Upload
transportforum-vti
View
346
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
1
Buller från drivsystem
Hans Bodén, MWL, KTH
2
Fem partners:
MWL/KTH
Scania
Volvo CC
Swenox
Sontech
3
• 3.5 årigt projekt med start 2005-03-01 och slut 2008-08-31
• Totalbudget 7739 tkr• MWL/KTH koordinator• Projektets har tre övergripande mål…- förbättrad metodik för akustisk design av kompakta
insugningssystem baserad på att källdata för motorer kopplas till linjära akustiska modeller;
-nya lösningar för "kompakta ljuddämpare” t.ex baserade på adaptiv kontroll av lågfrekvent ljud;
-nya lösningar för luftljudsdämpning utan fibrer baserade på s.k. mikro-perforerade plåtar samt andra icke fiberbaserade material.
Projektet - allmänt
4
Arbetet är uppdelat i tre huvuduppgifter:1) Modellering av insugningsljud
Ansvarig: KTH (Docent Hans Bodén)Partners: KTH, Volvo CC (Magnus Knutsson 80 % avheltid som industridoktorand)
2) Lågfrekvent avgasljud särskilt adaptiva resonatorerAnsvarig: Scania (TeknD Ragnar Glav)Partners: Scania, KTH (en doktorand Mikael Karlsson)
3) Luftljudsdämpning mha mikro-perforerade plåtarsamt andra icke fiberbaserade material Ansvarig: KTH (Prof. Mats Åbom)Partners: KTH, Swenox, SonTech, Scania
Projektet - allmänt
5
Department of Aeronautical and
Vehicle Engineering (AVE)
The Marcus Wallenberg Laboratory
for Sound and Vibration ResearchMats Åbom
Head of MWL
6
7
Some facts about MWL
• Founded 31 years ago (1977, 3 pers.)• Today c:a 30 persons • 4 Professors, 8 senior researchers• ~ 20 PhD students • Responsible for a M.Sc. Prgm in
Sound&Vibration• Partner in the EDSVS* network• Examination rates ~ 3 Ph.D/year• Annual TO (2007) ~ 3.3 MEuro• Strong involvement in EC-projects
(>10 since 2000)* European Doctorate in Sound and Vibration Studies
8
M.Sc. Prgms in Sound&Vibration• A Swedish + an international prgm with a total of c:a 25 students
• The program focus on 3 areas: Vibro-acoustics, Flow Acoustics and Numerical acoustics with a strong link to vehicle applications
• The international prgm is run in co-operation with Chalmers (NINA)
9
Overall Research Focus
Machinery
noise
Vehi
cle
noise
Low noise design based on advanced modelling and experimental techniques, improved understanding of acoustic source mechanisms and complex materials
The research is multi-disciplinary and MWL is involved in a number of KTH centres supporting this....
The ECO2 centreEconomical&Ecological
Vehicle Design
AVE (Vinnova)
KTH CiceroGas Management&IC-
engines
Fluid Mechanics/Acoustics/
Automotive Eng.
