汽車消聲器性能分析與設(shè)計畢業(yè)論文.doc

1、汽車消聲器性能分析與設(shè)計摘 要消聲器作為控制排氣噪聲的一種簡單而有效的方法，在汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計高消聲性能、低壓力損失的排氣消聲器是目前汽車噪聲控制中的重要課題。本文針對某典型發(fā)動機排氣系統(tǒng)設(shè)計了一款消聲器，并對其進行了分析和改進。本文利用聲場有限元方法和流場有限容積方法分析了簡單擴張腔的聲場、 流場分布規(guī)律，探討了氣流對消聲器性能的影響，結(jié)果表明：隨著溫度的升高，傳聲損失頻譜往高頻移動，使得高頻消聲效果變好，中低頻變差；?？梢妼ε艢庀暺鬟M行設(shè)計、分析和改進時不能忽視這些外在因素的影響。根據(jù)發(fā)動機排氣直管噪聲頻譜特性，設(shè)計了一款排氣消聲器，在此基礎(chǔ)上建立實體模型和有限

2、元模型，仿真分析了內(nèi)部多物理場分布，總結(jié)了該消聲器的聲學(xué)特性和空氣動力性。結(jié)果表明：該消聲器在 20100hz、8001200hz 及6002000hz低、中頻段的傳聲損失偏低，高速氣流可能導(dǎo)致再生噪聲較大，壓力損失較大，各腔溫度差異大。關(guān)鍵詞：排氣消聲器；有限元；空氣動力性；聲學(xué)特性 performance analysis and design of car mufflerabstractas a effective method of controlling vehicles noise, muffler has been widely applied in exhaust system

3、 of engine. it is an important topic to exhaust mufflers that have good attenuation performance and low pressure loss in the field of automobiles noise control. a muffler for a typical exhaust system is designed. the finite element method is applied to simulate it characteristic and to predict it pe

4、rformance so as to have an improved design.the finite element method is applied to analyze the rules of the flow field, and acoustic field inside expansion chambers which is basing on that the influence of temperature and velocity is taken into account. the results indicate that: when temperature ri

5、ses, the spectrum moves toward higher frequency, which makes the attenuation performance in high frequencies better and that in middle frequencies worse. when the temperature and heat transfer, the velocity of turbulence is rise，and pressure loss is reduced .as a result, these outside factors cant b

6、e ignored when designing, analyzing and redesigning an exhaust muffler.an exhaust muffler is designed basing on analyzing the sound of the engine. by building a model of it, different grid meshes are formed based on the calculation characteristic of acoustic field and the flow field. the acoustics a

7、nd aerodynamics performance of the muffler are analyzed. the result suggests that the sound attenuation pat 20100hz,8001200hz and 16002000hz frequency isnt good , the high-speed flow may bring the air flow regeneration noise ，the pressure loss is little of high and the difference between every chamb

8、er is large.key words： exhaust muffler, finite element method, aerodynamics performance, attenuation performance 目錄前言1第1章緒論31.1 消聲器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.2 本課題的主要研究目的與內(nèi)容3第2章 消聲器理論基礎(chǔ)52.1 聲壓52.2 聲阻抗52.3聲功率和聲強52.4 級的概念62.5理想流體媒質(zhì)中的聲波方程62.6消聲器性能的評價指標(biāo)72.6.1消聲量72.6.2消聲頻率范圍82.6.3阻力損失92.7消聲器的分類92.7.1 抗性消聲器92.7.2 阻性消聲器102

9、.7.3阻抗復(fù)合型消聲器102.8本章小結(jié)11第三章 汽車排氣消聲器分析設(shè)計方法123.1 排氣噪聲的頻率特性123.2 消聲器的設(shè)計指標(biāo)的確定123.3消聲器結(jié)構(gòu)的確定133.3.1 消聲器的結(jié)構(gòu)類型的確定133.3.2 消聲器進、出口管的直徑 的確定143.3.3 消聲器容積的確定143.3.4 消聲器截面形狀的確定163.3.5 擴張比m 的確定163.3.6 消聲器外形尺寸l 和 d 的確定173.3.7 消聲器腔數(shù) n 的確定173.3.8 消聲器各腔長度的確定183.3.9 消聲器內(nèi)各腔連接方法的確定193.3.10穿孔管擴張腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定193.4消聲器聲學(xué)性能分析方法203.

