（載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè)論文）汽車排氣消聲器聲學(xué)特性的有限元分析.pdf

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是汽車的主要噪聲源 而加裝排氣消聲器則是控制此噪聲最 直接 也是最有效的途徑之一 因此研究消聲器的聲學(xué)特性 具有重要的現(xiàn)實(shí)意 義 本文就是在此思想的指導(dǎo)下做了一些研究 傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng) 驗(yàn) 一維平面波理論和大量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法 費(fèi)時(shí) 費(fèi)力 費(fèi)資金 由于計(jì)算 機(jī)硬件的迅速發(fā)展以及軟件應(yīng)用的日益成熟 所以可以采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方 法 研究汽車排氣消聲器的聲學(xué)性能 本文就是綜合運(yùn)用有限元法 使用分析軟 件a n s y s 和s y s n o i s e 首先對(duì)消聲器的基本聲學(xué)單元進(jìn)行聲學(xué)性能分析 基 本聲學(xué)單元包括擴(kuò)張比 擴(kuò)張腔長(zhǎng)度 雙擴(kuò)張腔 出口管偏置 雙出口管 共振 腔 內(nèi)插管和穿孔管等 接著分別研究了一簡(jiǎn)單組合結(jié)構(gòu)消聲器和一復(fù)雜組合結(jié) 構(gòu)消聲器 使用m 觚a b 軟件繪圖工具繪制從s y s n o i s e 中提取的計(jì)算結(jié)果 得到消聲器的傳遞損失 t l 曲線 在傳遞損失不理想頻段 對(duì)消聲器做局部?jī)?yōu)化 改進(jìn) 以求在較寬的頻段得到更好的消聲效果 最后對(duì)某5 噸柴油機(jī)車用排氣消 聲器進(jìn)行聲學(xué)有限元分析 然后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 本文研究的內(nèi)容不僅概述了聲學(xué)基礎(chǔ) 排氣消聲器基本理論 傳遞損失的 計(jì)算等基礎(chǔ)知識(shí) 而且詳細(xì)分析了聲學(xué)單元 簡(jiǎn)單組合結(jié)構(gòu)消聲器 復(fù)雜組合結(jié) 構(gòu)消聲器的聲學(xué)性能和某5 噸柴油機(jī)車用排氣消聲器的聲學(xué)性能 所以對(duì)今后消 聲器的分析設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義 關(guān)鍵詞 排氣消聲器 有限元法 聲學(xué)特性 傳遞損失 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a bs t r a c t t h ee n g i n ee x h a u s tn o i s ei st h em a i nn o i s es o u r c eo fav e h i c l e a n do n eo ft h e m o s td i r e c ta n de f f e c t i v ew a yt oc o n t r o lt h i sn o i s ei st oe q u i pa ne x h a u s tm u f f l e r s o t os t u d yt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h em u f f l e rh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s o m er e s e a r c hi sd o n eu n d e rt h i sg u i d a n c ei n t h i sw o r k t r a d i t i o n a lm u f f l e r d e s i g n sm a i n l yr e l yo nt h ee x p e r i e n c e o n e d i m e n s i o n a lp l a n ew a v et h e o r ya n dl a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t s a n dt h a tw a st i m e c o n s u m i n g l a b o r i o u sa n de x p e n s i v e b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r ea n dt h ea p p l i c a t i o no fs o f t w a r e c o m p u t e rs i m u l a t i o ni s u s e dt os t u d yt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ea u t o m o b i l e e x h a u s tm u f f l e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sc o m p r e h e n s i v e l yu s e di nt h i sa r t i c l ea n d t h es o f t w a r e si n c l u d i n ga n s y sa n ds y s n o i s e f i r s t l y a n a l y z et h ea c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i co ft h eb a s i ca c o u s t i c a ls t r u c t u r e so ft h em u f f l e r i n c l u d i n ge x p a n s i o n r a t i o l e n g t ho fe x p a n s i o n c h a m b e r 2 e x p a n s i o n c h a m b e r o f f s e t o u t l e t d o u b l e o u t l e t i n t e r c o n n e c t i n gt u b e r e s o n a t o ra n dp e r f o r a t e dt u b ee t c s e c o n d l y s t u d yas i m p l e c o m p o s i t es t r u c t u r em u f f l e ra n dac o m p l e xc o m p o s i t es t r u c t u r em u f f l e r r e s p e c t i v e l y a n du s e st h ep l o tt o o l so fm a t l a bs o f t w a r e od r a wt r a n s m i s s i o nl o s s t l c u r v e w h i c ht h ed a t ac a nb eo b t a i n e df r o mt h es y s n o i s es o f t w a r e i n0 r d e rt oo b t a i nt h e b e t t e rn o i s ee l i m i n a t i o na tt h ew i d e rf