进气系统的NVH分析与控制-庞剑

根据工作原理： 抗性消音器 阻性消音器
A.扩张消音器 : 用于消除宽频 带噪声
B.旁支管消音器 : 用于消除窄频带噪声
B1.赫尔姆兹消音器
B2.四分之一波长管
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21
2.阻性消音器
• 原理:内部安装了一些吸声材料，当声 波通过消音器时，一部分声能被吸 收，从而达到消音效果
• 用于消除高频噪声
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传递损失TL与声压级差LD的比较
共同点:
• 传递损失和声压级差值是用来评价单个或者几个消音元件的消音效果。 • TL和LD与声源没有关系
差别: TL的尾端是全吸声结构，没有声发射 LD的尾端为任何结构。尾端结构影响到LD的测量结果。
• LD:容易测量 • TL：容易计算
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Az n + B + Cz 0 z n + Dz 0 A' z n + B'+C ' z0 z n + D' z0
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声压级差值 : LD
LD:声压级差值指系统中任意两点声压级的差值
声源
管道
麦克风
声学元件
麦克风
LD
= L p1
− L p2
= 20 log 10
P1 P2
这种方法不包括声源 管道终端的声学特性会影响到测量值 这种方法非常简单，实际工作中经常用到这种方法
排气尾管)的声学特征
因此这种方法是描述整个系统消音效果的最佳表达方式。
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插入损失的计算
插入损失可以用前面介绍的四端网络方法计算：
⎧ ⎨ ⎩
pn vn
⎫ ⎬ ⎭
=
⎡A ⎢⎣C
B D
⎤ ⎥ ⎦
⎧ ⎨ ⎩
p0 v0
⎫ ⎬ ⎭
po u0 z0
……
pn un zn
IL = 20 log 10
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声压级
上面三种方法通常用于评价消音元件的消音效果或者是消音元件对整 个系统的影响。这三个值是相对值。
可是在评价一个系统时，最关心的是出声口处的声压级，如进气系统 中进气口的声压和排气系统中排气尾管口的声压。声压值是绝对值。
进气系统的进气口噪声 排气系统的排气尾管噪声
600
-4
Frequency (Hz)
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传递损失与插入损失的比较
TL只取决于消音元件的结构、媒体的阻抗率和截面积。 TL与消音元件在一个系统中的位置没有关系。
IL取决于整个系统 IL则取决于消音元件的传递损失和它在系统中的位置。同一个消音
元件在不同的位置，系统的插入损失是不一样的。
(1 + S1 4 S1
S2 )2 S2
传递损失仅仅取决于截面积之比 下面两种结构的传递损失是相同的
S1 S2
S1
S2
• TL 与管道的截面积没有关系，但截面积之比 • 当 S1=S2, TL = 0. 直管就是这种情况。
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TL特征
传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性 它只与自身的结构有关 在评价单个消音元件的消音效果或者初步评估系统的消音性能时，通常用
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⎡ ⎢
⎜⎛
⎢⎜ TL = 10 log 10 ⎢1 + ⎜
⎢⎜
⎢ ⎣
⎜⎝
S cV
/ lc
⎟⎞
2
⎤ ⎥
2S p f − fr
⎟⎥ ⎟⎥ ⎟⎥
fr
f
34
⎟⎠
⎥ ⎦
赫尔姆兹消音器
IL
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
100
连接管截面积的影响
dc=3cm dc=4cm dc=5cm dc=6cm
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TL
扩张消音器
1st 模态的最大值
35
30
25
20
15
10
5
0
0
500
1000
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fc
=
2n −1 4
c L
1500
• 长度越长，中心频率越低 • 长度越长，TL频带越窄 • 对所有长度，其幅值是一样的
L=1.5 L=2.0 L=2.5
2000
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扩张消音器
TL
=
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4
传递损失：TL
传递损失表明声音经过消音元件后声音能量的衰减，即入射声功率级和透射声功率级
的差值
TL
=
10
log 10
Wi Wt
= LWi
− LWt
传递损失简化为：
TL
= 10 log 10
