loped m easurem ent m ethod w ith the test bench can m easure e ffect ively the flow noise, the regenerat ion no ise and the noise of the ir superposition in the mu ffler at various flow velocity.
本文在双传声器传递函数法的基础上, 通过传 声器间距组合, 提高分析频率范围。利用有限元软 件分析比较三种取样管的导流透声结构, 选取并加 工具有良好导流透声结构的取样管, 实现了对消声 器气流再生噪声较精确的测量。
消声器气流再生噪声测试技术研究
117
1 测量原理及试验台布置
1. 1 测试原理 在消声器上游管 道施加一个稳定 流速的低噪
式消声器气流再生噪声进行研究, 但由于测点选在 主管道外, 测得的气流再生噪声与实际的气流再生 噪声有一定的差距, 更无法对气流再生噪声进行定 量分析。文献 [ 2, 3]通过在不同出口阻抗条件下测 量消声器的声学性能, 实现了有流条件下对传递损 失的测量。测点位置选在主管道壁面, 但没有介绍 取样管的具体结构, 也没有分析取样管结构对主管 道声场和流场的影响。
收稿日期: 2009 - 10- 20; 修改日期: 2009- 12- 08 基金项目: 重庆市汽车零部件重大专项资助项目
( CSTC, 2008A B6108 ) 作者简介: 罗虹 ( 1955- ), 男, 重庆 大学副教 授, 主要 研究方向为 汽
车振动与噪声控制。 E-m ai:l cd lh@ 163. com
2 取样管的设计
消声器的气流再 生噪声的测量需 要传声器准 确拾取主管道内的声压 信号。而主管 道内气流速 度较高, 如果在主管道管壁上开孔直接把传声器插 入主管道, 传声器的隔栅及开孔边缘引起的气流扰 动对传声器测量精度有很大的影响。因此, 设计的 取样管必须在不影响主管道流动的条 件下有优良 的透声效果。
图 1 消声器气流再生噪声试验台示意图 F ig. 1 Sketch m ap of test bench of flow regenera tion no ise in m ufflers
7. 风机排 气
试验所需的气流由一台功率为 4. 5 kW 的离心 式风机提供, 借助于消声器上游的皮托管和微型压 差计组件, 通过变频器调节风机转速来控制消声器 入口的气流速度。试验消声器前端采用阻性、抗性 消声器结合的方式降低气流背景噪声, 经反复试验 测得的气流背景噪声已得到有效控制。因此, 本试 验的关键问题是取样管的设计, 取样管是为了传声 器在不影响主管道流场的前提下准确 拾取主管道 中的声压信号。
的声学特性。在消声器的试验 研究中也通常 采用 此方法测得反射系数, 从而计算得到入射声声功率。
双传声器传 递函数法的测 量分析频率范 围与 两传声器之间的间距密切相关, 相互制约 [ 6] 。为了 在较宽的测试频带内有较高的精度, 本试验采用不 同传声器间距组 合的方式。确 定传声器间距 分别 为 0. 25 m、0. 07 m、0. 03 m, 对应的有效分析频率 范围分别为 65 H z- 522 H z、233 H z - 1 865 H z、544 H z- 4 352H z、本试验选取有效分析频率范围为 100 H z- 3 000 H z。 1. 2 试验台总体布置
声气流, 在消声器内部产生的气流再生噪声向消声 器下游管道辐射。若 所施加稳速气流 的背景噪声 相比消声器 气流再生 噪声足 够小 ( 相 差 10 dB 以 上 ) , 即可认为气流是 / 无声 0气流, 则试验测定的量 即为消声器中气流产生的再生噪声。
1980年, J. Y. Chung与 D. A. B laser共同提出利 用双传声器传递函数法 [ 4, 5] 测量阻抗管中吸声系数 和声阻抗的方法。其 主要思想是通过 测量管壁上 两传声器位置处声压的传递函数来确 定吸声材料
表 1 导流透声结构参数 T ab. 1 Param eters of struc ture of liquid
d iversion and sound tran sm ission
结构型式
方案 1 方案 2 方案 3
槽宽 /孔径 /m m 1 1 1. 5
穿槽率 /穿孔率 /( %来自百度文库) 31 33 32