r e q u e n c yb a n d i m p r o v et h el o c a lo p t i m i z a t i o n o fm u f f l e r ss t r u c t u r eb e c a u s eo ft h ed i s s a t i s f a c t i o no ft la ts o m ef r e q u e n c yb a n d a n d l a s t l y d ot h ea c o u s t i ca n a l y s i sb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fae x h a u s t m u f f l e ro fo n e5 t o nd i e s e le n g i n e a n dt h e nc o m p a r ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i sp a p e r t h es t u d yc o n t e n t si n c l u d en o to n l ya c o u s t i ct h e o r y e x h a u s tm u f f l e r t h e o r y c a l c u l a t i o no ft r a n s m i s s i o nl o s s b u ta l s oa c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i so f t h ea c o u s t i ce l e m e n t s as i m p l ec o m p o s i t es t r u c v a r em u f f l e ra n dac o m p l e xc o m p o s i t e s t r u c t u r em u f f l e r a n dt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fae x h a u s tm u f f l e ro fo n e 5 t o nd i e s e le n g i n e s ot h i sp a p e rd o e sh a v es o j l er e f e r e n t i a ls i g n i f i c a n c ef o rf u t u r e m u f f l e r sa n a l y s i sa n dd e s i g n k e y w o r d s e x h a u s tm u f f l e r f i n i t ee l e m e n tm t h o d a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c t r a n s m i s s i o nl o s s h 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本學(xué)位論文屬于 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書 不保密彳 學(xué)位論文作者簽名易1 咨 2 0 1 0 年占月j z 日 指導(dǎo)教師簽名 弘莆封尖 2 0 1 0 年石月f z 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果 除文中己注明引用的內(nèi)容以外 本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果 對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均己在文中以明確方式標(biāo)明 本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 毒 咨 日期 2 0 1 0 年b 月 2 日 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 本課題研究的目的和意義 噪聲污染是世界三大污染之一 對(duì)人的危害是多方面的 主要表現(xiàn)在聽覺和 非聽覺兩個(gè)方面 聽覺方面是直接影響人的正常交談 正常休息等 若長(zhǎng)期暴露 在強(qiáng)噪聲環(huán)境中 容易使人出現(xiàn)耳聾 非聽覺方面則是間接影響人的神經(jīng)系統(tǒng) 消化系統(tǒng) 呼吸系統(tǒng)等 噪聲對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面 1 2 1 1 對(duì)聽覺的損傷 大量的調(diào)查和研究證明 一個(gè)人如果長(zhǎng)期處于強(qiáng)噪聲環(huán)境 下而又沒有采取有效的防護(hù)措施就會(huì)逐漸造成耳聾 只有噪聲的聲壓級(jí)在8 0 d b 以下 才能保證人長(zhǎng)期工作不致耳聾 但 影響人的生理健康 大量心臟病的產(chǎn)生和惡化與噪聲有著密切的聯(lián)系 噪 聲會(huì)引起人體的緊張反應(yīng)使腎上腺素增加從而引起心率改變和血壓升高 3 影響人的心理健康 噪聲對(duì)心理的影響主要是使人煩躁不安 噪聲容易使 人疲勞 影響精力集中和工作效率 又由于噪聲的掩蔽效應(yīng) 往往不易使人察覺 危險(xiǎn)信號(hào) 從而造成事故 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益繁榮 城市建設(shè)和城市交通得到迅速發(fā)展 但是由此引發(fā) 的環(huán)境噪聲對(duì)人類日常生活的影響也越來越嚴(yán)重 其中由各種汽車產(chǎn)生的交通噪聲 最為突出 所以城市交通發(fā)展和降低車輛噪聲的矛盾日益尖銳 降低車輛噪聲以減 輕城市環(huán)境噪聲勢(shì)在必行 對(duì)汽車制造廠商來講降低汽車噪聲 不僅能減少環(huán)境污 染 營(yíng)造安靜休息場(chǎng)所 降低對(duì)人的傷害之外 而且還是提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力所在 為 企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤(rùn) 因此 降低整車的噪聲 控制噪聲是完全必要的 世界各汽車大國(guó) 如美國(guó) 日本 韓國(guó)等都紛紛表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境噪聲的高度關(guān) 注和制定日趨嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn) 如何降低汽車噪聲 減輕汽車噪聲對(duì)人體的影響 已引起各國(guó)越來越多學(xué)者和專家的關(guān)注 對(duì)汽車噪聲的研究也逐漸成為噪聲研究 的重要分支之一 我國(guó)制定了汽車加速行駛車外噪聲限值 如表1 1 所示1 3 1 和汽 車定 置噪聲限值 如表1 2 所示1 3 1 以滿足日益嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)噪聲控制方法 4 1 噪聲的傳播途徑都要經(jīng)歷如下過程 噪聲源 中間傳 播途徑和接受者 因此 若要降噪防噪 只需根據(jù)具體情況對(duì)此中的任一環(huán)節(jié)采 取必要的控制 均可奏效 汽車噪聲主要由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和底盤噪聲組成 