降噪是摩托車設計的首要考慮因素之一。噪音過大、設計不良的摩托車可能違反噪聲法規，或難以贏得客戶的口碑，所以汽車制造商需要找出并消除噪聲源，從而降低摩托車的噪聲。為此，馬恒達摩托車公司（Mahindra Two Wheelers）的研究人員求助于聲學仿真。

研究摩托車發動機的噪聲

一輛新款摩托車在馬路上飛馳之前，需要工程師對許多不同因素進行優化，其中一項便是降低噪聲。不僅是因為一些國家制定了限制摩托車噪聲的法規條例，而且眾多潛在客戶也更加中意安靜行駛的摩托車。

為了打造出更安靜的摩托車產品，首先必須找出噪音的主要來源。摩托車的主要噪音來自發動機。摩托車發動機不像汽車一樣有著封閉的發動機艙，能很好地控制噪聲。另外，摩托車發動機中有很多單個零件也能產生噪聲，例如進氣管、排氣管、活塞撞擊、齒輪噪聲、配氣機構和燃燒室。

摩托車及其敞開式發動機。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

燃燒室是摩托車發動機產生噪聲的一個明確原因。燃燒室內燃燒壓力快速上升，會導致結構振動。由燃燒引起的振動進而向外輻射噪聲。在特定頻率范圍內，與其他發動機噪聲源相比，發動機在燃燒激發下所輻射的噪聲最明顯。因此，要想降低摩托車發動機的噪聲，繞不開這個關鍵的研究要素。

馬恒達公司的團隊放棄了昂貴、費時的物理試驗，改用聲學建模來研究發動機結構如何增大噪聲輻射。利用“聲學模塊”，研究人員可以對燃燒負荷下的單氣缸內燃（IC）機進行聲輻射分析，從而找出發動機中哪些區域產生最多噪聲，然后通過改進結構來減少各處的噪聲。該團隊在 COMSOL 用戶年會 2015 普鈉站展示了這項研究，我們將在下一節中詳述。

利用聲學建模來分析摩托車發動機

在執行聲學分析之前，研究人員將發動機外殼（發動機的外部表面）封閉在被笛卡爾完美匹配層（perfectly matched layer，簡稱 PML）包圍的計算域之內，PML 能減弱所有輸出波，使其完全或幾乎不反射。他們還對發動機外殼的邊界施加了“法向加速度”邊界條件，如右下圖所示。

被 PML 域包圍的發動機外殼（上圖）及其邊界（下圖）。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

此外，為了映射發動機外殼的網格，研究人員使用了節點加速度，它利用 COMSOL Multiphysics? 軟件的插值函數功能做插值處理。由于必須對聲學模型的 40 個頻率階躍逐個進行求解，所以為了大幅縮短求解時間，研究人員使用了 Java? 代碼自動執行求解過程。他們還在“批處理”模式下執行了聲學分析。

利用插值算法創建的表面加速度繪圖。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

現在，我們將目光轉向團隊的聲壓級（SPL）研究。研究人員建立了物理試驗，在一個安靜的房間內測量了摩托車發動機的噪聲和聲壓級。測試時，他們將麥克風放置在發動機側蓋的前方，如下圖所示。

物理噪聲試驗裝置。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

麥克風位于計算域邊界的外部，所以研究人員能夠使用遠場計算和亥姆霍茲-基爾霍夫（H-K）積分對計算域之外的壓力和聲場進行計算。為了確保遠場研究的精確性，他們選擇了薄層邊界網格。

通過聲壓級仿真，研究人員注意到，摩托車發動機在燃燒負荷下的噪聲輻射主要發生在 800 Hz ~2000 Hz 范圍內。為此，他們又分析了該頻率范圍內發動機噪聲信號的三分之一倍頻帶數據。此外，為了清楚確定哪個區域的噪聲輻射量最大，研究團隊生成了發動機的聲音強度繪圖。這些聲學分析明顯突出了發動機中噪聲水平很高的區域，如下方聲壓級繪圖所示。

1250 Hz 時的表面聲壓級繪圖。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

為減少摩托車噪聲鋪平道路

基于仿真研究獲取的信息，研究人員得以更好地改進摩托車發動機的結構設計。在產品開發階段實現降噪，有利于節省制造樣機耗費的時間和金錢。在這款發動機設計中，馬恒達摩托車公司的研究人員增加了加強筋的高度和壁厚，并加固了安裝位置。這些設計改進將發動機的總體聲壓級降低了 3 dBA。

摩托車發動機氣缸蓋和氣缸體的設計改進。圖片由 Ulhas Mohite 和 Niket Bhatia 提供，摘自他們在 COMSOL 用戶年會的展示作品。

探索仿真在汽車和聲學領域的應用

閱讀研究資料: “Prediction and Control of Motorcycle Engine Noise under Combustion Load“

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