CN103577619B - 基于半无限元法的发动机阶次仿真方法 - Google Patents

基于半无限元法的发动机阶次仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种仿真方法。基于半无限元法的发动机阶次仿真方法，包括如下步骤：1）瞬态的发动机run‑up从怠速到发动机最大转速；2）在发动机舱内放置吸声和隔声材料用以隔离其他的噪声源；3）把试验待测直管和增压器入口直接相连；4）在直管的进气口100mm/0度的地方放置测量麦克风用以和仿真结果对比；5）在直管的增压器端放置压力传感器以得到声压激励用于半无限元的声学仿真计算。由于采用上述技术方案，本发明对发动机进气系统的进气口噪声进行相对精确的仿真，为空气滤清器的开发控制提供较为可靠的依据。

Description

基于半无限元法的发动机阶次仿真方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种仿真方法。
背景技术
发动机的进气系统通常可以提供如下功能：为发动机提供新鲜干净的空气；分离来自进气口的水或雪；空气流量计的安装；提供压力差用以曲轴箱的通风；降低来自发动机燃烧的噪声。
如果空气滤清器的设计不合理，那么发动机的噪声通过空气滤清器传至环境，影响发动机的舒适性以及通过噪声。随着用户对开车舒适性的要求越来越高，发动机进气口噪声的模拟也就越来越重要了。
现有的声学技术中，对进气口噪声相对精确地模拟较为粗糙，主要的原因是从声学激励到进气口测量点的声学传递函数的获取没有相对精确的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于半无限元法配合声学边界元的发动机进气口噪声的阶次仿真方法，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来验证：
基于半无限元法的发动机阶次仿真方法，包括如下步骤：
1）瞬态的发动机run-up从怠速到发动机最大转速；
2）在发动机舱内放置吸声和隔声材料用以隔离其他的噪声源；
3）把试验待测直管和增压器入口直接相连；
4）在直管的进气口100mm/0度的地方放置测量麦克风用以和仿真结果对比；
5）在直管的增压器端放置压力传感器以得到声压激励用于半无限元的声学仿真计算；
6）在三维声学仿真模型中，在增压器端放置声压激励，得到该直管进气口端面的声速度，基于此声速度，采用边界元的方法来算出测量点100mm/0度处的声压值，用该声压值除以激励端的声压就得到的从激励端到测量点的声学传递函数，该传递函数直接和步骤5）中得到的激励相乘就得到了测量点在频率域的声压响应；再对该响应结合发动机转速进行阶次分析就可得到测量点的进气口噪声的阶次图。
步骤6）中，也可以采用有限元法直接进行声学传递函数的计算：在直管的进气口处放一个直径为进气口直径6-8倍的半球，球面声压的压力定义为0用以模拟无限大空间。其理论基础是sommerfeld辐射条件（声学的熄灭原理，也即无穷远处无反射波）。
步骤6）中，优选采用半无限元法配合边界元方法关于声学传递函数计算方法：在直管的进气口处放一个直径为进气口直径6-8倍的球，球面定义为RBCBT单元。该单元的特性是必须覆盖在球面上面，其理论基础是声在球面继续向外辐射没有反射波，而只有前行波。有限元方法的缺点在于，在空滤的声学固有频率附近，进气口的声学响应为扩大了；由于半球模态的影响，导致在中频段（500-1000Hz）计算的结果不可靠。本发明优选采用半无限元配合边界元法进行声场测量点的计算，避免了添加的人工半球的声学固有模态的影响。
步骤4）中，在直管的进气口端检测声压信号，对进气口端的声压信号进行阶次跟踪分析，用于和步骤6）中的仿真结果进行比较。
对步骤6）中增压器端放置的压力传感器检测到的压力信号，做傅立叶变化用于仿真计算。
本发明采用上述方法，得到半无限元法结合边界元方法计算出来的进气口噪声的声压级给出了相对比较精确的对比结果；半无限元法计算出来的发动机二阶给出了相对较差的对比结果，原因如下两点：1），流动也能降低噪声辐射，而在计算中并没有考虑；2），传统方法由于人工半球的影响，放大了进气口低频噪声，这样就抬高了进气二阶噪声。有限元法方法所的发动机高阶次分析给出了比较差的对比结果。
有益效果：由于本发明采用上述技术方案，对发动机进气系统的进气口噪声进行相对精确的仿真，为发动机的进气噪声的控制以及空气滤清器的开发提供了相对可靠的依据；
附图说明
图1为本发明两种仿真方法得到的声学传递函数的结果对比图；
图2为本发明采用半无限元法与实验结果基于坎贝尔图的结果比较图；
图3为本发明采用有限元法与实验结果基于坎贝尔图的结果比较图；
图4为本发明发动机阶次的半无限元法与实验结果的对比图；
图5为本发明发动机阶次的有限元法与实验结果的对比图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