其中發(fā) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)機(jī)噪聲是最主要噪聲源 就目前來講降低此噪聲的最有效途徑是加裝發(fā)動(dòng)機(jī)排 氣消聲器 也就是采取控制中間傳播途徑的方式來控制噪聲的傳播 表1 1 車輛加速行駛時(shí)噪聲限值d b a t a b l e l 1n o i s el i m i t so f s p e e d u pd r i v i n gv e h i c l e d b a 噪聲限值 d b a 第一階段第二階段 汽車分類 2 0 0 2 1 0 1 2 0 0 4 1 2 3 0 期 2 0 0 5 1 1 以后生產(chǎn)的汽車 間生產(chǎn)的汽車 m 1 7 77 4 m 2 g v m 3 5 t 或n 1 g v m 3 5 0 g v m 2 t7 87 6 2 t g v m 3 5 t 7 97 7 m 2 3 5 t g v m 5 t p 1 5 0 k w3 2踟 p 1 5 0 k ws 58 3 n 2 3 5 t g v m 1 2 t p 7 5 k w8 38 1 7 5 k w p 1 5 0 k w8 68 3 p 1 5 0 k w8 88 4 說明 a m 1 m 2 g v m 2 t 時(shí) 如果p 1 5 0 k w 其限值增加l a b a 如果p 1 5 0 k w 其限值增加2 d b a c m 1 類汽車 若其變速器前進(jìn)檔多于四個(gè) p 4 3 0 0 r m i n 9 79 5 越野車 柴油1 0 09 8 中型客車 貨車 汽油9 79 5 大型客車 柴油 1 0 31 0 1 n 1 4 7 k w1 0 l9 9 重型貨車 n 1 4 7 k w 1 0 51 0 3 注 一按生產(chǎn)廠家規(guī)定的額定功率 說明 車輛分類按g b 3 7 3 0 1 執(zhí)行 噪聲限值按表執(zhí)行 傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)主要靠經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法 消聲器聲學(xué)性能比 較差 且時(shí)間長(zhǎng) 成本高 由于計(jì)算機(jī)硬件的迅速發(fā)展以及軟件應(yīng)用的日益成熟 可以采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法 來研究汽車排氣消聲器的基本聲學(xué)單元 并對(duì) 消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化 分析其聲學(xué)性能 依據(jù)傳遞損失曲線 針對(duì)在傳遞損 失不足頻段 對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)做局部改進(jìn) 以求在較寬頻段得到更好的消聲效果 從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期 減少不必要的人力物力消耗 實(shí)現(xiàn)消聲器設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化 精確化的目的 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車噪聲的主要部分 它是由多種聲源發(fā)出的噪聲組合而成 的 主要包括空氣動(dòng)力噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲 空氣動(dòng)力性噪聲主要由進(jìn)氣噪聲 排氣 噪聲 其它的如增壓器和風(fēng)扇引起的氣流噪聲組成 結(jié)構(gòu)噪聲主要是結(jié)構(gòu)受到燃 燒激振力和機(jī)械激振力的作用 產(chǎn)生表面振動(dòng)而形成的噪聲 在發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源 中 排氣噪聲約占總噪聲的3 0 是所有噪聲源中所占比例最大的一個(gè) 比其他 3 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 的整機(jī)噪聲高出1 0 1 5 d b f l 因此在對(duì)汽車進(jìn)行噪聲控制時(shí) 必須對(duì)排氣噪聲采 取措施 即加裝發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器 所以設(shè)計(jì)制造低噪聲汽車 研制聲學(xué)性能良 好的消聲器是汽車設(shè)計(jì)人員的重要任務(wù)之一砸一 排氣噪聲的控制是一項(xiàng)復(fù)雜的學(xué)問 它涉及到聲學(xué) 熱力學(xué) 流體力學(xué) 發(fā) 動(dòng)機(jī)理論等多門學(xué)科1 8 1 目前 消聲器的設(shè)計(jì)主要是從數(shù)值分析方法考慮的 即 從波動(dòng)方程著手 以數(shù)學(xué)和力學(xué)為基礎(chǔ)來尋求媒質(zhì)振動(dòng)和噪聲的關(guān)系 它的設(shè)計(jì) 方法具體分為以下幾種 傳遞矩陣法 邊界元法 有限元法等 1 傳遞矩陣法 四端網(wǎng)絡(luò)法 消聲器理論早在1 9 2 2 年 美國(guó)學(xué)者s t e w a r t 應(yīng)用聲學(xué)濾波器理論指導(dǎo)抗性消 聲器設(shè)計(jì) 利用集中參數(shù)近似算法分析消聲器元件 五十年代中期 d a v i s 等人 采用一維波動(dòng)方程 利用截面突變處聲壓和體積振動(dòng)速度的連續(xù)性 計(jì)算了單級(jí) 和多級(jí)擴(kuò)張腔和旁支共振腔f 9 五十年代后期 i g a r a s h i 等人利用等效電路方法 計(jì)算了消聲器的傳遞矩陣 l o l m u n j a l n 1 使用基于一維平面波理論的傳遞矩陣法 研究了數(shù)個(gè)聲學(xué)單元和消聲器結(jié)構(gòu) 在d a v i s i g a r a s h i 和m u n j a l 等人的基礎(chǔ)上 經(jīng)過大量聲學(xué)工作者的努力 在用聲傳播法計(jì)算消聲器的傳遞損失和用傳遞矩陣 法計(jì)算消聲器的插入損失和傳遞損失方面 有了較成熟的計(jì)算公式 該方法簡(jiǎn)便 實(shí)用 對(duì)平均氣流 無溫度梯度情況下的平面波能得到較為滿意的結(jié)果 2 邊界元法 b e m 邊界元法 b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 只在研究區(qū)域的邊界進(jìn)行單元?jiǎng)澐?