(STEM)
The Linné Flow CentreBasic Research
Fluid Mechanics/Acoustics/NADA (VR)
KTH Turbo Power(STEM)
10
Virtual Acoustic Design of Virtual Acoustic Design of Intake Systems for ICIntake Systems for IC--EnginesEngines
11
BakgrundBakgrundInsugsljud:• Ljudvågor orsakade av kolv-och ventilsystem• Strålar ut från mynning och genom ytvibrationer• I huvudsak lågt eller medellågtfrekvensinnehåll
Viktigt att kontrollera?• Oljud - Legala krav på ljud vid förbipassage• Välljud - Ljudkvalitet
Acknowledgment to Wikipedia,the Free Encyclopaedia
InsugAvgas
12
BakgrundBakgrund
• Packning av motorrum• Ljudåtgärder som inte påverkar förbrukning (CO2)• Noggrannhet påprediktioner av ljudnivå
VCCs utmaningar
13
Källa (tid) Transmission (frekv) Utstrålning (frekv)
• 1D• Navier Stokes ekv.• Icke-linjär CFD
• 3D• Vågekvation• Analytiska 2-portar • Linjär FEM
• 3D• Vågekvation• Monopol utstrålning• Linjär BEM
14
10 dB
3rd order
9th order
6th order
- Experimental- 1D CFD (WAVE)
Sou
rce
stre
ngth
(dB
)
Engine speed (rpm)1700 3700
Engine speed (rpm)1700 3700
Engine speed (rpm)1700 3700
10 dB
10 dB
KKäälldatalldata
15
• Första systematiska valideringen av källdata för insugssida predikterade med 1D CFDOrdning 3 & 6 - god noggrannhet, ordning 9 inom 10 dB
• Bidrag till kunskap om effekt av interaktion mellan källa/last på akustisk källdataOrdning 3 & 6 i stort sett opåverkadeSvagare ordningar mer påverkade
KKäälldatalldataSlutsatser
16
• Validera att ljud kan predikteras med linjär källa + transmission + utsrålning
Källa (tid) Transmission (frekv) Radiation (freq)
• 1D• Navier Stokes ekv.• Icke-linjär CFD
• 3D• Vågekvation• Linjär FEM
• 3D • Vågekvation• Monopolsutstrålning• Linjär BEM
2-port från
3D FEM eller
experiment
Validering av komplett konceptValidering av komplett koncept
17
Engine speed (rpm)
SPL
(dB)
1500 4000
60
120
Experiments1D CFD+MonopoleSource+FE+BESource+FE+Monpole
Engine speed (rpm)1500 4000
Engine speed (rpm)1500 4000
3rd order
6th order
45°
10 cm
9th order10 dB
10 dB
10 dB
18
• Första systematiska valideringen av virtuell modell för insugningsljud, baserad på motorordningar inom stort varvtalsregister som inkluderarLinjära källdata predikterade med 1D CFDLinjär transmission från akustisk FEM som validerats I strömningsrigg
• Påvisad noggrannhet är av samma ordning som predikteringar från 1D CFD för låga frekvenser
bättre i register där 3D effekter är påtagliga (högre frekvenser)
Validering av komplett konceptValidering av komplett koncept
Slutsatser
19
LaddluftkylareLaddluftkylare
20
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
2
4
6
8
10
12
14
Frequency [Hz]
Tran
smss
ion
Loss
• Exp• Egen 2D FE modell
inkluderande viskösa & termiska gränsskikt + Multiport
• Analytisk modell för viskösa & termiska gränsskikt + turbulens + Multiport
Transmissionsisolering vid T = 20 C°, M = 0.1LaddluftkylareLaddluftkylare
21
• Slutsatser• Ljudegenskaper hos LLK nytt forskningsområde• Identifierat relevanta fenomen och utrett ansatser• Första kompletta akustiska modellen för LLK• Formalism för koppling multi-port / 2-port• Mycket god prediktering av transmissionsisolering• Inverkan av strömning vid låga frekvenser: ~5 dB• Inverkan av strömning vid medelhöga frekvenser: ~ 2 dB• Resistiva effekter är dominerar• Studerat inverkan på termo/viskös vågutbredning på
Tvärsnittsform - litenForm på strömningsprofil - relevant
LaddluftkylareLaddluftkylare
22
Nya metoder för dämpning avlågfrekvent avgasbuller
– Med de ökande lakraven vad gäller emissionerminskar den tillgängliga volymen förljuddämpning. Dessutom ökar mottrycket i systemet betydligt.
– Projektet skall studera alternativa tekniker föratt åstadkomma dämpning av detlågfrekventa bullret från förbränningsmotorersamtidigt som mottryck ochpackningsutrymme skall minimeras.
