Reaktif ve sönümlü susturucuların akustik modellenmesi

Acoustical modeling of reactive and dissipative mufflers

Tez No: 172166
Yazar: OKYAY NABİ ÖZKOZACI
Danışmanlar: PROF.DR. TEMEL BELEK
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2006
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 193

Özet

REAKTİF VE SÖNÛMLÜ SUSTURUCULARIN AKUSTİK MODELLENMESİ ÖZET Günümüz toplumunun karşı karşıya kaldığı rahatsız edici egzos gürültüsünün giderilmesinde kullanılan egzos susturucuları, gürültü kontrol yönetmelikleri ve Avrupa Birliği yönergeleri ile getirilen kısıtlamalar nedeniyle önem kazanmıştır. Gürültü ile ilgili yasaları ve aracın konfor şartlarını dikkate alarak hedeflenen egzos gürültü seviyesinin sağlanabilmesi, ancak; aracın boyutlarına ve motoruna uygun egzos susturucusunun tasannu ile mümkün olmaktadır. Tez kapsamında incelenen pasif susturucular; reaktif, sönümlü ve hibrit olmak üzere üç farklı tipte tasarlanmaktadır. Reaktif tip susturucuların temel prensibi, susturucudan geçen gürültü azaltımı için, akustik enerjinin kaynağa geri yansıtılmasıdır. Sönümlü tip susturuculara! temel prensibi ise, susturucudaki akustik enerjinin azaltanının susturucu boyunca kullanılan çeşitli yutucu malzemelerle azaltılmasıdır. Hibrit tip susturucular ise, hem reaktif elemanları hem de sönümlü elemanları içerdiğinden, akustik enerjinin azaltımı bu tip susturucularda her iki mekanizma ile oluşmaktadır. Reaktif ve sönümlü (dissipatif) susturucuların analitik yöntemlerle akustik modellenmesi ve bulunan sonuçların deneyle kanıtlanması bu tezin konusunu oluşturmaktadır. Bu tezin amacı, bir susturucu performans kriteri olan ses iletim kaybı için gerekli araçları geliştirerek, egzos tasarımcılarının tasarımda kullanabilecekleri yararlı sonuçlan ortaya koymaktır. Böylece, ülkemizdeki egzos susturucusu tasarımcıları, kullanılacağı yer ve amaçlara göre en uygun susturucunun tasannu için hangi matematiksel yaklaşımlar ve deneysel yöntemler kullanabileceklerini toplu olarak bu tezde bulabileceklerdir. Egzos sistemini oluşturan elemanların akustik olarak modellenmesinde çeşitli teorik yöntemler ve deneysel yöntemler kullanılmaktadır. İki boyutlu analitik yöntem, sonlu elemanlar yöntemi ve transfer matris yöntemi bu teorik yöntemlere örnek olarak verilebilir. Teorik incelemelerde, egsoz sistemlerinin analizinde şuur (cut-off) frekansına kadar olan frekans alam içinde çok iyi sonuçlar veren transfer matris yöntemi tercih edilmiştir. Bunun sebebi, transfer matris yönteminin iki boyutlu analitik yönteme göre daha kolay uygulanabilir olmasıdır. Buna ek olarak, sonlu elemanlar yöntemine göre daha küçük boyutlu matrisler ortaya çıktığı için bilgisayarlarda daha hızlı ve daha rahat kullanılabilmesi de bir başka tercih sebebidir. Deneysel incelemelerde ise, transfer matris yöntemini esas alan“iki yük yöntemi”(two load method),“iki kaynak yöntemine”(two source method) tercih edilmiştir. xiBunun sebebi egzos uç borusundaki empedansı değiştirmenin kaynağı değiştirmekten daha kolay olmasıdır. Bölüm l'de tezin amacı, konusu ve kapsamı belirtilmiş ve tez süresince yapılan literatür araştırması baklanda bilgi verilmiştir. Bölüm 2'de susturucular konusuna genel bir giriş yapılmış, susturucular anlama kolaylığı açısından gruplandırılmış, susturucu elemanları tanıtılmış ve susturucu tasarım süreci belirtilmiştir. Buna göre reaktif, sönümlü ve bu iki tip susturucunun birleştirilmesiyle oluşturulan hibrit tip susturucular detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bölüm 3'te susturucuların analitik olarak incelenmesine olanak sağlayan üç boyutlu akustik dalga denklemi çıkartılmış, bu