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利用声学建模降低摩托车发动机噪声

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（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。