CN114372394A - 一种低流阻进气消声器优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低流阻进气消声器优化方法，包括以下步骤：选用弯曲穿孔管消声器作为设计优化对象；测量汽车在急加速时发动机进气系统的噪声特性，确定噪声峰值频段；确定穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率；根据发动机机舱的布置空间以及进气管道的寸尺，设置穿孔管主管道结构参数；利用响应面分析法计算穿孔消声器的最佳结构设计方案。本发明具有以下积极效果：(1)采用有限元计算方法，能快速预测进气消声器的性能，成本较低。(2)采用响应面分析法，拟合出进气消声器传递损失和压力损失的响应面近似模型，可根据该近似模型进行消声器性能的快速计算。(3)在满足进气系统降噪的要求下，可使进气消声器进气流动阻力达到最低，改善了发动机的进气效率和燃油经济性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机降噪技术领域，特别涉及一种低流阻进气消声器优化方法。
背景技术
发动机噪声作为整车噪声的主要来源，关系到整车NVH性能水平的高低。由于发动机本体噪声和排气噪声较为明显最先受到关注，且排气管道较长，有大量的空间布置消声元件，其控制技术相对成熟，使其得到了有效控制。而进气系统作为影响车内噪声的另一噪声源，受到了更多的关注。
在进气系统上布置进气消声器是降低进气噪声的有效方法，进气消声器性能的好坏直接影响到进气噪声的降噪效果和发动机的进气效率，而从影响了车辆的NVH性能和燃油经济性。
受限于发动机机舱空间和进气系统管路的走向，进气消声器结构往往是不规则的，弯曲穿孔管式消声器经常被设计并安装在进气系统中。该消声器具有耐高温、耐油污、耐腐蚀、结构较简单、加工简便等优点，同时可用于高速高温气流的恶劣环境中。作为进气系统降噪的基础消声元件，可通过改变主管道上穿孔的尺寸、位置和数量等结构因素来设计出具有合适共振吸声峰的消声器，同时这些结构因素会影响消声器的空气流动性。然而这些结构因素对消声器传递损失峰值频率和空气流动性的定量关系尚不明确，未见有对弯曲穿孔管式进气消声器的设计方法。
发明内容
本发明克服现有技术不足，提供一种低流阻进气消声器优化方法。该方法采用对进气消声器进行有限元计算的方法，根据响应面分析法获得消声器传递损失和压力损失的响应面近似模型，最终计算获得具有最低空气流动阻力且满足降噪要求的进气消声器结构参数。
为实上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种低流阻进气消声器优化方法。首先测量汽车急加速时发动机进气系统的噪声峰值频段，然后确定进气消声器的传递损失峰值目标频率，最后根据响应面分析法获得消声器设计的最佳结构参数。其具体的步骤如下：
步骤1，选用弯曲穿孔管消声器作为设计优化对象；
步骤2，测量汽车急加速时发动机进气系统的噪声特性，确定噪声峰值所在频段；
步骤3，根据所述噪声峰值所在频段，确定穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率；
步骤4，根据发动机机舱的布置空间以及进气管道的尺寸，设置穿孔管主管道直径、弯曲半径、弯曲直径、消声腔体直径和腔体长度结构参数；
步骤5，计算穿孔消声器的最佳结构设计方案，确定影响消声器传递损失主要因素的结构参数，结构参数穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h。
进一步地，所述步骤1中的弯曲穿孔管消声器由布置有多个贯穿圆孔的弯曲主管道和消声腔组成。
进一步地，所述步骤2中，选择三档节气门开度100％急加速为典型工况，进行进气系统噪声特性的测量。
进一步地，所述步骤5中，利用响应面分析法获得穿孔消声器传递损失中心频率与其影响因素的拟合函数。
进一步地，所述步骤5中，利用响应面分析法获得穿孔消声器压力损失与其影响因素的拟合函数。
进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：
(1)根据影响消声器传递损失主要因素的结构参数，如穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h这四个参数设计变量的取值范围，采用响应面试验设计中的中心组合设计方法生成的消声器样本数据表。
(2)根据样本数据表中的参数，利用三维建模软件建立所有消声器样本的三维模型。
(3)使用有限元声学分析软件，计算出所有消声器样本的传递损失，并获得传递损失峰值所在的频率f。传递损失的计算公式为：
其中，Win为入口入射声功率级，Wout为出口辐射声功率级。
(4)使用流体力学分析软件，计算出所有消声器样本在常用工况下的压力损失。
(5)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以传递损失峰值频率f为输出变量。选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立传递损失峰值频率的响应面近似模型。