10、4.1 一維平面波理論分析213.4.2 三維數(shù)值仿真分析方法213.5消聲器空氣動力性分析233.5.1 傳統(tǒng)的消聲器壓力損失計算233.5.2 cfd仿真分析方法253.6消聲器的改進設(shè)計263.7本章小結(jié)27第4章單擴張腔結(jié)構(gòu)的性能分析284.1傳聲損失的理論分析284.2基于sysnoise的有限元三維聲場分析314.2.1 網(wǎng)格劃分314.2.2 消聲器結(jié)構(gòu)本身的消聲特性分析314.2.3 氣流對消聲器傳聲損失的影響仿真結(jié)果334.3單擴張腔結(jié)構(gòu)的空氣動力性分析354.4本章小結(jié)36第5章汽車排氣消聲器的設(shè)計375.1消聲器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的確定375.1.1 排氣消聲器進、出氣管內(nèi)徑、

11、的確定375.1.2 消聲器容積及截面形狀的確定375.1.3 消聲器外形尺寸l和d以及消聲器腔數(shù)n的確定375.1.4消聲器各腔長度的確定385.1.5 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定結(jié)果395.1.6 內(nèi)插管布置方式及長度確定405.2消聲器結(jié)構(gòu)模型的建立405.3聲場分析415.3.1 網(wǎng)格劃分415.3.2 消聲器結(jié)構(gòu)本身的消聲特性分析425.4 消聲器最終結(jié)構(gòu)的確定435.5本章小節(jié)43第6章 總結(jié)45致謝47參考文獻(xiàn)48外文資料翻譯50翻 譯56前言噪聲是工業(yè)社會帶來的副產(chǎn)品，它與大氣污染和水污染一起被認(rèn)為是當(dāng)今世界三大公害。與其他兩個公害相比，噪聲的影響面最廣，感覺最直接，人們反映也最多。汽

12、車作為一種主要的交通工具日益普及和增長，因而汽車噪聲所造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。在美國，僅紐約市每月對噪聲污染提出的控訴就達(dá)三百余件。19661974年，日本全國公害起訴案件中，每年有35%左右是起訴噪聲污染的。我國噪聲污染也很嚴(yán)重，對北京、上海等十大城市進行的統(tǒng)計表明，環(huán)境訴訟事件中的噪聲污染案件，在1980年占34.6%，在1981年占44.8%，2010年占63.5%。顯然，噪聲污染已構(gòu)成一個社會問題。汽車是城市噪聲污染的主要聲源。在交通繁忙時刻，大街上的噪聲有時高達(dá)90db以上，這樣強烈的噪聲足以干擾人們的談話等正?；顒?，并對人的健康產(chǎn)生慢性危害。目前，汽車噪聲及其控制已引起人們的廣泛

13、注意。汽車所輻射的噪聲約占整個環(huán)境噪聲的 75，而汽車排氣系統(tǒng)的噪聲又占到了汽車整車散發(fā)噪聲的 36，排氣噪聲是汽車的主要噪聲源，它通常比其它噪聲高 1015db(a)。因此控制排氣噪聲是控制汽車噪聲乃至控制環(huán)境噪聲的關(guān)鍵。排氣噪聲是汽車及發(fā)動機中能量最大最主要的噪聲源，它的噪聲往往比發(fā)動機整機噪聲高10db(a)15db(a)。除基頻噪聲及其高次諧波噪聲外，排氣噪聲還包括排氣總管和排氣歧管中存在的氣柱共振噪聲、氣門桿背部的渦流噪聲、排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面的紊流噪聲等，此外，排氣噪聲還包括廢氣噴射和沖擊噪聲。排氣噪聲的控制策略主要是： (1)從排氣系統(tǒng)的設(shè)計方面入手，如合理設(shè)計排氣管的長度與形狀，

