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