基于半无限元法的发动机阶次仿真方法，包括如下步骤：1）瞬态的发动机run-up从怠速到发动机最大转速。2）在发动机舱内放置吸声和隔声材料用以隔离其他的噪声源。3）把试验待测直管和增压器入口直接相连。4）在直管的进气口100mm/0度的地方放置测量麦克风用以和仿真结果对比。5）在直管的增压器端放置压力传感器以得到声压激励用于半无限元的声学仿真计算。6）在三维声学仿真模型中，在增压器端放置声压激励，得到该直管进气口端面的声速度，基于此声速度，采用边界元的方法来算出测量点100mm/0度处的声压值，用该声压值除以激励端的声压就得到的从激励端到测量点的声学传递函数，该传递函数直接和步骤5）中得到的激励相乘就得到了测量点在频率域的声压响应。再对该响应结合发动机转速进行阶次分析就可得到测量点的进气口噪声的阶次图。
本发明采用上述方法，通过麦克风检测试验结果，通过压力传感器检测结果，然后将仿真计算的结果与麦克风的试验结果进行比较，得到最佳的仿真方法。
步骤6）中，可以采用有限元法关于声学传递函数的计算：在直管的进气口处放一个直径为进气口直径6-8倍的半球，球面声压的压力定义为0用以模拟无限大空间。其理论基础是sommerfeld辐射条件（声学的熄灭原理，也即无穷远处无反射波）。
步骤6）中，优选采用半无限元法关于声学传递函数计算方法：在直管的进气口处放一个直径为进气口直径6-8倍的球，球面定义为RBCBT单元。该单元的特性是必须覆盖在球面上面，其理论基础是声在球面继续向外辐射没有反射波，而只有前行波。有限元方法的缺点在于，在空滤的声学固有频率附近，进气口的声学响应为扩大了；由于半球模态的影响，导致在中频段（500-1000Hz）计算的结果不可靠。本发明优选采用半无限元法，避免了添加的人工半球的声学固有模态的影响。
步骤4）中，在直管的进气口端检测声压信号，对进气口端的声压信号进行阶次跟踪分析，用于和步骤6）中的仿真结果进行比较。
对步骤6）中增压器端放置的压力传感器检测到的压力信号，做傅立叶变化用于仿真计算。
本发明采用上述方法，得到半无限元法计算出来的进气口噪声的声压级给出了相对比较精确的对比结果；半无限元法计算出来的发动机二阶给出了相对较差的对比结果，这是因为流动也能降低噪声辐射，而在计算中并没有考虑；有限元法方法所的发动机阶次给出了比较差的对比结果；有限元法方法所计算的发动机二阶相对较高；有限元法方法所计算出来的模态影响到了计算的精度。
参照图1，采用有限元法关于声学传递函数与采用半无限元法关于声学传递函数相对比，采用半无限元法，避免了声学固有模态的影响。
参照图2，采用半无限元法与实验结果，基于坎贝尔图的结果比较中，仿真方法与实验结果相近。
参照图4，基于发动机阶次的半无限元仿真和实验结果相比，发动机二阶给出了相对较差的对比结果，这是因为流动也能降低噪声辐射，而在仿真实验中并没有考虑。
参照图3，采用有限元法与实验结果，基于坎贝尔图的结果比较中，仿真方法由于人工半球和直管的声学模态导致了技术结果偏差较大。
参照图5，基于发动机阶次的有限元仿真和实验结果相比，有限元法方法所的的overall声压级所的到的结果不错，可是这个只是一个巧合，因为该方法所计算的发动机二阶相对较高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.基于半无限元法的发动机阶次仿真方法，包括如下步骤：
1)瞬态的发动机run-up从怠速到发动机最大转速；
2)在发动机舱内放置吸声和隔声材料用以隔离其他的噪声源；
3)把试验待测直管和增压器入口直接相连；
4)在直管的进气口100mm/0度的地方放置测量麦克风，使用压力传感器对麦克风进行检测得到麦克风的试验结果，将麦克风的试验结果和仿真结果对比；
5)在直管的增压器端放置压力传感器以得到声压激励用于半无限元的声学仿真计算；
6)在三维声学仿真模型中，在增压器端放置声压激励，得到该直管进气口端面的声速度，基于此声速度，采用边界元的方法来算出测量点100mm/0度处的声压值，用该声压值除以激励端的声压就得到从激励端到测量点的声学传递函数，该传递函数直接和步骤5)中得到的激励相乘就得到了测量点在频率域的声压响应；再对该响应结合发动机转速进行阶次分析就得到测量点的进气口噪声的阶次图；
步骤6)中，采用半无限元法关于声学传递函数计算方法：在直管的进气口处放一个直径为进气口直径6-8倍的球，球面定义为RBCBT单元，该单元的特性是必须覆盖在球面上面，其理论基础是声在球面继续向外辐射没有反射波，而只有前行波。
2.根据权利要求1所述的基于半无限元法的发动机阶次仿真方法，其特征在于：对步骤6)中增压器端放置的压力传感器检测到的压力信号，做傅立叶变化用于仿真计算。
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