dalga denkleminin iki boyutlu hali kullanılarak, kanal içindeki farklı durumlar için ses dalgasının hareket denklemleri çıkartılmış, transfer matris yöntemi tanıtılmış ve bu yöntemin kanal akustiğine nasıl uyarlandığı gösterilmiştir. Bölüm 4'te transfer matris yöntemi ile, reaktif ve/veya sönümlü elemanlardan oluşan birçok farklı susturucu örneği üzerinde yapılan çalışmalar ve bu çalışmaların sonucunda elde edilen, susturucu performansını belirleyen bir parametre olan ses iletim kaybı grafiklerine yer verilmiştir. Reaktif tip susturuculara örnek olarak tek genişleme odah susturucu, akış olması ve olmaması hali için incelenmiş, genişleme odası çapının değişiminin, boy değişiminin ve sayısının değişiminin ses iletim kaybına olan etkileri irdelenmiştir. Genişleme odasının çapının arttırılmasıyla hem reaktif hem de sönümlü tip susturucularda yüksek ses iletim kayıplarının sağlandığı gösterilmiştir. Giriş ve/veya çıkış boruları genişleme odasının içine uzatılmış susturucular incelenmiştir. Yine reaktif tip susturuculara örnek olarak giriş ve çıkış borularının yandan bağlanması durumunda ses iletim kayıplarının davranışı gösterilmiştir. Buna göre, giriş borusunun veya çıkış borusunun yandan bağlanmasıyla susturucunun reaktif yapısı aynı kalmaktadır. Yani ses iletim kaybı grafiklerinde, belirli frekans değerlerinde yüksek ses iletim kayıpları sağlanabilmektedir. Gürültünün bu frekans değerlerinde birikmesine karşı uygulanabilecek uygun bir çözüm olabilecekleri gösterilmiştir. Ancak, gürültü karakteristiği, çok farklı frekans değerlerine yayılmış bir davranış gösteriyorsa, bu tip bir susturucunun kullanılması yeterli olmayacaktır. Ayrıca giriş ve çıkış borularının yandan bağlanması durumunda, geometrik sınırlamalara karşı tasarımcının daha rahat hareket edebileceği vurgulanmıştır. Giriş ve/veya çıkış borusu uzatılmış bir susturucu kullanılmasının gerekli olduğu ama eksenel bir sınırlamanın bulunduğu bir durumda, bunun yerine; giriş ve/veya çıkış borularının yandan bağlanmasıyla oluşturulan akustik denk susturucunun kullanılabileceği gösterilmiştir. Endüstride çok sık kullanılan perfore boruların genişleme odası içindeki değişik konfigürasyonlarına yer verilmiştir. Eş merkezli tüp rezonatör, tıkaç tip susturucu, iki borulu ve üç borum susturucuların akustik modellenmesi gerçekleştirilmiş ve elde edilen ses iletim kaybı grafikleri yorumlanmıştır. Böylece, özet olarak, reaktif tip susturuculara özgü akustik davranış biçimi gözlemlenmiştir. Buna göre, perfore borulu susturucular düşük ve orta frekans alanında yüksek ses iletim kayıpları sağlamaktadır, buna karşılık ancak belli frekans değerlerindeki gürültü birikimlerinin giderilmesinde verimli bir şekilde kullanılabilmektedir. Eş merkezli bir tüp rezonatörde, 0.3 Mach mertebesinde bir akışın varlığında, farklı perforasyon oranlan için, frekans alanında ses iletim kaybının değişimi gösterilmiştir. 300 - 600 Hz frekans aralığında, % 5'ten % 30 perforasyon oranına kadar ses iletim kaybı xiiartmaktadır; fakat % 30 perforasyon oranından sonra ses iletim kaybı, bu frekans aralığında düşmektedir. Tıkaç tip susturucular ile, belirli frekanslarda birikmiş gürültülerin giderilmesinde kayda değer yükseklikte ses iletim kayıpları sağlanmaktadır. Sönümlü tip susturucularda ve hibrit tip susturucularda ise analizler susturucuyu oluşturan elemanların geometrik ve yapısal özelliklerinin değiştirilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Buna göre, özet olarak sönümlü ve hibrit tip susturucularla, orta ve yüksek frekans alanında, yüksek ses iletim kayıplarının sağlanabileceği gösterilmiştir. Bu tip susturucular, reaktif