Applied Acoustics 145 (2019) 176–183
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Applied Acoustics
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Technical note
Effects of exhaust manifold with different structures on sound order distribution in exhaust system of four-cylinder engine
Sen Qiu a,uArr;, Zhao cheng Yuan a, Ruo xun Fan b, Jie Liu b
a State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, PR China
b Department of Automotive Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132102, PR China
a r t i c l e i n f o
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Received 25 September 2017
Received in revised form 19 June 2018 Accepted 25 June 2018
Available online 16 October 2018
Keywords:
Engine
Sound order distribution Exhaust manifold Exhaust noise
a b s t r a c t
This paper analyses the effects of an exhaust manifold with different structures on the sound order dis- tribution of exhaust noise based on the one-dimensional plane wave theory. The theoretical analysis shows that the isometric exhaust manifold retains the firing-order and harmonic-firing-order compo- nents of the exhaust noise while suppressing its half-order and the integer-order components. Concurrently, the symmetric isometric manifold merely suppresses the half-order components of the exhaust noise. Finally, the non-isometric exhaust manifold increases the half-order and integer-order components of the exhaust noise. To verify the theoretical analysis, dynamometer experiments under full-load condition are conducted on a four-cylinder naturally aspirated gasoline engine with the afore- mentioned three typical structures of an exhaust manifold. The results show that for the isometric and symmetric isometric manifolds, the half-order components of the exhaust noise are rather weak. In addi- tion, for the former, the integer-order components of the exhaust noise are sufficiently low to be neglected. Therefore, the theoretical analysis and experimental results are basically consistent, indicating that this study is beneficial for estimating the sound order distribution during the predesign stage.
copy; 2018 Published by Elsevier Ltd.
- Introduction
The acoustic behaviour of the human auditory system is very complex. Reducing only the amplitude of the noise is not sufficient to interest the customers and raise their concern. Consequently, the sound quality evaluation (SQE), i.e. the acoustic behaviour of the human auditory system when subjected to a sound-related pro- duct, has become a very active research area. Scholars usually iden- tify the acoustic or signal parameters which can predict or correlate the perception of SQE based on listening tests with linear regression algorithms [1–9]. Exhaust sound is one of the rare sounds that a dri- ver or other passengers prefer to hear as a response to the throttle inputs compared with other types of vehicle noise [10]. Therefore, the sound quality of exhaust sound has an important effect on the sound quality of a vehicle. Ohsasa and Kadomatsu [10] identified the sound quality of an automotive exhaust noise during accelera- tion based on listening tests with linear regression algorithms. It was found that owing to the sensations of the fluctuation and mud- diness produced by the half-order components, these components were perceived by the subjects strongly. In contrast, because half-order components are known to produce a low-frequency
uArr; Corresponding author.
E-mail address: yuanzc@jlu.edu.cn (S. Qiu).
rumble sensation, which deteriorates the sound quality of the exhaust noise, they are undesirable subjectively [11]. Therefore, the sound order distribution of exhaust noise plays an important role concerning customer satisfaction.
In this study, theoretical analysis and experiments are per- formed to study the mechanism of the sound order distribution by modifying the structure of an exhaust manifold. The theoretical analysis based on the one-dimensional plane wave theory derives the characteristics of the sound order distribution. Based on the theoretical analysis, three typical structures of the exhaust mani- fold are designed and operated. The theoretical analysis and exper- imental studies demonstrate that employing different structures of the exhaust manifold is an effective method for controlling sound order distribution of exhaust noise.
-
Theoretical analysis of sound order distribution
- Sound order of exhaust noise
For a four-cylinder four-stroke engine, two revolutions of the crankshaft generate four exhaust pulses. The frequency of an exhaust pulse is called firing frequency Feng, and it can be expressed as follows [12]:
https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2018.06.021 0003-682X/copy; 2018 Published by Elsevier Ltd.
S. Qiu et al. / Applied Acoustics 145 (2019) 176–183 177
n exhaust port to the common cross-section of the four branch pipes.