(S1 + S2 )2 4S1S 2
R = S1z2 − S 2 z1 S1z2 + S 2 z1
TL
=
10
log 10
1 TW
= 10 log 10 (1 +
1 4
(1 m
−
m)2
sin
2
2πL ) λ
m = S2 S1 m = D 2 d 2 对圆管和扩张腔
TL 取决于: •m •L • 频率(或者波长)
S1
S2
S3
L
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扩张消音器
扩张比对传递损失的影响
TL
=
10 log 10
23
扩张消音器
结构
S1
pi pr
入管
p2i
S2
p2r
扩展腔
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 一部分能量被反射回进气管
出管
pt S3
Z=1 p=1ρc
Su S
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扩张消音器
传递损失
Tw
=
1+
1
(sin 2
kL
4 S2 S1
此时的频率为
f = 2π
M ACc
f = c Sc
2π Vl c
M
A
=
lc Sc
Cc
=
V c2
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赫尔姆兹消音器
⎡ ⎢
⎜⎛
传递损失 : TL
⎢⎜ TL = 10 log 10 ⎢1 + ⎜
⎢⎜
影响赫尔姆兹消音器消音频率和传递损失TL的参数 :
⎢ ⎣
⎜⎝
• 容器的容积V、
S cV
/ lc
反射波
截面变化
透过波 pt
S2
阻抗Z2
反射系数：反射波声压的幅值与入射波声压的幅值之比 透声系数：透射波声压的幅值与入射波声压的幅值之比
假设
R = pr pi
T = pt pi
媒体都是空气
变截面两边的声学阻抗率相等 : z1 = z 2 = ρc
R = S1 − S2 S1 + S2
T = 2S1 S1 + S2
• 前消 • 后消
19
消音器的分类
根据是否需要额外的能量划分：
1.被动消音器、 2.主动消音器 :
原理: • 电子控制系统, • 产生第二个声源
3.半主动消音器 例子：双模态消音器
扬声器
误差传感器
控制装置
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控制阀
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被动消音器的分类
1.抗性消音器
原理:声阻抗发生变化 主要用于消除低频噪声
10 log10
1 TW
= 10 log10 (1 +
1 4
(1 m
−
m) 2
sin 2
2πL ) λ
TL=0 at
sin 2πL = 0
λ
35
30
2πL = (n − 1)π
λ
25
20
L = n −1λ
2
15
10
5
0 0
L=1.5 L=2.0 L=2.5
500
1000
1500
2000
λ / 2, λ , 3λ / 2,L
⎟⎞
2
⎤ ⎥
2S p f − fr
⎟⎥ ⎟⎥ ⎟⎥
fr
f
⎟⎠
⎥ ⎦
• 连接管道的长度、
VV
• 连接管道截面积
• 主管的截面积
Ac
lc
Sp
TL 与下面的因素没有关系: • 传递损失与消音容积的形状没有关系 • 管道的形状
但是：特殊的形状会影响到TL
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33
TL
赫尔姆兹消音器
40 35 30 25 20 15
传递损失。 传递损失是评价消音元件消音效果最简单的一种方法。
TL 测量
声源
管道
麦克风
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声学元件
麦克风
全消音
7
插入损失 : IL
IL:插入损失是指一个系统中插入了消音元件之前和之后，在出口
处得到的声功率级(或者声压级)的差值
没有安装消音元件系统在测量点的声功率： LW1
声源
管道
麦克风
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1. 管道声学元件的评估 2. 进气系统和排气系统中的消声元件 3. 进气系统的NVH分析
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进气系统 :
赫尔姆兹消音器 （谐振腔） 四分之一波长管 空气过滤器 (扩张消音器 )
排气系统 :
抗性消音器(Resonator) 阻性消音器(Muffler)
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ft
=
n −1 2
c L
TL
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旁支消音器
旁支消音器是将消音器接在进排气主管上 抗性消音器
两种旁支消音器:
赫尔姆兹消音器（谐振腔） 四分之一波长管
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赫尔姆兹消音器
历史悠久的消音器 广泛应用在进气系统和排气系统之中
结构
容器 短管
消音器是怎样工作的？ 赫尔姆兹消音器类似于动力减振器
吸声材料
混合消音器