tip susturuculardan farklı olarak frekans alanında sürekli yapıdadırlar, böylece daha fazla frekans değerinde yüksek ses iletim kayıpları sağlamaktadırlar. Fakat tek bir frekans değerinde birikmiş gürültünün giderilmesinde daha ekonomik olan reaktif tip susturucuların kullanılması daha uygun olacaktır. Genişleme odası farklı akış dirençliliğine sahip ses yutucu malzeme ile kaplı sönümlü susturucular için yapılmış akustik analizlerde, ses yutucu malzemenin akış dirençliliği arttırıldıkça susturucunun ses iletim kaybının orta ve yüksek frekans alanında arttığı gösterilmiştir. Genişleme odası farklı kalınhklardaki ses yutucu malzemeyle kaplı hibrit tip susturucular için yapılmış akustik analizlerde, ses yutucu malzemenin kalınlığı arttırıldıkça susturucunun ses iletim kaybının genel bir davranış olarak tüm frekans alanlarında arttığı gösterilmiştir. Sönümlü tip susturucularda kullanılan elemanlara ek olarak burada, akustik yutucu özelliğe sahip liflerin sarıldığı perfore bir boru genişleme odasına yerleştirilmiştir. Hibrit tip susturucuların, düşük ve orta frekans alanında sürekli bir karakteristiğe sahip gürültünün giderilmesi için egzos sistemlerinde verimli olarak kullanılabilecekleri gösterilmiştir. Yüksek akış dirençlilikleri, hibrit tip susturucunun performansını orta ve yüksek frekanslarda arttırmaya eğilimlidir, bu sırada ses iletim kaybı tepeleri düşük frekanslara doğru hareket etmektedir. Düşük frekanslarda ise, ses iletim kaybı akış dirençliliğinin artmasıyla düşmektedir. R=54896 Rayls/m akış dirençliliğine sahip akustik yutucu bir malzeme ile kaplı susturucunun performansı, içinde hiç akustik yutucu malzeme bulunmayan susturucunun performansından hemen hemen tüm frekanslarda daha iyidir. Ancak, R=17378 Rayls/m akış dirençliliğine sahip malzeme ile kaplı susturucunun ses iletim kaybı 250 Hz'in altında bozulmaktadır. Çok yüksek frekanslarda, perforasyon oranının artmasıyla hibrit tip susturucularda gürültü azaltımı önemli şekilde iyileşmektedir, bu sırada ses iletim kaybı tepeleri ise yüksek frekanslara doğru kaymaktadır. Buna karşılık, perforasyon oranının artması düşük frekanslarda düşük ses iletim kayıplarına sebebiyet vermektedir. %52 perforasyon oranına sahip bir susturucu 700 Hz civarındaki rezonans frekansıyla bir Helmholtz rezonatörü gibi davranmaktadır ve artan frekanslarla ses iletim kayıpları çok hızlı bir şekilde düşmektedir. %50 perforasyon oranındaki bir susturucunun akustik performansı, perforasyonun olmaması durumu ile neredeyse aynıdır. Susturucunun içinde akış olması halinde ses iletim kaybı grafiklerinde önemli değişiklikler meydana gelmektedir. Buna göre, susturucu içinde akışın olmaması durumunda ve 0.15 Mach mertebesinde bir akışın olması durumunda, hibrit susturucunun ses iletim kaybı grafiğinde çok önemli farklılıklar gözlemlenmektedir. Mach sayısının arttırılmasıyla, ses iletim kaybı grafiğinde tüm frekans alanlarında düşüş gözlemlenmektedir. Bundan dolayı analizlerde akışın sistemde olacağı koşulu dikkate alınarak tasarımlar gerçekleştirilmelidir. xiiiBölüm 5'te yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, verilen geometrideki susturucu için ses iletim eğrisi elde edilmiştir. Elde edilen grafik ile aynı geometri için transfer matris yöntemi kullanılarak elde edilen grafik ve sonlu elemanlar yöntemini kullanarak ses iletim kaybım hesaplayan LMS Sysnoise yazılımı yardımıyla elde edilen grafik üst üste konularak yapılan deneysel çalışma doğrulanmıştır. Bölüm 6'da tez çalışması süresince yapılan araştırmalar sonucunda elde edilen, egzos susturucusu tasarımında kullanılabilecek pratik sonuçlara yer verilmiştir. xıv

