諧振腔的設(shè)計及應(yīng)用_李銳

1、諧振腔的設(shè)計及應(yīng)用李 銳 謝志清 林 嘉(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007【摘 要】根據(jù)諧振腔的消聲原理,將諧振腔應(yīng)用到進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計中,并將帶諧振腔和不帶諧振腔兩種進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行對比試驗(yàn),噪聲結(jié)果表明后增加此諧振腔為車內(nèi)勻速噪聲提供了良好的貢獻(xiàn)值?！娟P(guān)鍵詞】諧振腔;進(jìn)氣;噪聲【中圖分類號】TH837 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1008-1151(201207-0147-03The design and application of the resonant cavityAbstract: In this paper, according to the silencing

2、principle of resonant cavity, applied it in air intake system design, and compared with two kinds of air intake systems, noise results showed that increasing this resonator provided a good contribution value for the cars uniform speeds noise.Keywords: Resonant cavity; Intake; noise環(huán)境污染問題已經(jīng)引發(fā)社會各國的普遍關(guān)

3、注,成為人類生存和發(fā)展必須解決的的全球性問題之一。由各種汽車所產(chǎn)生的交通噪聲也已成為影響城市環(huán)境一個重要因素,為此,國家制定了日益嚴(yán)格的汽車行駛噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。發(fā)動機(jī)噪聲是汽車的主要噪聲源,降低發(fā)動機(jī)噪聲是減少城市噪聲的最根本途徑。進(jìn)氣噪聲是汽車發(fā)動的主要噪聲源之一,非增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣噪聲比機(jī)械噪聲高出510dB,僅次于排氣噪聲1。亥姆赫茲共振腔結(jié)構(gòu)簡單,具有良好的消聲性能而被廣泛的應(yīng)用在發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣消聲上2,研究開發(fā)良好噪聲性能的進(jìn)氣系統(tǒng)是噪聲控制一項(xiàng)重要課題,運(yùn)用良好的理論模型對諧振腔進(jìn)行設(shè)計,有效降低發(fā)動進(jìn)氣噪聲顯得越來越重要。1 基本概念1.1 聲阻抗聲波傳導(dǎo)時介質(zhì)位移需要克服的阻

4、力。體積速度是穿過一面積S的介質(zhì)流動速度,聲阻抗越大則推動介質(zhì)所需要的聲壓就越大,聲阻抗越小則所需聲壓就越小。聲阻抗、聲壓和體積速度三者之間的關(guān)系如下式所示: 聲音的傳播取決于介質(zhì)的特性,聲阻抗是表示介質(zhì)特性的一個十分重要的參數(shù),聲阻抗定義為介質(zhì)在一定表面上的聲壓與體積速度的復(fù)數(shù)比值,表示為ZA=P/U,式中P為聲壓、U為速度體積,其中U=Su, u是質(zhì)點(diǎn)速度,S是面積。如果不考慮面積,聲阻抗則稱之為聲阻抗率,聲阻抗率定義為介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的聲壓與質(zhì)點(diǎn)的速度的比值,表示為ZS=P/u,聲阻抗率的單位是Pa·s/m。對于自由聲場平面波,存在一個特殊的聲阻抗,稱為特性阻抗,定義為介質(zhì)的密度與聲

5、速的乘積,表示為Z0=c,為介質(zhì)密度,c為聲速。特性阻抗反映了介質(zhì)的聲學(xué)特性,其隨溫度和大氣壓而變化,是介質(zhì)對振動面運(yùn)動的反作用的定量敘述。1.2 頻程把2020000Hz可聞聲頻率變化范圍劃分成的若干個較小的段落。通常劃分為10段或30段,每一段內(nèi)的頻率即為一個頻程,也稱頻帶。采用10段方法劃分,每一段高端頻率比低端頻率高出一倍,即為倍頻程。采用30段方法劃分,通常在一個倍頻程中上下限之間在插入兩個頻率,其比例為:1: 21/3:22/3:2表1 倍頻程頻率范圍中心頻率31.563125250500 1000 2000 4000800016000頻率范圍2245459090180180355

