Turbocharger Rezonatörü Tasarımında Ses İletim

7. OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ KONGRESİ, 26 – 27 MAYIS BURSA
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA
SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL
İNCELENMESİ
Özgür Palaz, Eksen Mühendislik
[email protected]
Burak Erdal, Eksen Mühendislik
[email protected]
Florian Sam Güngör, Teklas Kauçuk A.Ş.
[email protected]
26.05.2014
1
GİRİŞ
 Turbocharger gürültüsünü azaltmak için kullanılan rezonatörlerin akustik
performansları nasıl belirlenir?
 Nümerik analiz ve deneysel ölçüm sonuçları kullanılarak turbocharger
rezonatörlerinin akustik performansı nasıl arttırılabilir?
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
2
GİRİŞ
TURBOCHARGER REZONATÖRLER
 Turbocharger rezonatörler, akış hattında ses iletim kaybına neden
olarak akustik yalıtım sağlayan akustik elemanlardır.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
3
GİRİŞ
TURBOCHARGER REZONATÖRLER
 Turbocharger’lardan gürültüsü, araçlardaki diğer gürültü bileşenlerinin
gün geçtikçe daha iyi yalıtılması ve artan kütlesel debi miktarları
nedeniyle gitgide artan bir şekilde sorun teşkil etmektedir.
 Rezonatör ve susturucu gibi sistemlerin ses iletim kaybı özellikleri
 Artan endüstriyel talepler doğrultusunda daha hafif, daha düşük maliyetli
ve daha efektif yalıtım sağlayacak tasarımlar kendilerini dayatmaktadır.
 Plastik turbocharger rezonatörleri
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
4
SUNUM ÖZETİ
 Turbocharger gürültüsü engellemek amaçlı kullanılan rezonatörlerin
akustik performansları nasıl belirlenir?
Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) ile Akustik Simülasyon
Ses iletim kaybı tüpü ölçümleri
 Nümerik analiz ve deneysel ölçüm sonuçları kullanılarak turbocharger
rezonatörlerinin akustik performansı nasıl arttırılabilir?
İmalat hatalarının giderilmesi
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
5
SUNUM ÖZETİ
Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) ile Akustik Simülasyon
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
6
SUNUM ÖZETİ
Ses iletim tüpü kaybı ölçümleri
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
7
PROBLEMLERİN TANIMLANMASI
 Prototip imalatı yapılan rezonatörün ses iletim kaybı performansı
hesaplamalardaki beklentiler ile örtüşmemektedir.
 Plastik imalattan kaynaklanan bazı hatalar nedeniyle ‘akustik odalar’
yeterli performans göstermemektedir.
 Piyasadaki mevcut ses iletim kaybı ölçüm tüpleri (i.e. empedans tüpleri),
bu tip akustik sistemlerin performansları ölçmek için uygun değildir.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
8
YAPILAN ÇALIŞMALAR
 Araştırma öncesi tanımlanan bu problemler doğrultusunda;
 Sonlu elemanlar yöntemi ile rezonatörün akustik analizi
 Ses iletim kaybı ölçüm tüpleri ile rezonatörün deneysel incelenmesi
 Analizler ve ölçüm sonuçları doğrultusunda imalat hatalarının düzeltilmesi,
rezonatör tasarımının iyileştirilmesi
süreçleri gerçekleştirilmiştir.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
9
YAPILAN ÇALIŞMALAR
AKUSTİK ANALİZLER
 Turbocharger rezonatörünün akustik karakteristiğini belirleyen
parametre, daha önceden de bahsedildiği gibi ses iletim kaybıdır.
𝑇𝐿 = 10𝑙𝑜𝑔
𝐴𝑛
𝐴𝑚
[𝑑𝐵]
 𝐴𝑛 : Rezonatörün girişindeki iletilen dalganın gücü
 𝐴𝑚 : Rezonatörden iletilen dalganın gücü
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
10
YAPILAN ÇALIŞMALAR
AKUSTİK ANALİZLER
 Rezonatörün akustik sonlu elemanlar analizleri MSC Actran yazılımı ile
gerçekleştirilmiştir.
Turbocharger rezonatörü prototipi
26.05.2014
Turbocharger rezonatörünün sonlu elemanlar modeli
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
11
YAPILAN ÇALIŞMALAR
AKUSTİK ANALİZLER
 Yapılan sonlu elemanlar analizinde, rezonatör içerisindeki perfore
alanlar için küçük, geniş alanlarda ise daha büyük olmak üzere;
 İkinci dereceden (Quadratic)
 Tetragonal
elemanlar kullanılmıştır.