Feng frac14; 30 eth;1THORN;
where n is the crankshaft rotational speed (RPM). For n = 1000 rpm, 3000 rpm, and 6000 rpm, Feng = 33.3
不同结构排气歧管对四缸发动机排气系统声级分布的影响
摘要
本文基于一维平面波理论，分析了不同结构的排气歧管对排气噪声声级分布的影响。理论分析表明，等长排气歧管保留了排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序分量，同时抑制了半阶和整数阶分量。同时，对称等长歧管仅抑制排气噪声的半阶分量。最后，非等距排气歧管增加了排气噪声的半阶和整数阶分量。为了验证理论分析，在满载条件下的测功机实验在具有上述三种典型排气歧管结构的四缸自然吸气式汽油发动机上进行。结果表明，对于等长和对称等长歧管，排气噪声的半阶分量相当弱。另外，对于前者，排气噪声的整数分量足够低而不能忽略。因此，理论分析和实验结果基本一致，表明该研究有利于估计预设阶段的声序分布。
介绍
人类听觉系统的声学行为非常复杂。仅降低噪声幅度不足以引起客户的兴趣并引起他们的关注。因此，声音质量评估（SQE），即当受到声音相关产品时人类听觉系统的声学行为，已经成为非常活跃的研究领域。学者通常根据使用线性回归算法的听力测试来识别可以预测或关联SQE感知的声学或信号参数。与其他类型的车辆噪音相比，排气声是驾驶员或其他乘客喜欢听到的少有声音之一，作为对油门输入的响应。因此，排气声的音质对车辆的音质具有重要影响。Ohsasa和Kadomatsu基于线性回归算法的收听实验，确定了加速期间汽车排气噪声的声音质量。结果发现，由于半阶分量产生的波动和浑浊感，这些成分被受试者强烈地感知到。相反，因为已知半阶分量产生低频隆隆声使得排气噪音的声音质量恶化，它们在主观上是不合需要的。因此，排气噪声的良好顺序分布对客户满意度起着重要作用。
在这项研究中，进行理论分析和实验，通过改变排气歧管的结构来研究声级分布的机制。基于一维平面波理论的理论分析推导出声级分布的特征。在理论分析的基础上，设计并运行了三种典型的排气歧管结构。理论分析和实验研究表明，采用不同结构的排气歧管是控制排气噪声声级分布的有效方法。
声序分布的理论分析
2.1排气噪音的声音顺序
对于四缸四冲程发动机，曲轴的两次旋转产生四个排气脉冲。排气脉冲的频率称为点火频率Feng，并且可以表示如下：
其中n是曲轴转速（RPM）。对于n = 1000rpm，3000rpm和6000rpm，Feng = 33.3Hz，100Hz和200Hz。
与每秒曲轴转数相等的频率称为发动机转速。排气噪声由许多离散频率成分组成。这些离散频率可以用来描述与频率f相关的速度顺序如下：
其中m是排气噪声或声音顺序的速度顺序，f是排气噪声的频率，是发动机转速。
60
因此，排气噪声的离散频率分量可以由声音顺序表示。显然，在不同的速度下，相同的声音顺序表示不同的排气噪声频率，并且在特定的速度下，它表示排气噪声的频率。
用公式1代入公式2会产生点火频率的声音顺序为
发射频率的声音顺序称为发射顺序，其整数倍称为谐波发射顺序。
2.2排气歧管中的声波传播
用于具有4-1结构的四缸自然吸气式发动机的排气歧管如图所示。排气歧管主要包括四个排气支管，其连接到相应的汽缸排气口。四个排气支管在共同的横截面处连接在一起，形成单个排气管。排气支管的长度定义为从相应的汽缸排气口到四个支管的共同横截面的距离。管道i的长度是li。
图1.四缸自然吸气式发动机的排气歧管示意图。
在具有足够小的交叉尺寸的刚性壁管的理想情况下，小振幅波作为一维平面波传播。圆管的截止频率由下式给出：
其中D是管的内径，c是声速。
当感兴趣的频率高于发动机转速的六倍时，排气噪声的声压水平非常低。在这项研究中，最大发动机转速为6000转/分的六倍发动机转速为600赫兹；因此，感兴趣的频率范围是20Hz到600Hz；在这项工作中考虑的排气支管的内径为30毫米。声速为340 m / s时，排气支管的一维平面波截止频率为6638 Hz；它涵盖了感兴趣的频率范围。我们使用软件Ricardo WAVE检查了Y形管对六缸发动机尾气管噪音的影响。结果发现，具有弯曲的相等Y形管和直线等Y形管的系统的整体尾管噪声实际上是相似的。朱亚伟等开发了一种新的基于HQ管的半主动消声器装置，并基于一维波全破坏干涉理论提出了一种新的HQ管概念：HQ管包括直管和弯管。模拟和实验的效果是一致的。因此，不需要详细考虑排气歧管的弯曲效果，并且一维平面波分析适合于分析排气歧管中声波的传播。