將 邊界離散化 并通過聯(lián)立方程式求解 而在研究區(qū)域的均勻介質(zhì)內(nèi) 則用連續(xù)的 數(shù)學(xué)物理方程求解 b e m 根據(jù)格林定理將運(yùn)動(dòng)微分方程式轉(zhuǎn)化為等價(jià)的邊界積 分方程1 1 2 1 最近過去的二十年間 國(guó)內(nèi)外都取得了一定的成就 俄亥俄州立大學(xué)的 a s e l a m e t 利用解析法和邊界元研究了雙擴(kuò)張腔帶內(nèi)插管消聲器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸 對(duì)消聲器性能的影響 包括中間擋板的位置 消聲器的總長(zhǎng)和內(nèi)插管的內(nèi)徑等 并用試驗(yàn)法進(jìn)行了驗(yàn)證 1 3 s i 后來有人將其應(yīng)用于其他類型消聲器的計(jì)算 1 6 1 7 國(guó)內(nèi)的劉曉玲 1 8 1 9 1 黎蘇口o 2 1 i 等人在邊界元方面都有較深的研究 z l j i z 2 1 使用 邊界元法研究了多腔抗性消聲器的聲衰減特性 同樣也比較深入 由于邊界元法難以應(yīng)用于非均勻介質(zhì)問題 并且邊界元法建立的求解代數(shù)方 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 程組的系數(shù)矩陣是非對(duì)稱的 對(duì)解題的范圍產(chǎn)生較大的限制 所以其使用范圍遠(yuǎn) 不如有限元法廣泛 就本文研究的內(nèi)容 排氣消聲器聲學(xué)性能的有限元分析來 看 我們不但關(guān)心消聲器進(jìn)出口邊界上的參數(shù)設(shè)置 而且還需要通過計(jì)算模擬和 分析 了解消聲器聲學(xué)結(jié)構(gòu) 振動(dòng)輻射和流體熱對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響 所以 本文采用的數(shù)值分析方法為有限元法 3 有限元法 f e m 聲學(xué)有限元法 a c o u s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 是將聲傳播的空氣域 如汽車 的內(nèi)部空間 用有限元離散化 根據(jù)聲學(xué)波動(dòng)方程 得到聯(lián)立代數(shù)方程式 通過 求解代數(shù)方程式得到聲傳播空氣域中的聲學(xué)特性 通常 將聲傳播空氣域周圍的 結(jié)構(gòu)振動(dòng)用有限元進(jìn)行離散化 同時(shí)考慮結(jié)構(gòu) 空氣耦合問題求解 空氣動(dòng)力 方程和空氣連續(xù)方程在一定條件下轉(zhuǎn)化為聲學(xué)波動(dòng)方程 2 a l 1 9 7 1 年 y o n gc r o c k e r 首次提出有限元法分析消聲單元的傳遞損失 采用矩 陣單元與拉格朗日函數(shù)法對(duì)簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔進(jìn)行分析 2 4 1 c r a g g s 進(jìn)一步發(fā)展了有限 元法 用于求解復(fù)雜形狀腔體的自然模態(tài)及頻率 j o p p a 和f y f e 用于研究不規(guī)則 腔體的阻抗特性 1 9 7 8 年以前的有限元法推導(dǎo)公式都是僅限于穩(wěn)定介質(zhì)狀態(tài)的 p e a k 發(fā)展了y o n g 和c r o c k e r 的工作 在四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的基礎(chǔ)上考慮了介質(zhì)均勻 流動(dòng)的影響 c r a g g s 則提出了傳統(tǒng)三維單元的有限元簡(jiǎn)化模型 用于簡(jiǎn)單管聲學(xué) 單元 以后r j b e r h a r d 又用有限元對(duì)消聲器進(jìn)行了形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究1 2 s l 加拿大多倫多大學(xué)的z m o m i d 用三維有限元法預(yù)測(cè)了簡(jiǎn)單消聲器的傳遞損失 比較了和邊界元法預(yù)測(cè)結(jié)果的差別 并用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證 2 6 1 在國(guó)內(nèi) 宮鎮(zhèn)和 黎蘇等在用有限元進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)上較為領(lǐng)先 江蘇大學(xué)的陸森林 劉紅光 曾 發(fā)林等老師在有限元方法上同樣比較先進(jìn) 文獻(xiàn) 2 7 2 9 1 則是運(yùn)用a n s y s 程序和相 關(guān)公式得到消聲器的四端子參數(shù) 并用m a t l a b 軟件編制接口程序和二次后處 理程序讀取數(shù)據(jù) 計(jì)算得到消聲器的傳遞損失 不僅很好的驗(yàn)證了有限元法能很 好的滿足消聲器的計(jì)算要求 而且還有相當(dāng)高的精度 文獻(xiàn) 3 0 3 2 貝0 使用有限元法 計(jì)算了直通穿孔管和三通穿孔管的聲學(xué)特性 指出穿孔管對(duì)低頻的聲學(xué)特性影響 較小 而對(duì)中高頻影響較大 文獻(xiàn)1 3 3 3 s l n 分析了消聲器內(nèi)部溫度和流場(chǎng)對(duì)消聲器 聲學(xué)性能的影響 為消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)性意見 此外還有特征線法 網(wǎng)格解析法 a 6 1 等 但由于有限元法具有精度高 適應(yīng) 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)已成為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具 本文運(yùn)用有限元軟件a n s y s 建立消聲器的網(wǎng)格模型 對(duì)消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 改進(jìn)優(yōu)化 研究發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器的基本聲學(xué)結(jié)構(gòu) 并對(duì)消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化 運(yùn)用軟件s y s n o i s e 對(duì)消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能分析 依據(jù)傳遞損失曲線 在傳遞 損失不足頻段處 對(duì)消聲器做局部改進(jìn) 以求在較寬頻段上得到更好的消聲效果 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 為了精確分析消聲器的聲學(xué)特性 本文采用有限元法計(jì)算機(jī)模擬仿真 來研 究汽車排氣消聲器的基本聲學(xué)單元 并對(duì)消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化組合 分析其聲學(xué)性 能 依據(jù)傳遞損失曲線 在傳遞損失不足頻段處 對(duì)消聲器做局部改進(jìn) 以求在 較寬頻段上得到更好的消聲效果 之后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車用某5 噸柴油機(jī)排氣消聲 器進(jìn)行聲學(xué)性能測(cè)試 使用有限元法對(duì)原配消聲器和改進(jìn)消聲器做聲學(xué)有限元分 析 具體來講 有以下幾部分內(nèi)容 1 介紹聲學(xué)理論和排氣消聲器的基礎(chǔ)知識(shí) 分析排氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和控 制方法 闡述消聲器傳遞損失的計(jì)算公式 為全文做理論依據(jù) 2 運(yùn)用a n s y s 和s y s n o i s e 軟件 對(duì)消聲器的基本聲學(xué)單元進(jìn)行聲學(xué)性 能分析 包括擴(kuò)張比 擴(kuò)張腔長(zhǎng)度 雙擴(kuò)張腔 出口管偏置 雙出口管 共振腔 內(nèi)插管和穿孔管等結(jié)構(gòu) 