Özet (Çeviri)

Mach flow is included. If porosity of the perforated duct is increased from % 5 to % 30, then the sound transmission loss also increases between 300 Hz and 600 Hz but if the porosity continues to increase, then the sound transmission loss decreases. Plug mufflers provide appreciable sound transmission losses in attenuation of the noise which is accumulated in certain frequencies. Analyses of dissipative and the hybrid mufflers are performed by changing the geometrical and structural features of the components of the mufflers. Thus, as a summary, dissipative and hybrid mufflers provide high transmission losses in medium and high frequency range. This type of mufflers differ from reactive mufflers in that they show continuous characteristics and thus, they provide high transmission losses more than reactive mufflers through frequency range. However, reactive mufflers, which are economically more convenient than dissipative mufflers in reduction of noise that is accumulated at only one or few frequency values. It is pointed out that in the analyses of dissipative mufflers, increasing the flow resistivity of acoustic absorbing material will increase the sound transmission loss in medium to high frequency range. It is designated that in the analyses of hybrid mufflers, increasing the thickness of acoustic absorbing material will increase the sound transmission loss in all frequency ranges. Perforated duct which is surrounded by acoustic absorbing material is emplaced in to the expansion chamber in addition to the components that are used in dissipative mufflers. It is shown that hybrid mufflers could be efficiently employed in exhaust systems for attenuation of continuous noise through low to medium frequency range. Higher flow resistivity tends to improve the performance of the hybrid muffler at medium to high frequencies, meanwhile the transmission loss peak moves to lower frequencies. At low frequencies, the transmission loss is reduced with flow resistivity. The acoustic performance of the muffler with R=54896 Rayls/m is better than the one with no absorbing material nearly at all frequencies, however, the transmission loss of the muffler with R=17378 Rayls/m deteriorates slightly below 250 Hz. At relatively high frequencies, the attenuation is significantly improved with porosity, while shifting the peak to higher frequencies. Higher perforations, however, tend to yield somewhat lower sound transmission loss at low frequencies. The muffler with 52% porosity exhibits a behavior similar to that of a Helmholtz resonator, with its resonance frequency around 700 Hz and a rapidly decreasing transmission loss with frequency. The performance of the muffler with 50% porosity is close to the one without the perforated screen. Significant changes appear in the sound transmission loss graphs when there is flow in the dissipative and hybrid mufflers. Thus, important differences are observed at the transmission loss graphs of a hybrid muffler for such conditions that the flow is excluded and 0.15 Mach flow is included. It is observed that increasing the Mach number will decrease sound transmission loss in all frequencies. Therefore, exhaust muffer designs should be performed considering the flow in ducts. xvuIn chapter 5, as a consequence of experimental studies, transmission loss graph is obtained for a given muffler geometry and this graph is validated by comparing it with the transmission loss graphs which are obtained from transfer matrix method and finite element method by LMS Sysnoise. In chapter 6, practical consequences which could be utilized in exhaust muffler designs, are stated as a result of investigations performed during the thesis. xvmMach flow is included. If porosity of the perforated duct is increased from % 5 to % 30, then the sound transmission loss also increases between 300 Hz and 600 Hz but if the porosity continues to increase, then the sound transmission loss decreases. Plug mufflers provide appreciable sound transmission losses in attenuation of the noise which is accumulated in certain frequencies. Analyses of dissipative and the hybrid mufflers are performed by changing the geometrical and structural features of the components of the mufflers. Thus, as a summary, dissipative and hybrid mufflers provide high transmission losses in medium and high frequency range. This type of mufflers differ from reactive mufflers in that they show continuous characteristics and thus, they provide high transmission losses more than reactive mufflers through frequency range. However, reactive mufflers, which are economically more convenient than dissipative mufflers in reduction of noise that is accumulated at only one or few frequency values. It is pointed out that in the analyses of dissipative mufflers, increasing the flow resistivity of acoustic absorbing material will increase the sound transmission loss in medium to high frequency range. It is designated that in the analyses of hybrid mufflers, increasing the thickness of acoustic absorbing material will increase the sound transmission loss in all frequency ranges. Perforated duct which is surrounded by acoustic absorbing material is emplaced in to the expansion chamber in addition to the components that are used in dissipative mufflers. It is shown that hybrid mufflers could be efficiently employed in exhaust systems for attenuation of continuous noise through low to medium frequency range. Higher flow resistivity tends to improve the performance of the hybrid muffler at medium to high frequencies, meanwhile the transmission loss peak moves to lower frequencies. At low frequencies, the transmission loss is reduced with flow resistivity. The acoustic performance of the muffler with R=54896 Rayls/m is better than the one with no absorbing material nearly at all frequencies, however, the transmission loss of the muffler with R=17378 Rayls/m deteriorates slightly below 250 Hz. At relatively high frequencies, the attenuation is significantly improved with porosity, while shifting the peak to higher frequencies. Higher perforations, however, tend to yield somewhat lower sound transmission loss at low frequencies. The muffler with 52% porosity exhibits a behavior similar to that of a Helmholtz resonator, with its resonance frequency around 700 Hz and a rapidly decreasing transmission loss with frequency. The performance of the muffler with 50% porosity is close to the one without the perforated screen. Significant changes appear in the sound transmission loss graphs when there is flow in the dissipative and hybrid mufflers. Thus, important differences are observed at the transmission loss graphs of a hybrid muffler for such conditions that the flow is excluded and 0.15 Mach flow is included. It is observed that increasing the Mach number will decrease sound transmission loss in all frequencies. Therefore, exhaust muffer designs should be performed considering the flow in ducts. xvuIn chapter 5, as a consequence of experimental studies, transmission loss graph is obtained for a given muffler geometry and this graph is validated by comparing it with the transmission loss graphs which are obtained from transfer matrix method and finite element method by LMS Sysnoise. In chapter 6, practical consequences which could be utilized in exhaust muffler designs, are stated as a result of investigations performed during the thesis. xvm