14、以避免氣流產(chǎn)生共振和減少渦流。 (2)廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用可降低排氣噪聲，但最有效的方法還是采用高消聲技術(shù)，使用低功率損耗和寬消聲頻率范圍的排氣消聲器。本文對汽車排氣消聲器進行性能分析與設(shè)計，對設(shè)計高性能的消聲器，降低汽車排氣噪聲有一定的重要意義。第1章 緒論1.1 消聲器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀消聲器是控制空氣動力性噪聲的有效措施之一。幾十年來，國內(nèi)外對各類消聲器做了大量的理論工作，生產(chǎn)出了不同用途的消聲器。特別是80年代以來，隨著環(huán)境保護科學(xué)和噪聲控制技術(shù)的發(fā)展，不少國家已研制和應(yīng)用了各種系列化的消聲器，并建立了專門的消聲器的工廠或車間。我國研究、設(shè)計、制造各類消聲器的單位也日益增多，采用消聲器控制

15、空氣動力設(shè)備的噪聲污染，得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，目前全國有300多個噪聲與振動控制設(shè)備生產(chǎn)單位，其中70%左右的單位都生產(chǎn)消聲器，消聲器型號規(guī)格多達(dá)幾百種。消聲器作為降低和控制汽車排氣噪聲的一種有效途徑，在汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外汽車工程界對排氣消聲系統(tǒng)做了大量的理論分析和試驗研究工作，形成和發(fā)展了消聲器性能分析與設(shè)計的理論設(shè)計、計算分析方法對消聲器的綜合性能研究主要包括對消聲器的聲學(xué)性能及空氣動力性能的研究。消聲器聲學(xué)性能的研究主要包括聲學(xué)理論計算法、計算聲學(xué)法、試驗法，另外還包括基于聲學(xué)理論和試驗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和其他消聲器優(yōu)化設(shè)計方法；消聲器的空氣動力性能研究方法則主要

16、有傳統(tǒng)的理論分析方法、試驗測量方法及計算流體動力(computational fluid dynamics)，cfd方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、試驗測量方法組成了研究流體流動問題的完整體系。1.2 本課題的主要研究目的與內(nèi)容不同類型汽車發(fā)射的噪聲功率和頻譜特性有很大差異。由于物理性能上的差異，以及文化、傳統(tǒng)和生活方式的影響，人們對噪聲的接納已經(jīng)更多地加入了主觀因素，對消聲器的性能提出了更高的要求。性能的影響因素。本文對單擴張腔消聲器進行分析研究，總結(jié)了消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣流溫度、流速等對消聲器綜合性能的影響情況，為消聲器的設(shè)計與改進提供為了設(shè)計出高性能的排氣消聲器，研究消聲器綜合消聲依據(jù)。本文針對

17、某一典型發(fā)動機排氣系統(tǒng)，設(shè)計了消聲器，預(yù)測了其綜合性能。本文的具體內(nèi)容如下：1）總結(jié)當(dāng)前消聲器的設(shè)計理論和方法，理論分析分析消聲器聲學(xué)性能及空氣動力性能的影響因素。2）采用基于三維聲學(xué)分析 sysnoise 及 ansyscfx 軟件的有限元方法計算分析單擴張腔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能及空氣動力性能，分析消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣流溫度等對消聲器內(nèi)部流場、聲場、壓力場的影響，從而研究消聲器中的流場、壓力損失、再生噪聲等對消聲器性能的影響，為消聲器的設(shè)計與改進提供依據(jù)。 3）針對某典型發(fā)動機，利用當(dāng)前消聲器的設(shè)計方法，確定消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維物理模型；利用 ansa 軟件對三維物理模型畫網(wǎng)格，分別建立適合聲