由于復(fù)雜消聲器都是由基本消聲結(jié)構(gòu)組成 所以對(duì)簡(jiǎn)單 消聲結(jié)構(gòu)的分析有助于認(rèn)識(shí)和研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器 3 根據(jù)以上聲學(xué)單元分析 研究一簡(jiǎn)單組合結(jié)構(gòu)消聲器和一復(fù)雜組合結(jié)構(gòu) 消聲器 根據(jù)傳遞損失曲線 在傳遞損失不理想的頻段 對(duì)消聲器做局部改進(jìn) 以求在較寬消聲頻段得到較好的消聲效果 4 先對(duì)汽車用某5 噸柴油機(jī)原配消聲器和改進(jìn)消聲器做聲學(xué)有限元分析 之后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析 并指出存在差異的可能原因 1 4 本章小結(jié) 本章首先說明了研究排氣消聲器聲學(xué)特性的目的和意義 指出安裝消聲器 是降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲最直接也是最有效的措施 接著分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 在此基礎(chǔ)上闡述了本文研究的主要陡容 指出消聲器聲學(xué)單元的聲學(xué) 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 性能分析 消聲器結(jié)構(gòu)的組合和優(yōu)化 某5 噸柴油機(jī)排氣消聲器的聲學(xué)性能分析 是本文研究的重點(diǎn) 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 聲波方程的建立 第二章聲學(xué)理論基礎(chǔ) 聲振動(dòng)現(xiàn)象為一種宏觀物理現(xiàn)象 應(yīng)當(dāng)滿足物理學(xué)基本定律 即牛頓第二定 律 質(zhì)量守恒定律以及描述壓強(qiáng) 溫度與密度關(guān)系的物態(tài)方程 通過這些定律 就可以用數(shù)學(xué)的形式定量的描述聲壓p 質(zhì)點(diǎn)速度1 和密度p 之間的變化關(guān)系 進(jìn)而建立聲壓隨空間和時(shí)間的變化關(guān)系 即聲波方程 3 7 1 為了更好的分析聲波的傳播 需要對(duì)媒質(zhì)和聲傳播過程作一定的假設(shè)p 8 1 1 媒質(zhì)為理想流體 即媒質(zhì)中不存在粘滯性 聲波在這種理想媒質(zhì)中傳播 時(shí)沒有能量的損耗 2 沒有聲擾動(dòng)時(shí) 媒質(zhì)在宏觀上是靜止的 即初速度為零 同時(shí)媒質(zhì)是均 勻的 因此媒質(zhì)中靜態(tài)壓強(qiáng)昂 靜態(tài)密度 都是常數(shù) 3 聲波傳播時(shí) 媒質(zhì)中稠密和稀疏的過程是絕熱的 即媒質(zhì)與毗鄰部分不 會(huì)由于聲過程引起的溫度差而產(chǎn)生熱交換 也就是說 我們討論的絕熱過程 4 媒質(zhì)中傳播的是小振幅聲波 各聲學(xué)參量都是一級(jí)微量 聲壓p 甚小于 媒質(zhì)中靜態(tài)聲壓昂 即p p o 質(zhì)點(diǎn)速度y 甚小于聲速c 及1 c 質(zhì)點(diǎn)位移 孝甚小于聲波波長(zhǎng)名 即孝 彳 媒質(zhì)密度增量甚小于靜態(tài)密度島 即p 7 o o 2 1 1 連續(xù)性方程 設(shè)有一個(gè)微元體 其長(zhǎng) 寬 高分別為出 方和如 微元體的體積為 d v d x d y d z 單位時(shí)間內(nèi)從x 方向流入到微元體的質(zhì)量為 肛 方出 2 1 單位時(shí)間內(nèi) 從x 方向流出微元體的質(zhì)量為 m x i 輩 d x d y d z 2 2 式中 一流體在x 方向的速度 這樣 凈流入到微元體的質(zhì)量為 r 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 i o l x p u x 掣出 批 一掣撕 2 3 c o茗 流體的流入和流出使得微元體內(nèi)的密度發(fā)生變化 由于密度變化而引起的 質(zhì)量變化為 望d x d y d z 根據(jù)質(zhì)量守恒定律 流入到這個(gè)微元體中的質(zhì)量等于這個(gè)長(zhǎng)方體的質(zhì)量變 化 于是得到微元體在x 方向的連續(xù)性方程 i a o p 誓 0 2 4 a t 瓠 2 1 2 動(dòng)力方程 微元體沿x 方向的左側(cè)和右側(cè)受到的力分別為 p a y a z 和 t 字出 方龍 微元體的質(zhì)量為 d m i x t x d y d z 根據(jù)牛頓第二定律 得到微元體在x 方向的動(dòng)力學(xué)方程為 腳出魯 p d y d z 七十罷出 撇 2 5 簡(jiǎn)化方程 2 5 得到 p 誓 一窆 2 6 p 言一言 2 丙 2 1 3 理想氣體方程 在聽力頻率范圍內(nèi) 其聲波額波長(zhǎng)比分子間的距離大的多 聲波在介質(zhì)中 不斷拉伸和壓縮 動(dòng)作非常快 質(zhì)點(diǎn)間來不及進(jìn)行熱交換 因此這些拉伸和壓縮 過程可以看成是等熵的 熱力學(xué)方程為 一p 衛(wèi) 2 7 p op o 將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo) 得到 害 囂 魯 2 8 2 1 4 聲波方程 根據(jù)公式 2 4 的連續(xù)性方程 公式 2 6 的動(dòng)力方程和公式 2 8 的理想氣體方 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 程 就可以得到在x 方向的一維聲學(xué)方程 一0 2 p 三魚 缸2c 2a t 2 2 9 同樣 我們可以沿著y 和z 方向建立各自的一維方程 同時(shí)考慮x y 和z 三 個(gè)方向的聲波運(yùn)動(dòng) 就可以得n 維系統(tǒng)的聲學(xué)方程 表達(dá)如下 等 霧 窘 吉粵o t 蘇2 卻2 瑟2c 2 2r 7 引入算子 方程可以寫成 2 2 聲波的傳播與反射 v 2 萬a 2 釅0 2 蠆0 2 v 2 p 7 1 可0 2 p 2 1 1 2 1 2 聲波在媒質(zhì)中傳播 當(dāng)遇到障礙物 邊界條件或者介質(zhì)改變 一部分聲波會(huì) 被反射回來 而另外一部分聲波則繼續(xù)傳播 即穿透障礙物或者邊界 圖2 1 表 示聲波入射 反射和透射的情況田i 入射聲波a 和反射聲波p 在第一介質(zhì)中傳播 而透射聲波b 在第二種介質(zhì) 中傳播 如圖2 1 所示 反射波和透射波的聲壓和強(qiáng)度取決于兩種介質(zhì)中的聲阻 抗 聲速和入射波的入射角度 第一種和第二種介質(zhì)的聲阻抗率分別為而和z 2 假設(shè)以兩個(gè)介質(zhì)的交界面為參考點(diǎn) 即工 0 在第一種介質(zhì)中 任何一點(diǎn) 的聲壓是入射波聲壓和反射波聲壓之和 即 p l x f p i x f p 工 t p f e 7 耐一氣 p e 耐 島 2 1 3 式中 a 一入射波的聲壓幅值 白 c o q 是第一種介質(zhì)中的波數(shù) b 一反射波 的聲壓幅值 1 0 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一種介質(zhì) 入射波 反射波 二種介質(zhì) 透射波 圖2 1 聲波的入射 反射和透射 f i g 2 1i n c i d e n c e