利用聲學(xué)建模來分析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)

降噪是摩托車設(shè)計(jì)的首要考慮因素之一。噪音過大、設(shè)計(jì)不良的摩托車可能違反噪聲法規(guī)，或難以贏得客戶的口碑，所以汽車制造商需要找出并消除噪聲源，從而降低摩托車的噪聲。為此，馬恒達(dá)摩托車公司（Mahindra Two Wheelers）的研究人員求助于聲學(xué)仿真。

研究摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲

一輛新款摩托車在馬路上飛馳之前，需要工程師對許多不同因素進(jìn)行優(yōu)化，其中一項(xiàng)便是降低噪聲。不僅是因?yàn)橐恍﹪抑贫讼拗颇ν熊囋肼暤姆ㄒ?guī)條例，而且眾多潛在客戶也更加中意安靜行駛的摩托車。

為了打造出更安靜的摩托車產(chǎn)品，首先必須找出噪音的主要來源。摩托車的主要噪音來自發(fā)動(dòng)機(jī)。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)不像汽車一樣有著封閉的發(fā)動(dòng)機(jī)艙，能很好地控制噪聲。另外，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中有很多單個(gè)零件也能產(chǎn)生噪聲，例如進(jìn)氣管、排氣管、活塞撞擊、齒輪噪聲、配氣機(jī)構(gòu)和燃燒室。

摩托車及其敞開式發(fā)動(dòng)機(jī)。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

燃燒室是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的一個(gè)明確原因。燃燒室內(nèi)燃燒壓力快速上升，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由燃燒引起的振動(dòng)進(jìn)而向外輻射噪聲。在特定頻率范圍內(nèi)，與其他發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒激發(fā)下所輻射的噪聲最明顯。因此，要想降低摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，繞不開這個(gè)關(guān)鍵的研究要素。

馬恒達(dá)公司的團(tuán)隊(duì)放棄了昂貴、費(fèi)時(shí)的物理試驗(yàn)，改用聲學(xué)建模來研究發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如何增大噪聲輻射。利用“聲學(xué)模塊”，研究人員可以對燃燒負(fù)荷下的單氣缸內(nèi)燃（IC）機(jī)進(jìn)行聲輻射分析，從而找出發(fā)動(dòng)機(jī)中哪些區(qū)域產(chǎn)生最多噪聲，然后通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來減少各處的噪聲。該團(tuán)隊(duì)在 COMSOL 用戶年會(huì) 2015 普鈉站展示了這項(xiàng)研究，我們將在下一節(jié)中詳述。

利用聲學(xué)建模來分析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)

在執(zhí)行聲學(xué)分析之前，研究人員將發(fā)動(dòng)機(jī)外殼（發(fā)動(dòng)機(jī)的外部表面）封閉在被笛卡爾完美匹配層（perfectly matched layer，簡稱 PML）包圍的計(jì)算域之內(nèi)，PML 能減弱所有輸出波，使其完全或幾乎不反射。他們還對發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的邊界施加了“法向加速度”邊界條件，如右下圖所示。

被 PML 域包圍的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼（上圖）及其邊界（下圖）。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

此外，為了映射發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的網(wǎng)格，研究人員使用了節(jié)點(diǎn)加速度，它利用 COMSOL Multiphysics? 軟件的插值函數(shù)功能做插值處理。由于必須對聲學(xué)模型的 40 個(gè)頻率階躍逐個(gè)進(jìn)行求解，所以為了大幅縮短求解時(shí)間，研究人員使用了 Java? 代碼自動(dòng)執(zhí)行求解過程。他們還在“批處理”模式下執(zhí)行了聲學(xué)分析。

利用插值算法創(chuàng)建的表面加速度繪圖。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

現(xiàn)在，我們將目光轉(zhuǎn)向團(tuán)隊(duì)的聲壓級(jí)（SPL）研究。研究人員建立了物理試驗(yàn)，在一個(gè)安靜的房間內(nèi)測量了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和聲壓級(jí)。測試時(shí)，他們將麥克風(fēng)放置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)蓋的前方，如下圖所示。

物理噪聲試驗(yàn)裝置。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

麥克風(fēng)位于計(jì)算域邊界的外部，所以研究人員能夠使用遠(yuǎn)場計(jì)算和亥姆霍茲-基爾霍夫（H-K）積分對計(jì)算域之外的壓力和聲場進(jìn)行計(jì)算。為了確保遠(yuǎn)場研究的精確性，他們選擇了薄層邊界網(wǎng)格。

通過聲壓級(jí)仿真，研究人員注意到，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒負(fù)荷下的噪聲輻射主要發(fā)生在 800 Hz ~2000 Hz 范圍內(nèi)。為此，他們又分析了該頻率范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)的三分之一倍頻帶數(shù)據(jù)。此外，為了清楚確定哪個(gè)區(qū)域的噪聲輻射量最大，研究團(tuán)隊(duì)生成了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音強(qiáng)度繪圖。這些聲學(xué)分析明顯突出了發(fā)動(dòng)機(jī)中噪聲水平很高的區(qū)域，如下方聲壓級(jí)繪圖所示。

1250 Hz 時(shí)的表面聲壓級(jí)繪圖。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

為減少摩托車噪聲鋪平道路

基于仿真研究獲取的信息，研究人員得以更好地改進(jìn)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)降噪，有利于節(jié)省制造樣機(jī)耗費(fèi)的時(shí)間和金錢。在這款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，馬恒達(dá)摩托車公司的研究人員增加了加強(qiáng)筋的高度和壁厚，并加固了安裝位置。這些設(shè)計(jì)改進(jìn)將發(fā)動(dòng)機(jī)的總體聲壓級(jí)降低了 3 dBA。

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和氣缸體的設(shè)計(jì)改進(jìn)。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會(huì)的展示作品。

探索仿真在汽車和聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

閱讀研究資料: “Prediction and Control of Motorcycle Engine Noise under Combustion Load“

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