利用声学建模降低摩托车发动机噪声

Caty Fairclough 2016年 6月 2日

降噪是摩托车设计的首要考虑因素之一。噪音过大、设计不良的摩托车可能违反噪声法规,或难以赢得客户的口碑,所以汽车制造商需要找出并消除噪声源,从而降低摩托车的噪声。为此,马恒达摩托车公司(Mahindra Two Wheelers)的研究人员求助于声学仿真。

研究摩托车发动机的噪声

一辆新款摩托车在马路上飞驰之前,需要工程师对许多不同因素进行优化,其中一项便是降低噪声。不仅是因为一些国家制定了限制摩托车噪声的法规条例,而且众多潜在客户也更加中意安静行驶的摩托车。

为了打造出更安静的摩托车产品,首先必须找出噪音的主要来源。摩托车的主要噪音来自发动机。摩托车发动机不像汽车一样有着封闭的发动机舱,能很好地控制噪声。另外,摩托车发动机中有很多单个零件也能产生噪声,例如进气管、排气管、活塞撞击、齿轮噪声、配气机构和燃烧室。

图片显示摩托车及其敞开式发动机。
摩托车及其敞开式发动机。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

燃烧室是摩托车发动机产生噪声的一个明确原因。燃烧室内燃烧压力快速上升,会导致结构振动。由燃烧引起的振动进而向外辐射噪声。在特定频率范围内,与其他发动机噪声源相比,发动机在燃烧激发下所辐射的噪声最明显。因此,要想降低摩托车发动机的噪声,绕不开这个关键的研究要素。

马恒达公司的团队放弃了昂贵、费时的物理试验,改用声学建模来研究发动机结构如何增大噪声辐射。利用“声学模块”,研究人员可以对燃烧负荷下的单气缸内燃(IC)机进行声辐射分析,从而找出发动机中哪些区域产生最多噪声,然后通过改进结构来减少各处的噪声。该团队在 COMSOL 用户年会 2015 普钠站展示了这项研究,我们将在下一节中详述。

利用声学建模来分析摩托车发动机

在执行声学分析之前,研究人员将发动机外壳(发动机的外部表面)封闭在被笛卡尔完美匹配层(perfectly matched layer,简称 PML)包围的计算域之内,PML 能减弱所有输出波,使其完全或几乎不反射。他们还对发动机外壳的边界施加了“法向加速度”边界条件,如右下图所示。

被 PML 域包围的发动机外壳。
发动机外壳的边界。

被 PML 域包围的发动机外壳(左图)及其边界(右图)。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

此外,为了映射发动机外壳的网格,研究人员使用了节点加速度,它利用 COMSOL Multiphysics® 软件的插值函数功能做插值处理。由于必须对声学模型的 40 个频率阶跃逐个进行求解,所以为了大幅缩短求解时间,研究人员使用了 Java® 代码自动执行求解过程。他们还在“批处理”模式下执行了声学分析。

利用 COMSOL Multiphysics 插值函数功能创建的表面加速度绘图。
利用插值算法创建的表面加速度绘图。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

现在,我们将目光转向团队的声压级(SPL)研究。研究人员建立了物理试验,在一个安静的房间内测量了摩托车发动机的噪声和声压级。测试时,他们将麦克风放置在发动机侧盖的前方,如下图所示。

在安静室内测量摩托车噪声和声压级的物理噪声试验装置。
物理噪声试验装置。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

麦克风位于计算域边界的外部,所以研究人员能够使用远场计算和亥姆霍兹-基尔霍夫(H-K)积分对计算域之外的压力和声场进行计算。为了确保远场研究的精确性,他们选择了薄层边界网格。

通过声压级仿真,研究人员注意到,摩托车发动机在燃烧负荷下的噪声辐射主要发生在 800 Hz ~2000 Hz 范围内。为此,他们又分析了该频率范围内发动机噪声信号的三分之一倍频带数据。此外,为了清楚确定哪个区域的噪声辐射量最大,研究团队生成了发动机的声音强度绘图。这些声学分析明显突出了发动机中噪声水平很高的区域,如下方声压级绘图所示。

表面声压级仿真绘图。
1250 Hz 时的表面声压级绘图。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

为减少摩托车噪声铺平道路

基于仿真研究获取的信息,研究人员得以更好地改进摩托车发动机的结构设计。在产品开发阶段实现降噪,有利于节省制造样机耗费的时间和金钱。在这款发动机设计中,马恒达摩托车公司的研究人员增加了加强筋的高度和壁厚,并加固了安装位置。这些设计改进将发动机的总体声压级降低了 3 dBA。

可减少摩托车发动机噪声的发动机设计改进。
摩托车发动机气缸盖和气缸体的设计改进。图片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会的展示作品

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