r e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fs o u n dw a v e 由于第二種介質(zhì)的空間非常大 聲波透射后就一直往前傳播而沒有反射 所 以第二種介質(zhì)中任何一點(diǎn)的聲壓就是透射聲波的聲壓 即 p 2 x t 只 工 t p i e 餅一坳 2 1 4 式中 p f 透射波的聲壓幅值 如 a l c 2 是第二種介質(zhì)中的波數(shù) 在交界面處 x 0 第一種介質(zhì)的聲壓與第二種介質(zhì)的聲壓相等 即 a 0 f p 2 o f 將公式 2 1 3 和 2 1 4 代入上式 得到 p t 七p r p t 2 1 5 2 1 6 在第一種介質(zhì)中 反射聲波速度方向與入射聲波的速度方向相反 其合成的 速度可以寫成如下形式 x f 三 a p 磷一址 p y 耐 坼 2 1 7 互 在第二種介質(zhì)中透射波的聲波速度為 h 2 x f 三b e 脅一紅 z 2 2 1 8 在交界面處 x 0 兩種介質(zhì)的速度相等 得到 嵋 0 t 崛 0 f 2 1 9 將公式 2 1 7 和 2 1 8 代入上式 得到 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 盟丑 盈 2 2 0 乙z 2 在隔聲分析中 有多少功率被隔掉 或者說有多少功率透射到第二種介質(zhì)中 非常重要 這樣就引入一個(gè)概念 傳遞損失t l 傳遞損失用下面的公式定義 t l l o l g w 枷 g 囂劃 g 襄堋 g 警 仁2 1 從公式 2 2 1 分析 如果兩種介質(zhì)的聲阻抗相等 即而 z 2 那么 透聲系 數(shù)等于1 即所有的入射聲波全部透射 而沒有反射聲波的存在 2 3 本章小結(jié) 本章從三部分簡(jiǎn)單介紹了聲學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 第一部分介紹聲波方程的建立 即連續(xù)性方程 動(dòng)力方程 理想氣體方程和聲波方程 第二部分介紹了聲級(jí)的評(píng) 估 即聲壓級(jí) 聲功率級(jí)和聲強(qiáng)級(jí) 以及介紹二 多個(gè) 兩個(gè)以上 聲源同時(shí)存在時(shí) 的總的聲級(jí)的算法 最后一部分則介紹了聲波的傳播 反射與透射 以及引入了 一重要概念 傳遞損失 r l 1 2 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章排氣消聲器理論基礎(chǔ) 3 1 排氣噪聲的產(chǎn)生和控制 發(fā)動(dòng)機(jī)存在多個(gè)聲源 根據(jù)其工作原理 工作狀態(tài)及有關(guān)聲學(xué)方面的理論 可將發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源分為三種1 4 0 1 空氣動(dòng)力性噪聲 機(jī)械噪聲和燃燒噪聲 在 沒有排氣消聲器時(shí) 排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)最大的噪聲源1 4 1 皿 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提 高和增壓技術(shù)的應(yīng)用 加大了排氣系統(tǒng)的流速 使得降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的研究 變得更加重要 一般對(duì)所設(shè)計(jì)的消聲器有三方面的要求1 4 3 1 1 要求有較大的消聲量 并具 有較好的消聲頻率特性 2 消聲器對(duì)氣流的阻力損失或功能消耗要小 3 消聲 器要堅(jiān)固耐用 體積小 重量輕 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易于加工 上述是對(duì)消聲器的最基 本的要求 這些要求互相聯(lián)系 互相制約 根據(jù)具體用途可以有所側(cè)重 3 1 1 排氣噪聲的產(chǎn)生 排氣過程可分為自由 或稱超臨界 排氣階段和強(qiáng)制排氣階段 柴油機(jī)全負(fù) 荷工作時(shí) 排氣開始時(shí)氣缸內(nèi)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)8 0 0 1 0 0 0 c 氣缸壓力p b 約為 3 4 x1 0 5 p a 由于這時(shí)氣缸內(nèi)的壓力為排氣管內(nèi)壓力p o 的兩倍以上 排氣為超 臨界流動(dòng) 這時(shí)通過排氣門的氣體速度等于燃?xì)庵械穆曀?自由排氣階段 雖然 占整個(gè)排氣時(shí)間的百分比不大 但氣體流速很高 排出廢氣量可達(dá)6 0 以上 廢 氣從排氣門以高速?zèng)_出 沿著排氣歧管進(jìn)入消聲器 最后從尾管排入大氣 在這 一過程中 產(chǎn)生了寬頻帶的排氣噪聲 排氣噪聲的頻譜常包含以下頻率成分 1 以每秒鐘內(nèi)排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲 由于每一缸的排氣門開啟時(shí) 氣缸內(nèi)燃?xì)馔蝗桓咚賴姵?氣流沖擊到排氣道內(nèi)氣門附近的氣體上 使其產(chǎn)生壓 力劇變而形成壓力波 從而激發(fā)出噪聲 由于各氣缸排氣是在指定的相位上周期 性地 進(jìn)行 因而這是一種周期性的噪聲 是典型的低頻噪聲 2 排氣管內(nèi)氣柱共振的噪聲 排氣系統(tǒng)管道中的空氣柱 在周期性排氣噪 聲的激發(fā)下 因發(fā)生共振而產(chǎn)生空氣柱共振噪聲 3 排氣歧管的氣流吹氣聲 某一缸廢氣大量排出時(shí) 氣流流向總管 也會(huì) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 吹向其它各氣道的開口端 氣流流速也隨著曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生大幅度的變化 會(huì)產(chǎn)生 一種周期性渦流 這種渦流將使歧管內(nèi)氣體產(chǎn)生壓力波動(dòng) 從而激發(fā)出以高頻為 主的噪聲 4 赫姆霍茲共振噪聲 對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī) 尤其是單缸發(fā)動(dòng)機(jī) 排氣門開啟 時(shí) 正在排氣的氣缸與排氣管相通 該氣缸容積如同一個(gè)赫姆霍茲共振器 由于 氣缸內(nèi)氣體共振 而激發(fā)出噪聲 它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān) 多缸時(shí)則不明顯 5 廢氣噴注和沖擊噪聲 在自由排氣階段 排氣門處會(huì)由于高速的氣流噴 注而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噴注噪聲 此外 排氣門附近存在著氣體壓力的不連續(xù)面 這種 壓力不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生沖擊波 因而產(chǎn)生沖擊噪聲 是連續(xù)寬帶高頻噪聲 6 排氣管內(nèi)壁面處的摩擦及紊流噪聲 紊流氣體在排氣道內(nèi)壁面附近造成 的渦流引起的氣體壓力波動(dòng) 輻射出噪聲 這種紊流噪聲主要是寬帶的高頻噪聲 總之 汽車排氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的因素很多 除上述六種組成部分外 還有 一些其它組成聲源 如 排氣門桿產(chǎn)生的渦流噪聲 