2.3声序分布的预测
排气支管i中的任意位置的声压可表示为
其中PAi是对应于入射波的模态振幅，它取决于速度-负载条件， 是波数， 是角频率，f是声波频率， 是虚数单位。
由于气缸的点火间隔，在排气支管中传播的声波的起始力矩是不同的。与排气支管1中的声波的传播时间对应的曲柄轴角度可以表示为
其中 是发动机曲轴的角速度。
对于1-3-4-2点火的四缸四冲程发动机顺序，相邻点火气缸之间的点火间隔为。可以转换与排气支管i中的声波的传播时间对应的曲柄轴角度
到管1的相对曲轴角为
其中w是气缸i的点火序列。例如，对于气缸3，w是2。
声波的角频率和发动机曲轴的角速度可以表示如下
使用公式8和9，可以获得和之间的关系
因此，声音阶数m等于声波的角频率与发动机的曲轴角速度之比。将公式6，7和10带入公式5得
xn
从每个排气支管传递的声波叠加在单个排气管的连接处。单个排气管连接处的声压可表示为
对于具有1-3-4-2点火顺序的统一工作发动机，它可以假设，和公式12可以写为
n
表格1
排气歧管的长度参数。
|
排气歧管的结构 |
参数 |
|||||
|
l1 (毫米) |
l2 (毫米) |
l3 (毫米) |
L4（毫米） |
|||
|
非等距排气歧管 |
260 |
170 |
210 |
235 |
||
|
对称等距排气歧管 |
260 |
175 |
175 |
260 |
||
|
等距排气歧管 |
225 |
225 |
225 |
225 |
||
注意：li表示排气支管i的长度
（a）非等距排气歧管
（b）对称等距排气歧管
（c）等距排气歧管
图2.在1000转/分钟下具有不同结构的排气歧管的排气噪声的理论声级分布：（a）非等距排气歧管，（b）对称等距排气歧管，（c）等距排气歧管。
其中m = 2q-1（q = 1,2,3 ......）表示整数阶，整数阶分量的声压可表示为
其中m = 2q（q = 1,2,3 ......）表示点火和谐波点火顺序，这些顺序组件的声压可以表示为
其中m=(q = 1,2,3hellip;)表示半阶，半阶分量的声压可表示为
然后可以将每个频率分量的声压级表示为
其中是参考声压， 是脉冲噪声的有效声压，T被称为期间，的单位为dB。
在理论分析的基础上，得到了半阶分量。排气噪声受到长度关系的影响。排气支管连接到间隔点火气缸，排气噪声的整数分量受排气支管长度关系的影响连接到相邻的点火气缸。对于l1=l2=l3=l4的等距排气歧管，半阶分量的声压是，相应的声压级是，整数阶分量的声压是，相应的声压级是。对于l1=l4l2=l3的对称等距排气歧管，半阶分量的声压为，相应的声压级为。对于理论分析，三种典型的不同
根据工程经验设计了具有4-1结构的排气歧管。 排气支管的内径为30 mm，三个排气歧管的长度参数列于表1。对于特定情况，假设n = 1000 rpm且PA = 0.2Pa，使用公式14-17，理论上计算了在1000转/分时具有不同结构的排气歧管的排气噪声的声级分布，如图2所示。
- 非等距排气歧管 （b）对称等距排气歧管
（c）等距排气歧管
图3.具有不同结构的排气歧管：（a）非等距排气歧管，（b）对称等距排气歧管，（c）等距排气歧管。
实验设置和程序
为了研究声级分布的机理并证明理论分析的有效性，运行了上述三种典型的排气歧管结构。排气支管的内径为30 mm，三个排气歧管的长度参数列于表1。如图3所示，共同横截面的位置保持一致，而排气支管的长度和布局不同。
