CN111237103A - 一种基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，包括：获取进气系统的初始方案的进气口噪声；分析所述初始方案的进气口噪声中是否存在声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声，如果是，则确定声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声所对应的问题频率；进行进气系统声学模态仿真计算；查看问题频率下的进气系统声学模态声压云图分布，初步确定针对问题频率的消声元件的前三佳位置；结合机舱布置空间确定针对问题频率的消声元件的最佳位置，然后结束优化设计。采用本发明能实现消声元件位置的精准化，便于发挥最大的消声作用，提高整车声品质。
Description
技术领域
本发明属于汽车进气系统领域，具体涉及一种基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法。
背景技术
自然吸气发动机的进气口低频轰鸣声及中频共振声尤为突出，往往成为车内轰鸣声的主要贡献源。为了解决进气口的低频轰鸣声及中频共振声问题，通常需要在进气系统上增加消声元件。而消声元件的位置直接影响消声元件在整个进气系统中的消声作用，进而影响到整车声品质及整个进气系统的成本。传统的消声元件布置方式为：基于现有机舱布置空间，哪里有位置就加在哪里；各类消声元件的位置不固定，没规律，无理论支撑。此种布置方式很难保证消声元件起到最大的消声作用，且后期很难再优化出最佳位置或者改动成本巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，以实现消声元件位置的精准化，便于发挥最大的消声作用，提高整车声品质。
本发明进行消声元件位置优化设计所应用到的理论基础有：一维平面波理论、进气系统管道声学理论及消声元件的消声原理。
一维平面波理论：在汽车进、排气管道所考虑的频率范围内，声波的波长远远大于这些管道的直径；因此，在管道中，声波被认为以平面波的形式进行传播。
进气系统管道声学模态理论：对于整个进气系统(从进气进口到进气门)等效为开口-封闭管道声学模型，声波在开口-封闭管道中进行传播。开口-封闭管道对应的声学模态共振频率为f＝(2n-1)c/4L；其中，c为声速，L为管道长度，n为自然数。n＝1，2，3，...，分别对应第一阶、第二阶、第三阶…等阶次频率。通常进气系统的低频轰鸣声及中频共振声都是由进气系统的声学模态引起。
谐振腔(属于消声元件)的消声原理：谐振腔是在管道中设置一个与其相同的密闭空腔，当声波的波长比密闭空腔的几何尺寸大得多时(通常为3倍以上)可以把密闭空腔看成一个集中参数系统，密闭空腔内的声波运动可以忽略。当气流经过小孔时，小孔孔颈中的气体在声压作用下象活塞一样往复运动，具有一定的声质量；密闭空腔类似空气弹簧，具有一定的声顺。当声波的频率与谐振腔的固有频率相同时，便发生共振。在共振频率及其附近，空气振动的速度达到最大，这时消耗的声能最多，噪声衰减最大。
因此，本发明所述的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，包括：
第一步、获取进气系统的初始方案的进气口噪声。
第二步、分析所述初始方案的进气口噪声中是否存在声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声(即是否存在明显的峰值噪声)，如果是，则执行第三步，否则结束优化设计。
第三步、确定声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声所对应的问题频率。
第四步、进行进气系统声学模态仿真计算。
第五步、查看问题频率下的进气系统声学模态声压云图分布，初步确定针对问题频率的消声元件的前三佳位置。
第六步、结合机舱布置空间确定针对问题频率的消声元件的最佳位置，然后结束优化设计。
优选的，所述的前三佳位置为问题频率下声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置。
优选的，所述初始方案的进气口噪声以及进气系统声学模态仿真计算可以通过以下两种方式获得：第一种，通过搭建发动机及进气系统的一维仿真分析模型，利用一维有限元法仿真分析获取所述初始方案的进气口噪声，而后通过一维有限元法仿真计算所述进气系统声学模态；第二种，通过进行进气口噪声测试获取所述初始方案的进气口噪声，而后通过建立进气系统的声学有限元模型，利用三维有限元法仿真计算所述进气系统声学模态。对于自研的发动机，由于发动机参数已知，可以搭建发动机及进气系统的一维仿真分析模型，因此通常采用第一种方式，一维有限元法仿真分析能在数字样车阶段参与进气系统的前期开发。对于外购的发动机，由于发动机参数保密性原因，很难搭建发动机及进气系统的一维仿真分析模型，因此通常采用第二种方式，三维有限元法更倾向于无发动机仿真模型的实车进气口噪声问题整改。