6、35571071014001400280028005600560011200112002 諧振腔的典型結(jié)構(gòu)及消聲原理諧振腔是在管道中設(shè)置一個與其相通的密閉空腔,當(dāng)聲波的波長比密閉空腔幾何尺寸大得多時(3 倍以上,可以把總第14卷155期 大 眾 科 技 VoL.14 No.7【收稿日期】2012-05-21【作者簡介】李銳(198-,男,湖北咸寧人,上汽通用五菱汽車股份有限公司進(jìn)氣系統(tǒng)主任工程師。- 147 - 148 -密閉空腔看成一個集中參數(shù)系統(tǒng),密閉空腔內(nèi)的聲波運(yùn)動可以忽略。當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時,小孔孔頸中的氣體在聲壓作用下象活塞一樣往復(fù)運(yùn)動,具有一定的聲質(zhì)量;密閉空腔類似空氣彈簧,具有一定

7、的聲順。當(dāng)聲波頻率與密閉空腔的固有頻率相同時,便發(fā)生共振。在共振頻率及其附近,空氣振動的速度達(dá)到最大,這時消耗的聲能最多,噪聲衰減最大。典型的諧振腔如圖 1 所示。圖1 諧振腔示意圖諧振腔實(shí)際上是共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用。共振頻率為, (2.1 式中為小孔截面積,為密閉空腔容積, 為孔 頸有效長度, ,這里 為小孔頸長; 為修正項(xiàng),對于直徑為 的圓孔,。如圖2 所示,當(dāng)聲波到達(dá)分支點(diǎn)時,由于潔面積發(fā)生發(fā)生突變,聲阻抗急劇變化,聲能大部分反射回去,一部分聲能由于諧振腔的摩擦阻尼轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉,剩下小部分 聲能繼續(xù)向前傳播,從而達(dá)到消聲的目的。圖2 共振消聲原理設(shè)在分支點(diǎn)處的入射聲壓為 ,反射聲

8、壓為,透射聲壓為, 孔頸處的入射和反射聲壓分別為和,根據(jù)聲壓連續(xù)條件可知,(2.2 設(shè)管道截面為 ,諧振腔的聲阻抗為 ,根據(jù)體積速 度連續(xù)的條件可知,(2.3 聯(lián)立以上兩式,可以得到,(2.4 而諧振腔的聲阻抗已知,為,(2.5式中 為聲阻。為簡便計,引入?yún)?shù): 和 ,以及 ,則得到諧振腔的消聲量為,(2.6計算諧振腔的聲阻值很復(fù)雜,在通常情況下,孔附近若不加阻性的吸聲材料時,聲阻是很小的,一般可忽略,因而值也可忽略。當(dāng)忽略諧振腔聲阻時,上式可簡化為如 下諧振腔的消聲量計算公式,(2.7由上式可見:這種諧振腔有明確的選擇性。即當(dāng)外來聲波頻率與諧振腔的固有頻率相一致時,諧振腔就產(chǎn)生共振。諧振腔組

9、成的聲振系統(tǒng)的作用最顯著,使沿通道繼續(xù)傳播的聲波衰減最厲害。因此,諧振腔在共振頻率及其附近有最大的消聲量。而當(dāng)偏離共振頻率時,消聲量將迅速下降。這就是說,諧振腔只在一個狹窄的頻率范圍內(nèi)才有較佳的消聲性能。因此,它適于消除在某些頻率上帶有峰值的噪聲。若把諧振腔的共振頻率設(shè)計得恰好等于峰值頻率,就能把噪聲中這個峰值降低,取得顯著效果。上式是計算單個頻率的消聲量的,實(shí)際上一般噪聲的頻譜都是寬頻帶的,所以在實(shí)際中往往需求在某個頻帶內(nèi)的消聲量。工程上常使用倍頻程與 1/3 倍頻程。對于這兩種頻帶寬度下的諧振腔的消聲量,上式還可簡化。 對倍頻程,(2.8對 1/3 倍頻程, (2.93 諧振腔的設(shè)計應(yīng)用3

