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矿用汽车消声器模态分析及声振耦合研究

矿用汽车消声器模态分析及声振耦合研究

作者：张翼强内蒙古农业大学

学位级别：硕士

重型矿用汽车的噪声污染严重,其主要噪声源是大功率柴油发动机的排气噪声,因此控制排气噪声最为关键。而控制排气噪声最直接有效的方式是加装排气消声器。课题组基于新型分流气体对冲原理,从降低排气气流速度出发,研发高效降噪、低背压... 详细信息

重型矿用汽车的噪声污染严重,其主要噪声源是大功率柴油发动机的排气噪声,因此控制排气噪声最为关键。而控制排气噪声最直接有效的方式是加装排气消声器。课题组基于新型分流气体对冲原理,从降低排气气流速度出发,研发高效降噪、低背压损耗的新型消声器,在该新型消声器设计中其结构动态特性对消声器性能有重要影响。为此本文基于分流气体对冲原理,研究了矿用汽车新型消声器结构及性能。通过有限元数值模拟和试验的方法研究矿用汽车新型消声器模态频率和模态振型。在以上研究的基础上,通过有限元数值模拟分析了矿用汽车新型消声器声振耦合模态特性,包括耦合模态频率和耦合模态振型。结果表明:(1)在0～500Hz内,第7阶、第8阶模态对应的模态振型呈现明显的内部结构振动,其特征频率较低且出现重根模态现象。对矿用汽车新型消声器内部空气域进行声模态分析,分析了0～500Hz内可能与结构模态耦合的模态频率及振型,发现声腔模态振型可以分为表面振型和内部振型两类。(2)对矿用汽车新型消声器试验模态分析中,获取了0～500Hz范围内的前8阶弹性模态频率和模态振型,同时进行了振型的MAC矩阵验证,其结果表明同一振型具有较高的一致性,各振型之间具有较高独立性。(3)对矿用汽车新型消声器进行了计及声振耦合效应的耦合模态,获取了0-500Hz频率范围内的17阶系统模态参数。与试验模态结果相比,计及声振耦合效应的耦合模态与单一结构模态的误差率分别为4.798%和5.2%。结果表明考虑声振耦合效应的耦合模态分析更接近于实际。研究结果为基于分流气体对冲原理的矿用汽车新型排气消声器设计和应用提供了理论支持。

关键词：矿用汽车消声器模态分析声振耦合

消声器声学性能预测的子结构快速多极子边界元法

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计算物理 2010年第5期27卷 711-716页

作者：崔晓兵季振林哈尔滨工程大学动力与能源工程学院黑龙江哈尔滨150001

鉴于快速多极子边界元法的应用主要局限于单区域声学问题计算,发展基于子结构技术的快速多极子边界元法以计算多区域声场问题,介绍基本原理、具体实施过程以及优缺点.以带有插进口管的膨胀腔消声器为例,应用子结构快速多极子边界元法和... 详细信息

鉴于快速多极子边界元法的应用主要局限于单区域声学问题计算,发展基于子结构技术的快速多极子边界元法以计算多区域声场问题,介绍基本原理、具体实施过程以及优缺点.以带有插进口管的膨胀腔消声器为例,应用子结构快速多极子边界元法和传统边界元法计算其传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证方法的有效性和计算精度.研究表明,快速多极子边界元法与传统边界元法相比,节点数越多,其在节省计算时间,减少计算量等方面的优势越明显.

关键词：子结构快速多极子边界元法多区域声场消声器传递损失

基于神经网络的螺旋颈复合结构宽带消声器设计与声学特性研究

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基于神经网络的螺旋颈复合结构宽带消声器设计与声学特性研究

作者：柏春庚哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着经济社会不断的发展和人们对生态环境质量要求的提高,噪声问题逐渐走进国内外研究学者的视野并已经成为研究热点。在噪声控制方面,由于受限于质量定律,传统降噪材料或结构难以对低频噪声进行有效控制,无法满足有效降低低频噪声的需... 详细信息