该实验的一般方案如图4所示。在发动机测功机设备中采用具有简单排气系统的四缸四冲程自然吸气火花点火发动机，并且排气系统仅包括催化转化器和直排气管。它可以消除消声器的影响，以研究排气歧管结构对声音顺序分布的影响。发动机放置在由发动机测试单元中的涡流制动器调节的测试台上。半消声室放置在发动机测试电池旁边。直排气管穿过隔音墙进入半消声室。隔音墙将半消声室和发动机测试室分开。排气噪声和曲轴转速测量通过麦克风（Bruel和Kjaer自由场frac14;-in型4939）和光学转速计进行。麦克风位于半消声室中与直排气管出口相距1米的位置，与直排气管轴线形成45°角。用于感测输出轴每转一个脉冲的光学转速计的大致位置如图4所示，麦克风和光学转速计信号通过LMS SCADAS III采集系统进行调节。所有信号由LMS test.lab 11a同时数字化，这是一个先进的信号处理系统，用于数据存储和时间，频率和引擎相关的订单域的进一步处理。所有测量均在1000至6000rpm的发动机速度下进行，在宽开油门（WOT）条件下的加速率为100rpm / s。
结果和讨论
为了理解具有不同结构的排气歧管的排气噪声的声级分布，通过离散傅立叶变换将时域压力数据转换为有序域信息。图5示出了上述排气歧管的排气噪声的总声压级和声级顺序分布。上述排气歧管的排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序（包括第2，第4和第6）高于其他顺序。因此，点火顺序和谐波点火顺序是排气噪声的主要顺序，并且甚至可以忽略由半阶和整数阶分量贡献的总噪声。与非等距排气歧管相比，对称等距排气歧管显着降低了半阶（包括第0.5，第1.5，第2.5，第3.5，第4.5和第5.5）分量的大小。
在整个速度范围内保留整数阶（包括第1，第3和第5）分量的近似强度。相反，在所有发动机速度下，等距排气歧管显着降低了半阶和整数阶分量的大小。图6显示了具有不同结构的排气歧管的整体噪音。在低于2500转/分的低速下，三个排气歧管的总声压级几乎相等。此外，对称等距排气歧管和非等距排气歧管的总声压级几乎相似，在高速时比等距排气歧管高约3 dB。
图7（a）比较三个排气歧管的排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序。上述排气歧管的相同点火顺序和谐波点火顺序（包括第2，第4和第6）几乎是相称的。来自所有排气支管的相同点火顺序或谐波点火成分的声波叠加在单个排气管的连接处，不能相互消除；因此，排气歧管的结构很少对排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序成分产生影响。图7（b）比较三个排气歧管的排气噪声的整数级。对称等距排气歧管和非等距排气歧管保持整数阶的近似强度。在等距排气歧管和非等距排气歧管之间的振幅范围为5至43 dB时观察到急剧减少，并且观察到第3和第5级的幅度减小比第1级中的减小更显着。基于理论分析，仅当l1 = l4 = l2 = l3时，来自排气支管的相同整数分量的声波可以在单个排气管的连接处相互消除。因此，只有等距排气歧管可以抑制排气噪声的整数分量。如图所示图8（a）和（b）分别对称等距排气歧管和等距排气歧管明显消除了半阶分量。观察到幅度从12.7到12的急剧减小。对称等距排气歧管和非等距排气歧管之间的压差为46.5 dB，并且幅度减小。观察到其他半阶的次数比第0.5次的减少更显着，特别是在低速时。等距排气歧管的半阶的趋势类似于对称等距排气歧管的趋势，并且在等长排气歧管和非等距排气歧管之间的幅度范围从16.9到50.8dB观察到显着减小。在单个排气管的连接处，由于l1 = l4 = l2 = l3或l1 = l4-l2 = l3，来自排气支管1和排气支管4的相同半阶分量的声波从排气支管2消除和排气支管3相互消除。因此，对称等距排气歧管和等距排气歧管可以抑制排气噪声的半阶分量。
虽然点火顺序和谐波点火顺序是排气噪声的主要顺序，并且由半阶和整数分量贡献的排气噪声的总声压级可以忽略，但对称等距排气歧管和等距排气歧管可以控制排气噪声的声音顺序分布，特别是抑制半阶分量。因为已知半阶分量产生低频隆隆声，这会降低排气噪声的声音质量，所以整数阶通常更容易被主观接受。因此，通过使用对称等距排气歧管和等距排气歧管可以改善排气噪声的声音质量。
在实际系统中，存在若干因素，例如流
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