本发明与现有技术相比具有如下效果：
(1)能够快速预测消声元件的最佳位置，实现消声元件位置的精准化设计，便于消声元件发挥最大的消声作用，提高整车声品质。
(2)便于在进气系统设计初期进行合理的方案输入，以便进行机舱的整体布置，做到一次设计到位。
(3)突破了传统的消声元件布置方法及在实车上进行反复验证以及后期进行大量改动的局限性，缩短了进气系统的开发周期，降低了进气系统的开发成本。
附图说明
图1为进气系统的结构示意图。
图2为发动机转速、阶次及频率的频谱关系图。
图3为实施例1中消声元件位置优化设计的流程图。
图4为实施例1中初始方案的空滤器总成在67Hz处的一维声学模态声压云图。
图5为实施例1中初始方案的空滤器总成在430Hz处的一维声学模态声压云图。
图6为实施例1中初始方案的进气口噪声仿真分析结果图。
图7为实施例1中优化方案的进气口噪声仿真分析结果图。
图8为实施例2中消声元件位置优化设计的流程图。
图9为实施例2中初始方案的进气口噪声测试结果图。
图10为实施例2中初始方案的空滤器总成在67Hz处的三维声学模态声压云图。
图11为实施例2中初始方案的空滤器总成在430Hz处的三维声学模态声压云图。
图12为实施例2中初始方案与优化方案的传声损失仿真分析结果对比图。
图13为实施例1、实施例2的优化方案中空滤器总成的结构示意图。
图14为实施例1、实施例2中优化方案的进气口噪声测试结果图。
具体实施方式
如图1所示，自然吸气发动机的进气系统主要包含进气歧管总成8、节气门体7和空滤器总成，常规的空滤器总成包括进气进管1、第一谐振腔2、空滤器本体3、进气出管4、第二谐振腔5和与节气门体7连接的柔性连接管6。对于进气口噪声的优化，通常只针对空滤器总成进行优化改进；进气系统的初始方案中空滤器总成只包括进气进管1、空滤器本体3、进气出管4、柔性连接管6，无任何消声元件(如第一、第二谐振腔等)。进气系统的优化方案即为在初始方案基础上增加消声元件(如谐振腔、四分之一波长管等)。消声元件位置优化设计主要从两个方向进行，第一个方向是自研的发动机，第二个方向是外购的发动机。下面以同一项目的两个方向进行详细说明。
实施例1：如图3所示的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，用于自研的发动机，包括：
第一步，搭建发动机及进气系统的一维仿真分析模型，利用一维有限元法仿真分析获取进气系统的初始方案的进气口噪声。其进气口噪声的一维仿真分析结果见图6。
第二步、分析进气系统的初始方案的进气口噪声中是否存在声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声(即是否存在明显的峰值噪声)，如果是，则执行第三步，否则结束优化设计。从图6可以得出：在4500rpm前，进气口噪声总声压级超出目标值要求2～15dB(A)，且2000rpm、2600rpm、3200rpm、4300rpm附近存在明显的峰值噪声(即声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声)；因此，需要进行优化；其中，2000rpm附近的峰值噪声由2阶噪声贡献，2600rpm、3200rpm、4300rpm附近的峰值噪声分别由对应转速下的10阶、8阶、6阶噪声贡献。
第三步、确定声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声所对应的问题频率。由图2所示的发动机转速、频率、阶次之间的关系，可以得出这些明显的峰值噪声所对应的问题频率约为67Hz及430Hz。
第四步、通过一维有限元法仿真计算进气系统声学模态。
第五步、查看问题频率下的进气系统声学模态声压云图分布，初步确定针对问题频率的消声元件的前三佳位置。在问题频率67Hz、430Hz处的一维声学模态声压云图分别如图4、图5所示，图中颜色越深代表该位置的声压幅值有效值越大，质点振动越强烈。从图4、图5中可以得出67Hz、430Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置分别见表1、表2。
表1 67Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置
表2 430Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置