随着经济社会不断的发展和人们对生态环境质量要求的提高,噪声问题逐渐走进国内外研究学者的视野并已经成为研究热点。在噪声控制方面,由于受限于质量定律,传统降噪材料或结构难以对低频噪声进行有效控制,无法满足有效降低低频噪声的需求。因此,需要研发出针对低频声波控制的新型降噪材料。声学超材料的出现为控制低频声波提供了新的途径,有效的解决了低频噪声难以控制的问题。通过人工复合结构,可以在小体积、轻质的情况下实现低频宽带隔声效果。本文基于神经网络设计了一种螺旋颈Helmholtz共振腔管道消声器,该结构可以在保证完美通风的同时有效衰减中低频段噪声。本文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,基于声学理论和有限元仿真原理建立螺旋颈Helmholtz共振腔模型并验证该模型。用COMSOL Multiphysics仿真验证螺旋结构的添加可以有效降低共振频率并改变螺旋部分声速,在降低了隔声峰值频率的同时提高了热粘性损耗。添加螺旋结构可以使隔声曲线峰值频率从248Hz降低到138Hz,其隔声量仍保持较高水平,说明添加螺旋结构在保证体积不变的情况下,实现了降低隔声峰值频率并提高隔声量的目的。系统仿真分析螺旋颈Helmholtz共振腔串并联以及结构几何尺寸对隔声性能的影响,为后续设计组合宽带消声器提供设计依据。初步设计由7个腔体构成的组合结构,并通过仿真及实验分析得出,在290Hz～425Hz和550Hz～1255Hz可以实现20d B以上隔声量,达到较好隔声效果。其次,通过神经网络对预设带宽消声器进行设计,并进行仿真与实验分析。确定以设计中低频宽带高隔声量消声器为目的,通过神经网络在满足3D打印条件并考虑组合要求的前提下,设计由8个腔体构成的组合消声器。结果表明,在400Hz～1800Hz均能实现20d B以上隔声量,其中在450Hz～1600Hz的范围除680Hz附近产生谷值,均能实现30d B以上隔声量,基本实现设计宽带高隔声量消声器的目的。再次,通过提高腔体间的耦合作用对基于神经网络设计的组合结构再次进行优化。通过仿真发现,在300Hz到700Hz腔体间开取5mm缝隙,可以有效提高耦合作用,既能改善680Hz位置谷值,又能通过2000Hz附近的二阶隔声峰拓展隔声带宽,仿真与实验结果表明,在400Hz～2300Hz都能实现20d B以上隔声量,在430Hz～2220Hz可以实现30d B以上隔声量,从而实现了设计中低频段宽带高隔声量管道通风消声器的目的。最后,对所设计管道消声器结构的通风性能以及串联后隔声性能进行研究。分析通风性能发现通风速率均保持在99.9%以上,能实现完美通风效果。其次对优化后两个组合结构进行串联设计,实验结果表明在287Hz～2344Hz,可以实现20d B以上隔声,1/3倍频带测试结果显示,在255Hz～6300Hz均能实现20d B以上隔声量,在442Hz～1990Hz均能实现50d B以上隔声量,表明所设计的螺旋颈Helmholtz共振腔可通过串联来提高隔声性能,达到宽带高隔声的目的,为解决管道隔声问题提供新方案。

关键词： Helmholtz共振腔螺旋颈神经网络隔声特性消声器

基于分流气体对冲排气原理的小型高转速汽油机消声器的优化及试验

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基于分流气体对冲排气原理的小型高转速汽油机消声器的优化及试验

作者：杨怀誉内蒙古农业大学

学位级别：硕士

汽车噪音近年来已经成为了破坏安静生活环境的罪魁祸首。其中,发动机噪声在汽车整体噪声中占比较大。按照噪声来源的不同,发动机噪声可以分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。排气噪声是发动机噪声的主要来源。目前,对于减少发动机... 详细信息