10、.1 設(shè)計要求進(jìn)氣系統(tǒng)對駕駛員耳旁噪聲有明顯貢獻(xiàn),在2800rpm 存在峰值,要求在汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)上增加一個諧振腔,消除2870rpm 的峰值,提高整車的舒適性。圖3- 149 -3.2 諧振腔的計算發(fā)動機(jī)自身諧振頻率計算:將噪聲峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速2870rpm 代入公式i 60n e =f 其中n 為設(shè)計點(diǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;i 為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù);系數(shù)在四沖程發(fā)動機(jī)時取2。得出諧振腔的設(shè)計共振頻率為e f =196HZ 再用公式計算或查表的方法求出相應(yīng)的 值。當(dāng)值確定后,就可以考慮相應(yīng)的 G、 V 和S,使之達(dá)到值的要求。 以上分析中,將K 值代入公式得出V=1.084L 3.2 諧振腔模型建立考慮空

11、間布置和裝配要求,設(shè)計如附圖 4:圖43.3 試驗(yàn)驗(yàn)證降噪效果如圖5、圖6所示: (1進(jìn)氣管口轟鳴聲2870rpm 有5dBA 下降(另一目標(biāo)轉(zhuǎn)速50005500rpm,場地受限未測到(2駕駛員耳旁轟鳴聲2700rpm 有6dBA 下降(另一目標(biāo)轉(zhuǎn)速50005500rpm,場地受限未測到OTS 諧振腔的諧振頻率與proto 的樣件設(shè)計值有17Hz 的降低,但是消聲效果滿足NVH 的設(shè)計預(yù)期。圖5 圖64 總結(jié)通過諧振腔在整車進(jìn)氣系統(tǒng)的應(yīng)用,得出以下結(jié)論:(1諧振腔的消聲頻段較窄,諧振腔的設(shè)計確定其共振頻率十分重要。(2諧振腔的理論設(shè)計計算為諧振腔的設(shè)計提供了十分重要的依據(jù),試驗(yàn)的驗(yàn)證為諧振腔的

12、設(shè)計提供了有效的保證。(3進(jìn)氣系統(tǒng)上增加諧振腔是降低進(jìn)氣噪聲的一種重要手段?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 林進(jìn)修,林曉.空氣濾清器與進(jìn)氣消聲K.中汽公司重慶汽車研究所1996.2.2 鄧兆祥,張振良,楊誠.微型轎車的降噪實(shí)驗(yàn)研究J.重慶大學(xué)學(xué)報,2003.5.(上接第180頁3 系統(tǒng)的使用本課題所設(shè)計的搶答器的工作過程是:接通電源時,主持人將開關(guān)K1置于“1”的位置,搶答器處于禁止工作狀態(tài),LED 顯示器燈熄滅,喇叭和倒計時器都處于關(guān)閉狀態(tài),一切就緒,等待著搶答的開始。此時如果有選手按下?lián)尨疰I,則屬于犯規(guī),喇叭發(fā)出聲響進(jìn)行報警,并在顯示屏上顯示出犯規(guī)選手的編號。當(dāng)主持人宣布搶答題目,發(fā)出“搶答開始”的口號,

13、并將開關(guān)K1撥至“0”位置時,喇叭發(fā)出聲響提示在場人員,搶答器處于工作狀態(tài),倒計時器進(jìn)行倒計時。當(dāng)設(shè)定是時間到了,卻沒有選手搶答時,系統(tǒng)發(fā)聲報警,并封鎖輸入電路,禁止選手超時搶答。當(dāng)選手在設(shè)定的時間內(nèi)按動搶答鍵時,搶答器要完成以下四項(xiàng)工作:獲鍵程序立刻分辨出搶答者的編號,并由鎖存器進(jìn)行鎖存,然后編碼轉(zhuǎn)換程序和顯示程序顯示其編號。喇叭發(fā)出短暫的聲響,提醒主持人注意。封鎖輸入,避免其他選手再次進(jìn)行搶答。使倒計時器停止工作并顯示選手的搶答時刻,保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢,主持人操作控制開關(guān),程序運(yùn)行結(jié)束,系統(tǒng)回復(fù)到初始狀態(tài),以便進(jìn)行下一輪的搶答。4 小結(jié)本課題設(shè)計利用8051單片機(jī)結(jié)合LED 顯示器設(shè)計了一個簡易的競賽搶答器,其特點(diǎn)是利用程序軟件,對各種搶答信號進(jìn)行識別和處理,并利用軟件實(shí)現(xiàn)倒計時、驗(yàn)鍵等功能,電路結(jié)構(gòu)簡單。在該搶答器