(6)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以压力损失为输出变量。选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立压力损失的响应面近似模型。
(7)根据穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率和响应面近似模型，计算出所有满足目标频段的设计变量组合。
(8)将所有满足目标频率的设计变量组合代入压力损失的响应面近似模型中，计算出所有设计变量组合消声器的压力损失并进行对比，压力损失最小的组合方案即为最优的进气消声器设计方案。
进一步地，所述步骤(5)中，传递损失峰值频率的响应面近似模型函数表达式为：
其中，α0、α1、…、α2N、αij为各多项式系数，X0、X1、…、XN、Xi、Xj为各变量因素，N为变量因素个数。
进一步地，所述步骤(6中，压力损失的响应面近似模型函数表达式为：
其中，β0、β1、…、β2N、βij为各多项式系数。
本发明的技术方案具有以下积极效果：
(1)采用有限元计算方法，能快速预测进气消声器的性能，成本较低。
(2)采用响应面分析法，拟合出进气消声器传递损失和压力损失的响应面近似模型，可根据该近似模型进行消声器性能的快速计算，针对不同地噪声特性可快速完成进气消声器的设计。
(3)在满足进气系统降噪的要求下，可使进气消声器进气流动阻力达到最低，改善了发动机的进气效率和燃油经济性。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明优化的进气消声器的结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细描述。该实施案例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种低流阻进气消声器优化方法，步骤包括：
步骤1，选用弯曲穿孔管消声器作为设计优化对象，其结构通常由弯曲圆柱型的消腔和同心的弯曲主管道组成，主管道上布置有一定数量和尺寸的圆形贯穿孔。
步骤2，将传声器布置在发动机机舱进气管道的近场处，测量某汽车在三档节气门开度为100％急加速时发动机进气系统的噪声特性，根据测量结果显示，噪声峰值所在频段为频率f0附近的频段内。
步骤3，根据上一步骤中所测得的噪声峰值频段，确定穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率为f0；
步骤4，根据发动机机舱的布置空间以及进气管道的寸尺，设置穿孔管主管道直径、弯曲半径、弯曲直径、消声腔体直径和腔体长度等结构参数，其结构示意如图2所示。
步骤5，利用响应面分析法计算穿孔消声器的最佳结构设计方案，确定穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h这四个影响消声器传递损失的主要参数，具体包括以下步骤：
(1)根据影响消声器传递损失主要因素的结构参数，如穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h这四个参数设计变量的取值范围，其取值范围如表1所示。采用响应面试验设计中的中心组合设计方法，将各参数的取值表示为规范变量，规范变量对应的值如下表2所示，最后生成的消声器样本数据表，如表3所示。
表1进气消声器参数设计变量范围
表2进气消声器参数的规范变量表
表3消声器响应面试验设计规范变量样本表
(2)根据样本数据表中的参数，利用三维建模软件建立所有消声器样本的三维模型。
(3)使用有限元声学分析软件，计算出所有消声器样本的传递损失，并获得传递损失峰值所在的频率f。以入口为1W声功率、出口为全吸声界面作为声学分析的边界条件，计算消声器出入口的入射声功率和辐射声功率，再根据传递损失计算公式求的消声器传递损失。传递损失的计算公式为：
其中，Win为入口入射声功率，Wout为出口辐射声功率。
(4)使用流体力学分析软件，以流量入口和压力出口作为边界条件，计算出所有消声器样本在常用工况下的压力损失。其计算结果如表4所示，由于篇幅原因仅列出其中一部分数据作为示意。
表4消声器样本的计算结果
(5)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以传递损失峰值频率f为输出变量。选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立传递损失峰值频率的响应面近似模型。
f＝α0+α1d+α2n+α3D+α4h+α5dn+α6dD+α7dh+α8nD+α9nh+α10Dh+α11d2+α12n2+α13D2+α14h2
其中，α0、α1、α2、…、α14为方程中各因素的影响系数。
(6)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以压力损失P为输出变量。选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立压力损失的响应面近似模型。