排氣系統(tǒng)中再燃燒產(chǎn)生的噪 聲 由排氣脈沖壓力激發(fā)管壁而產(chǎn)生的噪聲 排氣門落座聲 氣流通過斷面突變 處的湍流噪聲等 3 1 2 排氣噪聲的控制 控制發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲應(yīng)立足于不產(chǎn)生新噪聲和降低聲源的強(qiáng)度 可以從 以下兩個(gè)方面來控制噪聲 一種方法是從減少噪聲源來考慮 根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理來采取相應(yīng)的措施 這種方法是最徹底的 而且其潛力也是很大的 1 9 7 8 年在美國(guó)召開的第十屆國(guó) 際噪聲控制會(huì)議上曾提出 八十年代為 從聲源控制噪聲 的年代 但是 涉及 到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的控制 則需要考慮產(chǎn)生排氣噪聲的各種因素 牽扯到發(fā)動(dòng)機(jī) 本身及排氣系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì) 其難度是非常大的 如 凸輪軸 氣門機(jī)構(gòu)以及 氣缸蓋的設(shè)計(jì) 都要涉及到排氣系統(tǒng)的噪聲 而這些又要影響到發(fā)動(dòng)機(jī)其它方面 的性能 因而需要綜合考慮并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究 減少噪聲源的主要工作就是 集中在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排氣系統(tǒng)不做大的改變的情況下 采用一些措施來降 低噪聲源的強(qiáng)度 另一種降噪方法就是就是控制噪聲的傳播 它是目前廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)排氣噪聲控制中的方法 即在排氣系統(tǒng)中安裝適當(dāng)?shù)呐艢庀暺?使噪聲向環(huán) 1 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 境輻射之前就得到大幅度的衰減 從而起到降低噪聲的作用 由于實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的原因 后者較為廣泛采用 所以對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)研究和 聲學(xué)性能研究尤為重要 這也是本文主要的研究?jī)?nèi)容 3 2 排氣消聲器的分類 消聲器是一種阻止聲傳播而允許氣流通過的降噪裝置 是控制氣流噪聲的 主要技術(shù)措施 若在空氣動(dòng)力機(jī)械的輸氣管道中或進(jìn)排氣口上安裝合適的消聲 器 就能使進(jìn)出口噪聲降低2 0 5 0 d b 因此 消聲器廣泛應(yīng)用于各種風(fēng)機(jī) 內(nèi)燃 機(jī) 空氣壓縮機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī)及其它高速氣流排放的噪聲控制中 對(duì)汽車內(nèi)燃機(jī)的 排氣噪聲控制問題 要從聲源機(jī)理入手 通過內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的途徑來根治 是十分困難的 且降噪效果尚無法達(dá)到汽車噪聲允許標(biāo)準(zhǔn)的要求 最簡(jiǎn)單而有效 的降噪措施便是采用排氣消聲器 4 4 1 消聲器通常分為有源消聲器和無源消聲器兩大類 不同結(jié)構(gòu)消聲器的消聲 原理不同 消聲特性也不同 有源消聲是指噪聲的主動(dòng)控制 根據(jù)兩個(gè)聲波相消 性干涉或聲波輻射抑制的原理 通過人為的控制 使其發(fā)出的聲音與原來的輻射 噪聲大小相等 相位相反 二者相互抵消 從而達(dá)到降噪的目的 有源消聲器的 優(yōu)點(diǎn)是體積小 成本低 便于設(shè)計(jì)和控制 低頻降噪效果好等 是消聲器噪聲控 制的發(fā)展方向 常見無源消聲器分為 阻性消聲器 抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消 聲器 無源消聲的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟 是目前廣泛應(yīng)用的降噪措施 3 2 1 阻性消聲器 阻性消聲器是將吸聲材料安裝在氣流通道內(nèi)制作而成的 當(dāng)噪聲沿消聲器管 道傳播時(shí) 聲波便分散到多孔吸聲材料里 激發(fā)多孔材料中無數(shù)小孔內(nèi)的空氣介 質(zhì)振動(dòng) 由于摩擦和粘滯作用 將部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏牡?從而達(dá)到消聲 的目的 吸聲特性是低頻差 中高頻好 4 4 1 阻性消聲器內(nèi)部的多孔性吸聲材料 耐高溫 耐腐蝕性差 且吸聲材料的微孔易被廢氣中的炭灰堵塞 故阻性消聲器 不宜用于汽車排氣消聲器 而常被用于控制風(fēng)機(jī)類進(jìn)排氣噪聲 對(duì)于直管吸聲通道 按一維平面波理論且忽略氣流的影響 可推導(dǎo)出阻性消 聲器在直管中的衰減量計(jì)算公式1 4 5 1 1 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 d a l d b 3 1 式中 a 一消聲系數(shù) 它與吸聲材料吸聲系數(shù)口有關(guān) 見表3 1 f 一消聲器氣 流通道的截面周長(zhǎng) s 一消聲器氣流通道的橫截面積 三一消聲器的有效長(zhǎng)度 表3 1 消聲系數(shù)a 和吸聲系數(shù)t 2 的關(guān)系 t a b l e 3 1c o e f f i c i e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o i s ee l i m i n a t i o naa n ds o u n da b s o r p t i o no t 口 0 10 2 0 30 50 6 1 0 a 0 10 20 4 0 7 1 0 1 5 消聲器的消聲量不僅與結(jié)構(gòu)形式 吸聲材料的吸聲特性和通過消聲器的氣流 速度以及消聲器的有效長(zhǎng)度有關(guān) 而且還與聲音的頻率有關(guān) 因此 對(duì)每種具有 不同的通道截面的阻性消聲器 都有相對(duì)應(yīng)于其使用的頻率范圍 當(dāng)聲波頻率過 高 聲波將以窄束狀通過消聲器 而很少甚至根本不與吸聲材料相接觸 從而使 消聲效果明顯下降 所以 對(duì)每種不同通道截面積都相應(yīng)有其使用的頻率范圍 其上限以上的頻率聲音 消聲器對(duì)它無效 這一上限頻率可由下式計(jì)算 尼 1 2 2 舌 3 2 式中 f 一聲速 d 一通道截面的當(dāng)量直徑 對(duì)于圓截面時(shí)為直徑 3 2 2 抗性消聲器 抗性消聲器是由聲抗性元件組成的消聲器消聲原理是利用管道中聲學(xué)性能 突變處的聲反射作用 借助管道截面的突然擴(kuò)張 收縮或旁接共振腔 產(chǎn)生聲阻 抗失配 使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的截面處發(fā)生反射 干涉現(xiàn)象 從而達(dá) 到消聲的目的 抗性消聲器采用金屬制造 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 壽命長(zhǎng) 