汽车噪音近年来已经成为了破坏安静生活环境的罪魁祸首。其中,发动机噪声在汽车整体噪声中占比较大。按照噪声来源的不同,发动机噪声可以分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。排气噪声是发动机噪声的主要来源。目前,对于减少发动机排气噪声的最好手段还是安装排气消声器。一款性能优良的消声器可以大大降低排气噪声和排气背压。本课题针对汽油发动机噪声大的问题,设计研究一款符合高转速、单缸、汽油机的消声器。主要的研究内容如下:1.根据汽油发动机排气噪声特性,确定消声器初始模型。以KTM690高转速、单缸、汽油发动机为试验样机,设计前期对发动机进行噪声频谱分析,确定主要的消声频段。2.基于正交试验对新型消声器的主要结构参数进行仿真模拟优化,综合评价新型消声器的声学性能和空气动力学性能,从而确定较优结构模型。新型消声器采用分流气体对冲消声单元与传统的抗性消声单元即穿孔管、穿孔板耦合的形式,针对穿孔管穿孔率、挡板穿孔率、穿孔管穿孔孔径三个结构因素对新型消声器性能的影响进行研究讨论。研究发现:较优模型的结构参数为穿孔管穿孔孔径8 mm,穿孔管穿孔率1 0%,挡板穿孔率15%。3.对新型消声器和原装消声器声学性能和空气动力学性能进行仿真数据的对比分析。从二者的传递损失对比中发现,在300 Hz～1000 Hz的主要消声频段,新型消声器的平均传递损失为41.91 dB,原装消声器的平均传递损失为34.13 dB,新型消声器的平均传递损失比原装消声器高7.78dB。并且,对主要消声频段内的传递损失进行求和计算,发现在该频段新型消声器的传递损失要比原装消声器高22.91%;对三种不同入口速度下的新型消声器的流场进行了仿真模拟,从压力损失对比中可以发现,新型消声器的压力损失均小于原装消声器。从仿真模拟的角度可以得出结论:新型消声器的声学性能和空气动力学性能均优于原装消声器。4.在实车和试验台上进行新型消声器插入损失和压力损失的试验。通过实车插入损失试验发现,在怠速、中等转速、额定转速状态下,新型消声器的插入损失表现良好。其中,额定转速下,主要消声频段的平均插入损失为19.14 dB,为三个不同转速状态下最高的,并且在该转速状态下,新型消声器插入损失峰值出现频率与发动机排气噪声峰值出现频率对应性最好,峰值插入损失为40 dB;试验台上进行了新型消声器压力损失的测试,测定了不同入口速度下的新型消声器压力损失,试验数据与仿真数据的相对误差在8%以内。试验再次证明:在压力损失不大的情况下,新型消声器可以解决高转速、单缸、汽油机的排气噪声问题。

关键词：排气噪声正交试验消声器

考虑温度因素的农用柴油机新型排气消声器的性能研究

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考虑温度因素的农用柴油机新型排气消声器的性能研究

作者：刘宜坤内蒙古农业大学

学位级别：硕士

柴油机作为农业机械的心脏,在为农业现代化进程提供动力的同时也带来了噪声,对工作人员身心健康和环境造成危害。在此情况下,消声器的运用显得尤为重要。随着科技的发展,消声器的研究日渐深入,一款兼顾空气动力性能和声学性能的消声器... 详细信息

柴油机作为农业机械的心脏,在为农业现代化进程提供动力的同时也带来了噪声,对工作人员身心健康和环境造成危害。在此情况下,消声器的运用显得尤为重要。随着科技的发展,消声器的研究日渐深入,一款兼顾空气动力性能和声学性能的消声器成为我们所追求的共同目标,但在研究设计过程中,往往由于未考虑到柴油机排气具有高温这一特性,而导致消声器在实际运行中无法达到设计时所预期的效果。故本文针对农用柴油机排气噪声特性,设计了一款新型耦合消声器,并在考虑温度因素的条件下对其综合性能进行研究。(1)基于正交试验的新型消声器结构设计。以CG25型单缸柴油机作为样机,测得其在怠速、中等转速和额定转速下的排气噪声频谱。获得其目标消声频段为500Hz以内的低频噪声,以此作为消声目标,基于正交试验设计一款由分流对冲单元和其他抗性单元串联耦合的新型排气消声器。(2)采用Fluent软件开展消声器在温度场下的空气动力性能研究。通过试验测得新型消声器在怠速、中等转速和额定转速下工作时,入口气流温度分别为357K、409K和452K。在Fluent中分别计算这三种温度下消声器内部的温度场、密度场、速度场、压力场和湍动能场。得出温度因素对于消声器内部密度场和流场的影响规律:温度往往通过影响密度而影响流场特性,随着温度升高,密度减小,压力损失的值有所降低,速度场和湍动能场变化较小。(3)采用LMS Virtual.Lab软件进行消声器在温度场下的传递损失研究。利用声学软件LMS Virtual.Lab与Fluent进行联合仿真,分别计算新型消声器在357K、409K和452K温度场下的传递损失曲线,得出温度因素对于消声器声学性能的影响规律:随着温度升高,消声器的传递损失峰值向高频移动,且传递损失曲线拱形区域变宽。(4)新型消声器综合性能试验验证。在试验台上分别测试新型消声器和原机消声器在常温下的压力损失和出口气流速度,新型消声器的压力损失和出口气流速度分别降低25.4%和20.0%;实车测试新型消声器和原机消声器运行于三种工况下的插入损失并对比,结果表明新型消声器在各种工况下的插入损失均显著提高,特别是在额定工况下,目标消声频段500Hz内插入损失较原机消声器提高了5.48d B,噪声峰值处插入损失提高了13.57d B。新型消声器的空气动力性能和声学性均得以优化,实现了预期设计目标。