第六步、结合机舱布置空间确定针对问题频率的消声元件的最佳位置，然后结束优化设计。针对67Hz的消声元件(即固有频率为67Hz的消声元件)，考虑机舱布置空间，如果空滤器本体周围有能够容纳消声元件的空间，则将空滤器本体作为该消声元件的最佳位置，如果空滤器本体周围的空间不够容纳消声元件，而靠近空滤器本体侧的进气进管周围有能够容纳消声元件的空间，则将靠近空滤器本体侧的进气进管作为该消声元件的最佳位置，如果空滤器本体周围的空间不够容纳消声元件，且靠近空滤器本体侧的进气进管周围的空间也不够容纳消声元件，则将靠近空滤器本体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置。针对430Hz的消声元件(即固有频率为430Hz的消声元件)，考虑机舱布置空间，如果进气进管中段周围有能够容纳消声元件的空间，则将进气进管中段作为该消声元件的最佳位置，如果进气进管中段周围的空间不够容纳消声元件，而靠近空滤器本体侧的进气出管周围有能够容纳消声元件的空间，则将靠近空滤器本体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置，如果进气进管中段周围的空间不够容纳消声元件，且靠近空滤器本体侧的进气出管周围的空间也不够容纳消声元件，则将靠近节气门体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置。由于本实施例中问题频率都在500Hz以下，因此都采用谐振腔这种消声元件。根据表1、表2，并结合机舱布置空间，得出本项目中：固有频率为67Hz的谐振腔的最佳位置为空滤器本体上，固有频率为430Hz的谐振腔的最佳位置为靠近空滤器本体侧的进气出管上。至此本项目中的消声元件位置优化设计完成。
在消声元件的位置确定后，利用谐振腔共振频率f与谐振腔喉管面积S、喉管长度L、谐振腔体积V及声速c的关系公式：
设计消声元件的几何尺寸参数(该设计方式为本领域的公知技术)，最终形成进气系统的优化方案，如图13所示。进气系统的优化方案中空滤器总成包括进气进管1、空滤器本体3、进气出管4、柔性连接管6、设置在空滤器本体3上的固有频率为67Hz的谐振腔9和设置在靠近空滤器本体侧的进气出管4上的固有频率为430Hz的谐振腔10。
对进气系统的优化方案的进气口噪声进行仿真分析，其仿真分析结果如图7所示。由图7可以看出加了固有频率为67Hz的谐振腔9及固有频率为430Hz的谐振腔10后，其消声效果非常好，进气口噪声声压级明显降低且无明显的峰值噪声，满足目标值要求。
最后，制作进气系统的优化方案的快速成型样件并进行试验验证。进气系统的优化方案的进气口噪声测试结果见图14。由图7、图14可知，进气系统的优化方案的仿真分析结果与测试结果非常吻合，说明运用声学模态进行消声元件位置的优化设计具备可行性。
实施例2：如图8所示的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，用于外购的发动机，包括：
第一步、进行进气口噪声测试，获取进气系统的初始方案的进气口噪声。其进气口噪声测试结果见图9。
第二步、分析进气系统的初始方案的进气口噪声中是否存在声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声(即是否存在明显的峰值噪声)，如果是，则执行第三步，否则结束优化设计。从图9可以得出：1500～4600rpm范围内，进气口噪声总声压级超出目标值要求2～10dB(A)；且1980rpm、2600rpm、3200rpm、4350rpm附近存在明显的峰值噪声(即声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声)；因此，需要进行优化。其中，1980rpm附近的峰值噪声由2阶噪声贡献，2600rpm、3200rpm、4350rpm附近的峰值噪声分别由对应转速下的10阶、8阶、6阶噪声贡献。
第三步、确定声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声所对应的问题频率。由图2所示的发动机转速、频率、阶次之间的关系可以得出这些明显的峰值噪声所对应的问题频率约为67Hz及430Hz。
第四步、建立进气系统的声学有限元模型，利用三维有限元法仿真计算进气系统声学模态。
第五步，查看问题频率下的进气系统声学模态声压云图分布，初步确定针对问题频率的消声元件的前三佳位置。在问题频率67Hz、430Hz处的三维声学模态声压云图分别如图10、图11所示，图中颜色越深代表该位置的声压幅值有效值越大，质点振动越强烈。从图10、图11中可以得出67Hz、430Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置分别见表3、表4。
表3 67Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置
表4 430Hz处声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置