耐高溫 耐腐蝕 耐氣流沖擊 不會(huì)被廢氣中的微粒堵塞 因此是目前廣泛應(yīng)用于汽車排氣降噪 抗性消聲器對(duì)中低頻部分降噪效果好 但對(duì)寬頻帶高頻部分的降噪相對(duì)較差 為 了彌補(bǔ)其高頻降噪效果的缺陷 常采用多級(jí)組合或加穿孔管 穿孔板 等高頻消聲 效果較好的單元結(jié)構(gòu) 以提高消聲頻帶 3 2 3 阻抗復(fù)合式消聲器 阻抗復(fù)合式消聲器的消聲原理 可以認(rèn)為是阻性消聲原理和抗性消聲原理 1 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 的結(jié)合 阻抗復(fù)合式消聲器把對(duì)中高頻消聲效果較好的阻性消聲器與對(duì)中低頻消 聲效果較好的抗性消聲器組合在一起 從而取得較寬頻帶的降噪效果 但由于聲 波的波長(zhǎng)較長(zhǎng) 阻性消聲器和抗性消聲器復(fù)合在一起時(shí)有聲音的耦合作用 互相 影響 所以不能看作是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系 設(shè)計(jì)或選用阻抗復(fù)合式消聲器 要注意 把抗性消聲部分放在氣流的入口端 而阻性消聲部分放在消聲器后部 為獲得較 寬的消聲頻帶 要根據(jù)噪聲源的頻譜和所要求的消聲頻率特性 正確設(shè)計(jì)選擇阻 性與抗性消聲器的組合結(jié)構(gòu) 3 3 排氣消聲器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 消聲器經(jīng)過多年的發(fā)展已同趨成熟 其種類繁多 結(jié)構(gòu)多樣 但一個(gè)好的消 聲器不論屬于何種類型 都應(yīng)滿足以下三個(gè)方面要求i 锎 1 聲學(xué)性能 用傳遞損失 插入損失和末端降噪量等來評(píng)價(jià) 其值越大越 好 2 空氣動(dòng)力性能 以功率損失比 壓力損失和阻力系數(shù)來評(píng)價(jià) 其值越小 越好 3 機(jī)械性能 幾何尺寸越小 壽命越長(zhǎng) 價(jià)格越低 則性能越好 3 3 1 聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 聲學(xué)性能包括消聲量的大小和消聲頻帶范圍的寬窄兩個(gè)方面 設(shè)計(jì)消聲器的 目的就是要根據(jù)噪聲源的特點(diǎn)和頻率范圍 使消聲器的消聲頻率范圍滿足需要 并盡可能地在要求的頻率范圍內(nèi)獲得較大的消聲量 即在目標(biāo)頻帶上有較好的消 聲效果 一般以倍頻程和三分之一倍頻程的頻譜來表示消聲器的頻率特性 若進(jìn) 行較深入的分析時(shí)也可用窄帶譜來表示 消聲頻率范圍就是指消聲量顯著的頻率 或頻帶 這方面沒有統(tǒng)一的定量評(píng)價(jià)指標(biāo) 一般要求 有效頻帶越寬越好 對(duì)人敏 感的頻率范圍應(yīng)有足夠的消聲量 對(duì)聲源輻射噪聲大的頻段應(yīng)有較大的消聲量 這樣應(yīng)用消聲器降噪的效果就比較好m 1 1 消聲器消聲量的大小通常用四種度量來表征 分別為 傳遞損失 插入損失 聲壓級(jí)差值和聲壓級(jí)眇 4 7 1 1 傳遞損失t l 1 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳遞損失只與消聲器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān) 不受聲源特性和尾管輻射特性的影 響 是消聲器研究中最常用的聲學(xué)性能指標(biāo) 當(dāng)進(jìn)出口管面積相等且滿足平面波 條件時(shí) 消聲器的傳遞損失可表示為 1 1 i 死 1 g w w 2 01 9 1 蚩i 固 式中 睨 p 廠消聲器進(jìn)口管的入射聲功率和入射聲壓 職 p 廠消聲器出e l 管 的透射聲功率和透射聲壓 圖3 1 為計(jì)算消聲器傳遞損失原理圖 消聲器入1 2 處的聲壓p 1 可用入射聲壓 p f 和反射聲壓a 之和來表示p 引 即 p l p f p 3 4 而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)可表示為 肛q p f p 3 5 式中 p 一空氣密度 c 一聲速 p i m u f f l e r p t p r 3 4 式和 3 5 式相加得 假設(shè)出口為無反射端 則 圖3 1 消聲器的聲傳播過程 f i g 3 1s o u n dp r o p a g a t i o no fm u f f l e r 將 3 6 式 g l 3 7 式代x 3 3 式得 臚業(yè)筍 p2 p f 3 6 3 7 皿 加培i 旦斧l 8 1 8 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 將消聲器模型在a n s y s 中建好 并劃分網(wǎng)格 諧分析計(jì)算后把模型導(dǎo)入 s y s n o i s e 中 以 3 3 9 式為進(jìn)口端邊界條件 得到聲場(chǎng)中各節(jié)點(diǎn)的速度勢(shì) 利 用 3 1 5 式求出消聲器各節(jié)點(diǎn)聲壓值 再用 3 8 式即可求得消聲器的傳遞損失 2 插入損失i l 插入損失i l 定義為安裝消聲器前后在固定測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí) 或總聲壓級(jí) 頻 帶聲壓級(jí) 之差 尼 k 屯見 2 0 l g 瑩 d b 3 9 式中 l 見 三幾一安裝消聲器前后在某測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí) p 1 扔一安裝消聲器前 后在某測(cè)點(diǎn)的聲壓 插入損失是考慮整個(gè)系統(tǒng) 也就是說除了消聲元件本身外 插入損失還包 括了聲源和進(jìn)出口的聲學(xué)特性 因此這種方法是描述整個(gè)系統(tǒng)消聲效果的最佳表 達(dá)方式 3 聲壓級(jí)差值l d 聲壓級(jí)差值定義為系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)聲壓級(jí)的差值 加 a g p 2 2 0 1 9 仍p a d b 3 1 0 式中 l n l p 2 一系統(tǒng)中第1 點(diǎn)和第2 點(diǎn)的聲壓級(jí) a 仍一系統(tǒng)中第1 點(diǎn)和 第2 點(diǎn)的聲壓 4 聲壓級(jí) 上面三種方法通常用于評(píng)價(jià)消聲元件的消聲效果或者是消聲元件對(duì)整個(gè)系 統(tǒng)的影響 可是在評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)時(shí) 最關(guān)心的是出口處的聲壓級(jí) 如進(jìn)氣系統(tǒng)中 進(jìn)氣口的聲壓和排氣系統(tǒng)中排氣尾管口的聲壓 3 3 2 空氣動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 消聲器的空氣動(dòng)力性能是評(píng)價(jià)消聲器優(yōu)劣的另一重要指標(biāo) 直接影響發(fā)動(dòng)機(jī) 的性能和匹配問題 若消聲器的阻力過大 則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失增大 從而影 響到汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性 消聲器阻力是由局部阻力和管壁沿程摩擦阻力組成