关键词：温度场消声器分流对冲耦合性能排气噪声农用柴油机

集成消声器和催化转化器的一体化热电发电器的特性研究

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集成消声器和催化转化器的一体化热电发电器的特性研究

作者：徐守杰武汉理工大学

学位级别：硕士

传统汽车的能量输出中大约有40%随排气过程在大气中散失。热电发电技术非常适合汽车尾气废热的回收利用,对于提高汽车能量利用率、减少污染物的排放具有重要的意义。针对在排气系统中增加热电发电器可能会影响原系统的声学性能和催化转... 详细信息

传统汽车的能量输出中大约有40%随排气过程在大气中散失。热电发电技术非常适合汽车尾气废热的回收利用,对于提高汽车能量利用率、减少污染物的排放具有重要的意义。针对在排气系统中增加热电发电器可能会影响原系统的声学性能和催化转化性能的问题,提出一种集成消声器和催化转化器的一体化汽车尾气热电发电器,建立了声-热-流体多物理场耦合模型,分析了一体化热电发电器的流动特性以及声学性能、催化转化性能。在保障排气系统各项性能的基础上,提高热电发电性能,改善整车经济性。利用流体分析软件Fluent和声学分析软件Actran,对影响传统消声器和催化转化器性能的基本结构单元进行数值仿真分析,为集成一体化热电发电器的结构方案建立基础。结果表明:为了提高消声器的声学性能同时减小排气压力损失,进口穿孔管的长度应略小于出口穿孔管的长度,穿孔管的直径不宜太大;应适当增加开孔率;而穿孔管的开孔直径和开孔形状对声学性能影响很小;吸声材料的使用会增加排气压力损失。在催化转化器方面,则重点关注结构对载体速度均匀性与排气压力损失的影响。结果表明:为提高催化转化效率,应在催化转化器载体前布置挡板,使汽车尾气均匀扩散后进入载体。基于消声器和催化转化器的结构分析,对热电发电器、消声器和催化转化器进行集成设计。调整穿孔管、催化转化器载体在一体化热电发电器中的布置位置,形成载体位于模型中间位置时的方案A和载体位于模型出口位置时的方案B。对一体化热电发电器的热电发电性能、消声性能、催化转化效率以及排气压力损失进行仿真分析。结果表明:穿孔管的位置影响热电发电器对尾气热量的利用,在布置上,穿孔管应使尾气在一体化热电发电器进口处得到充分的扩散,提高热电发电性能。为使载体中催化转化反应的放热量能得到利用,载体位置应远离一体化热电发电器出口,且载体前需布置挡板。评价结果表明,方案A的热电发电性能、速度均匀性要优于方案B,两者声学性能相近,但方案A的排气压力损失偏大。进一步分析可知,在方案A的结构基础上改变载体前挡板的开孔方式、减小进口穿孔管尾端开孔度以及载体后挡板的直径,优化后的方案模型热电发电性能和声学性能基本不变,排气压力损失减小,催化转化效率提高。本文在分析原排气系统性能的基础上集成了一体化热电发电器,相比原排气系统,声学性能、排气压力损失和催化转化效率都有优化,同时提高了热电发电性能,改善了整车的经济性。

关键词：热电发电消声器催化转化器一体化热电发电器

基于共振结构与多孔吸声材料的消声器研究与设计

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基于共振结构与多孔吸声材料的消声器研究与设计

作者：施全权吉首大学

学位级别：硕士

噪声控制是目前的研究热点之一,而低频噪声控制则是其中一个重大难题,近些年,声学超材料的出现,为低频噪声控制提供了新思路。声学超材料可以在亚波长尺度下实现对声波调控,即只需较小尺寸的材料就可以控制大波长的低频声波。在噪声控... 详细信息