23
Möjliga alternativ (ett urval)
• Aktiva system– Högtalare. Finns en del gjort men är inte intressant p.g.a
den svåra miljön.– Ventiler. Skapar ett fluktuerande mottryck för att störa ut
den akustiska signalen. Har den uppenbara nackdelen att skapa mottryck! Har dock implementerats på lastbil och tåg.
– ”Acoustic Wallpaper” Idé från Boeing. – Växla energi från flödesfältet till en antikälla
• Semiaktiva– Ändra en passiv egenskap aktivt. Har gjorts på t.ex.
Helmholtz resonatorer och piplängder– Parallellresonator
• Passiva– Eftergivliga väggar
• Göra t.ex. en helmholtz resonator till ett tvåfrihetsgrad-system
• Sträckta membran, fluid-struktur koppling– Herschel-Quincke tube
24
Dimensionless Frequency [-]
Herschel-Quincke rör
• Passivt system som rättimplementerat kan ge bra dämpningmed låg tryckförlust
• Inom projektet har systemetsegenskaper, med särskild fokus påeffekter av strömning, studerats.
• För de riktigt låga frekvenser ochhöga temperaturer man jagar i ettavgassystem blir rörlängdernaorealsitiskt långa. Men för merstationära tillämpningar med frekvenser från några hundra Hz ärdet en användbar teknik.
• Publicerat i The Journal of the Acosutical Socity of America (2008)
25
• Genom att kortsluta en vändkammare “akustiskt”uppstår en resonator.
• Genom att variera storleken och längden påkortslutningen ändrar man egenfrekvensen.
• En liten ändring ger ett stort skifte i frekvens, dvsmycket lämpligt för semiaktiv kontroll.
• Patentsökt• Publicerat på SAE 2007
Flow reversal resonator
Lastbilstillämpning Konceptskiss
26
Akustiska egenskaper i förgreningar
• I både Herschel-Quincke röretoch resonatorn är de akustikskaegenskaperna vid förgreningarnaavgörande för att kunnaprediktera dess dämpning.
• En ny metod har utvecklats föratt mäta dessa egenskaper. Bådede passiva, dvs reflektion ochtransmission av infallandeljudvågor. Men även de aktiva, dvs evetuella källor. Ett exempelär att prediktera vissling i en sidogren.
• Detta är ett mycket användbartverktyg när man designarrörsystem med strömning, somt.ex. ett avgassystem
Ix IIx
IIIx+sIIIp ˆˆ
−IIIp̂ +
IIIp̂
−Ip̂
+Ip̂
+sIp ˆˆ
−IIp̂
+IIp̂ +s
IIp ˆˆ
T-korsning med flöde
Potentiella visslingsfrekvenser
27
Circular hole plate Slit hole plate (Acoustimet)
• Diameter and width: sub millimeter• Porosity: 1%
• Idea – Maa Dah-You
Introduction – Micro-Perforate Plate
Micro-Perforated Plates for Vehicle Application
28
Introduction – Acoustic Impedance
Actual attachedmass distribution
cylinders outside the hole
Internal Effect External Effect
Normalized Impedance in ex non linear grazpz z z z z
u cρ −
Δ= = + + +
Non-linear Effect: SPL is high enough
Grazing flow effect: Mean flow is presented
Resistance: Reactance: Im( )zχ =Re( )r z=
29
Non-linear & Grazing flow effect
hnon lin
uz
cσ− =Non-linear term: Maa
2c c i non lin
Rsr r zc
ασρ− −= + +
1(1 )non linc c i
zc
δωχ χσ
−−
−
+= +
Grazing flow term: /gr Mβ σ= Åbom & Allamβ=0.15
30
Results –Application to Dissipative mufflers
4x125mm
rigid wall
z=4
z=1
28.5 mm
75 mm
L=500mm
250mm 250mm
MPP
31
L=500mm
L/3 L/3 L/3
L=500mm
170 220 110
Even
Uneven
Results –Application to Dissipative mufflers