第六步、结合机舱布置空间确定针对问题频率的消声元件的最佳位置，然后结束优化设计。针对67Hz的消声元件(即固有频率为67Hz的消声元件)，考虑机舱布置空间，如果空滤器本体周围有能够容纳消声元件的空间，则将空滤器本体作为该消声元件的最佳位置，如果空滤器本体周围的空间不够容纳消声元件，而靠近空滤器本体侧的进气进管周围有能够容纳消声元件的空间，则将靠近空滤器本体侧的进气进管作为该消声元件的最佳位置，如果空滤器本体周围的空间不够容纳消声元件，且靠近空滤器本体侧的进气进管周围的空间也不够容纳消声元件，则将靠近空滤器本体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置。针对430Hz的消声元件(即固有频率为430Hz的消声元件)，考虑机舱布置空间，如果进气进管中段周围有能够容纳消声元件的空间，则将进气进管中段作为该消声元件的最佳位置，如果进气进管中段周围的空间不够容纳消声元件，而靠近空滤器本体侧的进气出管周围有能够容纳消声元件的空间，则将靠近空滤器本体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置，如果进气进管中段周围的空间不够容纳消声元件，且靠近空滤器本体侧的进气出管周围的空间也不够容纳消声元件，则将靠近节气门体侧的进气出管作为该消声元件的最佳位置。由于本实施例中问题频率都在500Hz以下，因此都采用谐振腔这种消声元件。根据表3、表4，并结合机舱布置空间，得出本项目中：固有频率为67Hz的谐振腔的最佳位置为空滤器本体上，固有频率为430Hz的谐振腔的最佳位置为靠近空滤器本体侧的进气出管上。至此本项目中的消声元件位置优化设计完成。
在消声元件的位置确定后，利用谐振腔共振频率f与谐振腔喉管面积S、喉管长度L、谐振腔体积V及声速c的关系公式：
设计消声元件的几何尺寸参数(该设计方式为现有技术)，最终形成进气系统的优化方案，如图13所示。进气系统的优化方案中空滤器总成包括进气进管1、空滤器本体3、进气出管4、柔性连接管6、设置在空滤器本体3上的固有频率为67Hz的谐振腔9和设置在靠近空滤器本体侧的进气出管4上的固有频率为430Hz的谐振腔10。
对进气系统的优化方案进行传声损失仿真分析，传声损失(TL)值越大，消声效果越好。本实施例中为了突出优化方案的消声效果，同时计算了初始方案的传声损失。优化方案与初始方案的传声损失对比见图12，由图12得出，在67Hz及430Hz附近，优化方案的传声损失都在30dB以上，较初始方案的消声量有明显提升，消声效果很好。
最后，制作进气系统的优化方案的快速成型样件并进行试验验证。进气系统的优化方案的进气口噪声测试结果见图14。由图14可知，进气系统的优化方案的进气口噪声满足目标值要求且无明显的峰值噪声，说明运用声学模态进行消声元件位置的优化设计具备可行性。
Claims (6)
1.一种基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，其特征在于，包括：
第一步、获取进气系统的初始方案的进气口噪声；
第二步、分析所述初始方案的进气口噪声中是否存在声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声，如果是，则执行第三步，否则结束优化设计；
第三步、确定声压级大于设定的声压级阈值的峰值噪声所对应的问题频率；
第四步、进行进气系统声学模态仿真计算；
第五步、查看问题频率下的进气系统声学模态声压云图分布，初步确定针对问题频率的消声元件的前三佳位置；
第六步、结合机舱布置空间确定针对问题频率的消声元件的最佳位置，然后结束优化设计。
2.根据权利要求1所述的基于进气系统声学模态的元件位置优化设计方法，其特征在于：所述的前三佳位置为问题频率下声压幅值有效值由大到小的位置排序中的前三个位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，其特征在于：通过搭建发动机及进气系统的一维仿真分析模型，利用一维有限元法仿真分析获取所述初始方案的进气口噪声。
4.根据权利要求1或2所述的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，其特征在于：通过进行进气口噪声测试获取所述初始方案的进气口噪声。
5.根据权利要求3所述的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，其特征在于：通过一维有限元法仿真计算所述进气系统声学模态。
6.根据权利要求4所述的基于进气系统声学模态的消声元件位置优化设计方法，其特征在于：通过建立进气系统的声学有限元模型，利用三维有限元法仿真计算所述进气系统声学模态。
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