 Rezonatörün giriş bölümünden duct mode, düzlem dalga akustik yayılım
girişi verilmiş; çıkış kanalına ise tam yansımasız (anekoik) sınır koşulu
tanımlanmıştır.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
12
YAPILAN ÇALIŞMALAR
AKUSTİK ANALİZLER
Ses İletim Kaybı [dB]
 Actran ile hesaplanan rezonatör ses iletim kaybı değerleri
Frekans [Hz]
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
13
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 Turbocharger rezonatörlerinin ses iletim kaybı değerlerinin belirlenmesi
için özel bir ses iletim kaybı tüpü tasarlanmıştır.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
14
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 Piyasadaki mevcut ürünlerin bu tip bir sistemin ses iletim kaybını
ölçmeye uygun olmaması nedeniyle ölçüm düzeneği tasarlanmıştır. Bu
doğrultuda sistemin tasarımında dikkat edilen özellikler:
 İstenen ölçüm frekans aralığını sağlaması
 Sistemin rezonatör gibi yapıların ölçümüne ve montajına uygun olması
 Rezonatörlerin montajında kullanılan adaptörlerin istenmeyen TL
değerleri yaratmayacak şekilde tasarlanması
 Sistemin doğru ölçüm yaptığının kanıtlanması
şeklindedir
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
15
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 Ses iletim kaybı tüpünün doğruluk testleri;
 Bir genişleme odasının sonlu elemanlar analizi sonuçları ve deneysel sonuçların
karşılaştırılması
 Düz boruda görülmesi gereken “0” ses iletim kaybı değerinin kontrol edilmesi
ile gerçekleştirilmiştir.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
16
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
8
7
Ses İletim Kaybı [dB]
6
5
4
FEM Sonuçları
Actran
Sonuçları
Ölçüm Sonuçları
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Frekans [Hz]
Bilinen bir genişleme odasının sonlu elemanlar analizi sonuçları ve deneysel sonuçların karşılaştırılması
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
17
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
0.2
0.18
Ses İletim Kaybı [dB]
0.16
0.14
0.12
0.1
Boş Tüp Sonuçları
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Frekans [Hz]
Boş tüp halinde ölçülen ses iletim kaybı değerleri
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
18
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 Sistemin istenilen hassasiyet değerleri içerisinde (<0.1 dB) doğru ölçüm
yaptığı belirlendikten sonra ölçümler gerçekleştirilmiştir.
Rezonatörün sisteme monte edilmiş hali
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
19
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
Actran
Analizi
FEM Analizi
Ses İletim Kaybı [dB]
İlk prototip sonuçları
Frekans [Hz]
İlk prototopin ölçüm sonuçlarının sonlu elemanlar analizi ile karşılaştırılması
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
20
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 İlk üretilen prototipin, imalattan kaynaklanan bazı yapısal hatalar taşıdığı
bilinmektedir. Bu hatalar, oda hacimlerinin tasarlanan boyutlarda
olmaması, rezonatör üzerindeki deliklerin istenilen hassasiyette imal
edilememesidir.
 Bu doğrultuda imalat süreçlerinde iyileştirmeler ve değiştirilmeler
yapılarak ölçümler tekrarlanmıştır.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
21
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
FEM Analizi
Actran
Analizi
FEM Analizi
Ses İletim Kaybı [dB]
İkinci Prototip Sonuçları
Frekans [Hz]
İkinci prototopin ölçüm sonuçlarının sonlu elemanlar analizi ile karşılaştırılması
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
22
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
Actran
Analizi
FEM Analizi
İlk Prototip Sonuçları
İletim Kaybı [dB]
İkinci Prototip Sonuçları
Frekans [Hz]
Her iki prototop ölçüm sonuçlarının sonlu elemanlar analizi ile karşılaştırılması
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
23
YAPILAN ÇALIŞMALAR
SES İLETİM KAYBI TÜPÜ ÖLÇÜMLERİ
 İlk prototip ile imalat kalitesi geliştirilmiş olan ikinci prototipin ölçüm
sonuçları karşılaştırıldığında, elde edilen sonuçların üretimde yapılan
geliştirmeyi doğruladığı görülmektedir.
 Sonuçlar değerlendirildiğinde analiz sonuçları ile ölçüm sonuçları
arasında hala bir miktar farklılık olduğu görülmektedir.
 Bu sonuçlar doğrultusunda imalattan kaynaklı hataların hala sonuçlar
üzerinde bir miktar etkisi olduğu görülmektedir.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
24
SONUÇLAR
 Belli hesaplamalar doğrultusunda geometrisi ve iç yapıları belirlenen
rezonatörler, hem nümerik analizler hem de deneysel ölçümler ile
karakterize edilebilmiştir.
 Bu araştırma ile imalat yöntemleri rezonatörün akustik etkinliğini
arttıracak şekilde geliştirilmiştir.
 Bu incelemeler ile tasarlanan ve imal edilen akustik sistemlerin
performans karakterlerinden bir veri tabanı oluşturmak mümkün
olmuştur.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
25
OLASI BAZI GELİŞTİRMELER
 Hem analiz yönteminde, hem de deneysel ölçümlerde akışın akustik
karakteristiğe olan etkisi incelenmemiştir. Bu etkilerin ihmal
edilemeyecek kadar büyük olduğu bilinmektedir.
 Bu doğrultuda, gelecekte yapılacak çalışmalarda, hem sonlu elemanlar
incelemelerinde hem de deneysel ölçümlerde akışın ve sıcaklığın etkisi
dahil edilecektir.
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
26
REFERANSLAR
 Rämmal, H., Åbom, M., Acoustics of Turbochargers, SAE Tech. Paper
Series, 2007-01-2205, Noise and Vibration Conference and Exhibition,
Illinois, 2007
 ASTM International, E2611-09, Standard Test Method for Measurement
of Normal Incidence Sound Transmission of Acoustic Materials Based
on the Transfer Matrix Method
 MSC Actran, User Manual
26.05.2014
TURBOCHARGER REZONATÖRÜ TASARIMINDA SES İLETİM KAYBININ NÜMERİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ
27