噪声控制是目前的研究热点之一,而低频噪声控制则是其中一个重大难题,近些年,声学超材料的出现,为低频噪声控制提供了新思路。声学超材料可以在亚波长尺度下实现对声波调控,即只需较小尺寸的材料就可以控制大波长的低频声波。在噪声控制工程中,低频消声器的研究一直具有很高的实际价值。本文针对低频宽带噪声以及特殊频段的降噪需求,基于亥姆霍兹共振器和多孔吸声材料,对管道消声器展开了系统的研究,并设计了一种低频的抗性消声器和一种复合式扩张管消声器以及一种阻抗复合式消声器。主要研究内容如下:第一个研究工作中,为了实现低频宽带降噪,基于二阶亥姆霍兹共振器单元,设计了一种抗性消声器。首先通过理论计算和仿真计算,研究了二阶亥姆霍兹共振器单元的降噪性能。然后设计了一种由九个二阶单元组成的抗性消声器,并制作样品进行实验验证,理论、仿真及实验结果显示所设计的消声器在267 Hz-929 Hz范围内的传递损失可以超过20 d B。这种消声器的结构简单,便于制作,并且降噪效果优异,在噪声控制工程中具有很强的可推广性。第二个研究工作中,针对传统扩张式消声器存在通过频率的固有缺陷,设计了一种复合式扩张管消声器。首先基于传统扩张式消声器理论,研究了其降噪特性;然后探究了内插管对传统扩张式消声器性能的影响,最后通过引入内插管和并联的亥姆霍兹共振器提升了扩张式消声器的降噪性能。复合式扩张管消声器具有成本低、易于制造等优点,在工程应用中具有较高的实用性和可推广性。第三个研究工作中,为实现由低频至高频的宽带高效降噪,提出了一种设计阻抗复合式消声器的方法。利用共振结构与多孔吸声材料进行有效组合,在通风管道系统中设计出宽频高效的阻抗复合式消声器。作为所提出方法的实现,设计了一种由20个L型亥姆霍兹共振器单元以及多孔吸声材料组合而成的阻抗复合式消声器,并制作样品进行实验,验证其降噪性能。所设计的消声器在噪声控制工程中具有较高的实用性和可推广性,能够推动管道降噪的发展。总之,本文对亥姆霍兹共振器单元的降噪性能、单元间的位置排列、同一截面的单元间耦合效应以及多孔吸声材料的降噪性能进行了系统的研究。通过合理设计,设计出了三种不同的消声器结果,均展现出了优异的降噪效果,在噪声控制工程中具有较高的可推广性。

关键词：亥姆霍兹共振器消声器多孔吸声材料传递损失

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消声器内部流场及温度场的数值分析

内燃机学报 2003年第5期21卷 337-340页

作者：李国祥李娜王伟王浩国山东大学能源与动力工程学院山东济南250061 济南大学机械工程学院山东济南250022

对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研究,并就消声器内部气流速度、温度变化对消声性能的影响进行了分析。消声器设计应遵循以下原则:穿孔管小孔总的流通面积应大于排气管口的面积;应充分利用气流与声波流的逆向作用... 详细信息

对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研究,并就消声器内部气流速度、温度变化对消声性能的影响进行了分析。消声器设计应遵循以下原则:穿孔管小孔总的流通面积应大于排气管口的面积;应充分利用气流与声波流的逆向作用来提高消声效果;消声器入口段应尽量采用均匀过渡结构;出口直径不宜过小。

关键词：消声器流场温度场数值分析

消声器中高频传递损失计算的有限元-模态匹配混合方法

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振动与冲击 2017年第23期36卷 243-247,254页

作者：杨亮季振林哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001

提出了有限元-模态匹配混合方法用于计算消声器中高频传递损失,将消声器进出口面上的节点声学量展开为模态叠加的形式并代入有限元方程,以本征函数为权系数对进出口面上的声压进行积分,从而建立起以内部节点声学量和进出口模态幅值系数... 详细信息

提出了有限元-模态匹配混合方法用于计算消声器中高频传递损失,将消声器进出口面上的节点声学量展开为模态叠加的形式并代入有限元方程,以本征函数为权系数对进出口面上的声压进行积分,从而建立起以内部节点声学量和进出口模态幅值系数为未知量的线性方程组。结合边界条件计算得到消声器进出口面上的各阶模态幅值系数,进而得到进出口声功率用于传递损失的计算。分别对抗性和阻性消声器的传递损失进行了计算,验证了有限元-模态匹配混合方法在全频段范围的有效性。

关键词：消声器传递损失中高频有限元模态匹配