汽车空气动力噪声

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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
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。


流场:呈振荡状
声场:两级相反
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)。气流的三维分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
噪声,多为车速在40→80km/h开始产生
C:音速 S:开口面积 V:驾驶室或车舱容积 H:开口口的长度
气动噪声特征 (狭带)
5、振动噪声
流动通过圆柱时在下流产生规则的涡,
v f Sr D S r:斯特劳哈尔数 v:气流流速 D:特征长度
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
1、进气空气动力噪声(与发动机点火频率相同)
nz f 2k 60 * i
n:转速
z:发动机缸数
i: 发动机冲
程系数(四冲程为2) k: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800-1000Hz以上(大约)
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,滤清器的容积达到发动机容积的五倍以上,就能达 到良好的消音效果,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
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截面速度矢量图
涡流
截面的速度矢量图来看:减小气流的涡流区域,减小气流分离面
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进气噪声
1、进气系统
发动机是汽车的心脏,而进气系统则是发动机的动脉,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。
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多次反射,产生波动噪声。 进气噪声与发动机的进气方式、进气门结构、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10—15dB(A)
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
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 二维分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
(1)流场中实际存在的声源为以上各种声源的集合体,由于三维分离 流动在汽车车速范围内(60→350km/h),气流分离点、面位置基本固定在 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。
+ +

-
-

流场:呈双振荡状
声场:两极或四极
气动噪声特征(狭带,特定频率域产生的狭带域音)
1、边缘音
1 U f (i 0.25) 4 L i 0,1,2, U:流速
L
2、气动噪声特征(狭带)
2、空腔谐振声
U f 0.6(i 0.25) L U : 流速 L : 空腔特征长度 i 0,1,2,3
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。
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,让洁净的空气 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
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 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。
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
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,从而达到消音目的。
四分之一波长管
这个旁支管的传递损失为:
2 1 2L TL 10 log1 0 1 m tan 4
L
d
Lb
D
假设只考虑进入管插入即 Lb 0 这时的传递损失简化为:
La
2 2L 2 sin 1 TL 10 lg 1 0.25 m 2La m ) cos(
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
第一轮外后视镜
第二轮外后视镜

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,从而减小了后视镜表面的气动噪声; 计算第二轮后视镜表面最大宽频噪声;
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流动迹线
迹线 外后视镜
(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 侧面经过,不要再吹向玻璃,再附着在玻璃上。 (2)迹线要求流线明显,反映较低的风阻系数
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
2L 2n 1 (n=1,2,3…)时,传递损失达到最大,旁支管长为: 2

2n 1 L 4
四分之一波长管共振的频率为:
f0 (2n 1)c 4L
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
U L
气动噪声特征(狭带)
3、亥姆霍兹共鸣
f
C 2
s v ( H 0 .8 D )
C:音速 S:断口面积 D:断口直径 V:断口容积 H:断口的长度
气动噪声特征 (狭带)
4、窗漏音
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
C f 2
s v( H 0.96 S )
a U
b
气动噪声特征 (广带,三维分离具有音域广的特性)
流场中实际存在的声源为以上各种声源的集合体,大部分是双极子 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、二维分离流动
以及三维分离流动,见表
气动噪声特征 (广带,三维分离具有音域广的特性)
长度L。扩张比越大越好,有两种办法提高扩张比: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。
传递损失可以用以下公式来表达:
2 2L sin 2 1 TL 10 lg 1 0.25 m 2La 2Lb m cos( ) cos( )
气动噪声特征 (广带,三维分离具有音域广的特性)
(1)汽车表面的脉动压力:当汽车高速行驶,车身和周围的空气相对 作用,产生气流分离,涡流,涡流湍流相互作用,形成强大的脉动压力。 (2)汽车表面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)渗漏噪声分两部分: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)缝隙气流分离(二维, 三维)产生双极子和四极子声源
对二维流动的干预
在天线上缠绕螺旋线
在天窗上装置合适材料
特性的双层密封条
对三维流动的干预
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
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,
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,需要对开口端进行 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:
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):
f= (C/2π )*(S/(L*V))1/2 L 其中:C-为空气中的音速 L-接管长度
v
S-接管平均断面积
V-谐振腔的容积 f-谐振频率 空滤
s
谐振腔
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 La
时传递损失达到最大值,对应的频பைடு நூலகம்为
c f 4 La

4
L
d
Lb
D
空中声波长约为 250mm
La
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
于在系统中加入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
计算结果-风阻系数
后视镜表面风阻
第一轮外后视镜
Cd=0.01238
第二轮外后视镜
Cd=0.01292
第二轮外后视镜表面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0.28~0.32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;
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计算结果-表面宽频噪声分布云图
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