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消音元件的设计要求
1.声学要求 :
• 传递损失、噪声降低量和插入损失
2.空气流动要求
• 传递损失、噪声降低量和插入损失
3.机械和材料方面的要求
• 材料在这样的高温气体环境中很容易腐蚀 • 刚度辐射噪声 • 一定的和强度要求
4.成本的要求 5.安装空间的限制
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200
300
Frequency (Hz)
传递损失最大值所对应的频率是随著 截面积增加而增加
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例子
L=40cm dm=7cm V=5 liters dc=3,4,5 cm
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V
Sc
lc
弹簧 质量
m2
k2
c2
m1
k1
c1
x2 x1
u
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赫尔姆兹消音器
赫耳姆兹消音器的质量声阻抗由三部分组成：容器的质量声阻 抗(声容)，连接管的质量声阻抗和辐射质量声阻抗
Z
= ZM
+ Zc
+ RA
=
RA
+
jωM A
−j
ωCc
=
4πf 2
c2
+
j(ωM A
− 1)
ωCc
当声抗为零时，系统达到共振
T = 2S1z2 S1z2 + S 2 z1
Tw
= Wt Wi
=
S 2 z1 T 2 S1 z 2
TL
=
10 log 10
1 Tw
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5
TL 讨论
TL
= 10 log 10
(S1 + S2 )2 4S1S 2
= 10 log 10
(1 + S 2 4 S2
S1 ) 2 S1
= 10 log 10
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15
传递损失与插入损失的比较
• TL 容易计算, 但难于测量
声源
管道
麦克风
消音器
Microphone
困难
全吸声
• IL容易测量，但计算困难
IL = 20 log 10
Az n + B + Cz 0 z n + Dz 0 A' z n + B'+C ' z0 z n + D' z0
苦难
LW1
安装了消音元件后在同一点测量的声功率
LW2
声源
管道
声学元件
麦克风
LW2
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8
插入损失: IL
IL
=
L w1
− LW2
=
10
log 10
W1 W2
插入损失的特征：
与传递损失只考虑消音元件本身不同，插入损失是考虑一个系统。 除了消音元件本身外，插入损失还包括了声源和出声口(如进气口和
1 TW
=
10 log 10 (1 +
1 4
(1 m
−
m)2
sin
2
2πL ) λ
35
30
25
m
增加扩张比的途径有两条 m 1.增加扩张器的截面积 S2
20
15
10
5
限制：安装空间
0
0
2
4
6
8
TL
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2.减小管道的截面积 S1 限制：气流的速度太快 ,摩擦功率损失增加
26
扩张消音器
扩张器长度对传递损失的影响
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12
传递损失与插入损失的比较
TL永远是正数:
当管道截面没有变化的时候，传递损失为零。 只要截面发生变化，传递损失就存在而且永远是正数，也就是
说总是有消音效果
插入损失IL可以是正数也可以是负数： 正数表明加入消音元件后，声音被衰减。 负数表明加入消音元件后，系统的声音被放大
容积V的影响
4 liters 5 liters 6 liters 7 liters
例子
L=30cm dc=4cm dm=7cm V=4,5,6,7 liters
10
5
0
f = c Sc
0
50
100 150 200 250 300
Frequency (Hz)
2π Vlc
传递损失最大值所对应的频率是随著 容积增加而降低
进气系统的NVH分析
庞 剑 博士
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1
1. 管道声学元件的评估 2. 进气系统和排气系统中的消声元件 3. 进气系统的NVH分析
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2
管道声学元件或者系统的四种评价方法
1. 传递损失 2. 插入损失 3. 声级压差 4. 声压级
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3
声波在管道中的传递
S1 入射波pi 阻抗Z1 pr
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13
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