Benzer Tezler

Tez No
173092
Design of a reactive power compensation and harmonic filtering system by using field data
Sahada toplanan verileri kullanarak bir reaktif güç kompanzasyonu ve harmonik filtre sisteminin tasarımı
BURHAN GÜLTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF.DR. MUAMMER ERMİŞ
Tez No
14182
Kesim ötesi dalga kılavuzu filtreleri
The Evanescent mode waveguide filter
KADİR EMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
PROF.DR. ERCAN TOPUZ
Tez No
508569
Obsesif kompulsif bozuklukta metakognisyonlar ve otomatik düşünceler
Metacognitions and automatic thoughts in obsessive compulsive disorder
İLKAY KELEŞ ALTUN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2015
Psikiyatri Karadeniz Teknik Üniversitesi
Ruh Sağlığı ve Hastalıkları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EVRİM ÖZKORUMAK
Tez No
351323
Ratlarda ovaryan torsiyon detorsiyon modelinde iskemi reperfüzyon hasarında, curcumin, erdostein ve ginkgo biloba'nın koruyucu etkilerinin araştırılması
Investigation of the protective effects of curcumin, erdosteine and ginkgo biloba on ischemia-reperfusion injury in a rat model of ovarian torsion-detorsion
MEHMET BEHRENGİ KAHRAMAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2012
Kadın Hastalıkları ve Doğum Kırıkkale Üniversitesi
Kadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN NOAN
Tez No
128555
Defne (Laurus nobilis L. ) uçucu yağında koku kalitesini belirleyen bileşikler
Odour relevant compounds in bay (Laurus nobilis L. )
AYBEN KILIÇ
Doktora
Türkçe
2002
Ormancılık ve Orman Mühendisliği Zonguldak Karaelmas Üniversitesi
Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. HARZEMŞAH HAFIZOĞLU

Geri Dön