P＝β0+β1d+β2n+β3D+β4h+β5dn+β6dD+β7dh+β8nD+β9nh+β10Dh+β11d2+β12n2+β13D2+β14h2
其中，β0、β1、β2、…、β14为方程中各因素的影响系数。
(7)根据穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率和传递损失峰值频率响应面近似模型，计算出所有满足目标频段的设计变量组合。将目标频率设定为一个小范围即f0-5≤f≤f0+5Hz。由于满足条件的变量组合数量一般有几十甚至几百组，不在此一一列出。
(8)将所有满足目标频率的设计变量组合代入压力损失的响应面近似模型中，计算出所有设计变量组合消声器的压力损失并进行对比，对比即可发现压力损失最小值Pmax，对应的设计变量组合为d0，n0，D0，h0，该组合方案即为最优的进气消声器设计方案。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1，选用弯曲穿孔管消声器作为设计优化对象；
步骤2，测量汽车急加速时发动机进气系统的噪声特性，确定噪声峰值所在频段；
步骤3，根据所述噪声峰值所在频段，确定穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率；
步骤4，根据发动机机舱的布置空间以及进气管道的尺寸，设置穿孔管主管道直径、弯曲半径、弯曲直径、消声腔体直径和腔体长度结构参数；
步骤5，计算穿孔消声器的最佳结构设计方案，确定影响消声器传递损失主要因素的结构参数，结构参数穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h。
2.根据权利要求1所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤1中的弯曲穿孔管消声器由布置有多个贯穿圆孔的弯曲主管道和消声腔组成。
3.根据权利要求1所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤2中选择三档节气门开度100％急加速为典型工况，进行进气系统噪声特性的测量。
4.根据权利要求1所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤5中利用响应面分析法获得穿孔消声器传递损失中心频率与其影响因素的拟合函数。
5.根据权利要求1所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤5中利用响应面分析法获得穿孔消声器压力损失与其影响因素的拟合函数。
6.根据权利要求1所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：
步骤(1)根据影响消声器传递损失主要因素的结构参数，直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h这四个参数设计变量的取值范围，采用响应面试验设计中的中心组合设计方法生成的消声器样本数据表；
步骤(2)根据样本数据表中的参数，利用三维建模软件建立所有消声器样本的三维模型；
步骤(3)使用有限元声学分析软件，计算出所有消声器样本的传递损失，并获得传递损失峰值所在的频率f，传递损失的计算公式为：
其中，TL为传递损失，单位为dB，Win为入口入射声功率，单位为W，Wout为出口辐射声功率，单位为W。
步骤(4)使用流体力学分析软件，计算出所有消声器样本在常用工况下的压力损失；
步骤(5)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以传递损失峰值频率f为输出变量，选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立传递损失峰值频率的响应面近似模型。
步骤(6)以穿孔的直径d、孔数n、穿孔中心与管道中心线距离D、穿孔厚度h为输入变量，以压力损失为输出变量，选择二阶多项式建模方式，通过求解响应面多项式系数，构建多项式函数来拟合样本空间，建立压力损失的响应面近似模型；
步骤(7)根据穿孔管消声器的传递损失峰值所在的目标频率和响应面近似模型，计算出所有满足目标频段的设计变量组合；
步骤(8)将所有满足目标频率的设计变量组合代入压力损失的响应面近似模型中，计算出所有设计变量组合消声器的压力损失并进行对比，压力损失最小的组合方案即为最优的进气消声器设计方案。
7.根据权利要求6所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤(5)中，传递损失峰值频率的响应面近似模型函数表达式为：
其中，α0、α1、...、α2N、αij为各多项式系数，X0、X1、...、XN、Xi、Xj为各变量因素，N为变量因素个数。
8.根据权利要求6所述的一种低流阻进气消声器优化方法，其特征在于：所述步骤(6)中，压力损失的响应面近似模型函数表达式为：
其中，β0、β1、...、β2N、βij为各多项式系数。
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