18、場和流場數(shù)值計算的有限元模型。 4）選擇合適的進出口邊界條件，利用 sysnoise 軟件對消聲器聲場進行計算，探索排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聲場分布規(guī)律；擇適合排氣消聲器的進出口邊界條件以及數(shù)值計算的相應(yīng)湍流模型， 利用ansyscfx 軟件進行排氣消聲器內(nèi)流場三維數(shù)值分析，探索排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流場分布規(guī)律；從而，分析預(yù)測消聲器的綜合性能，探討影響消聲器傳聲損失和功率損失的主要因素，提出消聲器改進方案。5）預(yù)測分析各改進消聲器的綜合性能，選擇綜合最優(yōu)的消聲器結(jié)構(gòu)，并繪制消聲器 2d 裝配和零件圖。第2章 消聲器理論基礎(chǔ)2.1 聲壓聲波引起空氣質(zhì)點的振動，使大氣壓力產(chǎn)生壓強的波動稱為聲壓，亦即聲

19、場中單位面積上由聲波引起的壓力增量為聲壓，用p表示，單位為帕（pa）。通常用聲壓來衡量聲音的強弱。正常人耳能聽到的聲壓是到。2.2 聲阻抗媒質(zhì)在一定表面上的聲阻抗是該表面上的平均有效聲壓 p對通過該表面上的有效體積速度 u（質(zhì)點振速 v 和截面面積 s 的乘積）的比值：。聲阻抗的實數(shù)部分為聲阻，虛數(shù)部分為聲抗。聲阻抗的倒數(shù)為聲導(dǎo)納。對于全反射的剛性壁面，阻抗無窮大，導(dǎo)納為零；對于吸聲系數(shù)很高的材料，阻抗很低，導(dǎo)納很高。聲阻抗率是媒質(zhì)中某一點的有效聲壓對該點的有效質(zhì)點速度 v 的比值。在一自由平面聲波中，某點的有效聲壓 p 對該點的有效質(zhì)點速度 v 的比值稱為特性阻抗。它等于媒質(zhì)密度和媒質(zhì)中聲速

20、c的乘積,。性阻抗反映了介質(zhì)的聲學(xué)特性，它隨溫度和大氣壓變化，是介質(zhì)對振動面運動的反作用的定量描述。在溫度為 15c 和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，空氣的特性阻抗大約為416.5pa.s/m。2.3聲功率和聲強在單位時間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向的面積s的平均聲量稱為平均功率（平均聲能通量）,即w的單位為w， 1w=1n.m/s。聲強則定義為流過垂直于聲傳播方向上的單位面積的平均聲能通量，又稱作平均聲能通量密度，單位為。定義式為聲功率是一個標(biāo)量，它反映了外力在煤質(zhì)單元體積上單位時間所做功的大小，也即反映了聲源的振動輻射能量的大??；而聲強則是一個矢量，它不但反映了聲能量的大小，還反映了生能量的流向，聲強矢量的指向

21、就是聲傳播的方向。2.4 級的概念從聽閾聲壓2x10pa到痛閾聲壓20pa，聲壓得絕對值數(shù)量級相差100萬倍，因此，用聲壓的絕對值表示聲音的強弱是很不方便的，再有人對聲音響度感覺是與對數(shù)成比例的，所以，人們采用了聲壓或能量的對數(shù)比表示聲音的大小，用“級”來衡量聲壓、聲強和聲功率，稱為聲壓級、聲強級和聲功率級。表達(dá)式分別如下：2.5 理想流體媒質(zhì)中的聲波方程 聲場的特征可以通過媒質(zhì)中的聲壓、質(zhì)點速度和密度的變化量來表征。聲壓、質(zhì)點速度和密度隨空間位置的變化和隨時間的變化之間聯(lián)系的數(shù)學(xué)表示就是聲波的波動方程。為了使問題簡化必須對媒質(zhì)和聲波方程做出一些假定，即： 媒質(zhì)為理想流體，即媒質(zhì)中不存在粘滯性

22、，聲波在這種理想媒質(zhì)中傳播時沒有能量損耗； 沒有聲擾動，媒質(zhì)在宏觀上是靜止的，同時媒質(zhì)是均勻的，因此媒質(zhì)中靜態(tài)壓強靜態(tài)密度都是常數(shù)；聲波傳播時，媒質(zhì)中稠密和稀疏的過程是絕熱的；媒質(zhì)中傳播的是小振幅聲波，各聲學(xué)參量都是一級微量，即聲壓 p 甚小于媒質(zhì)中靜態(tài)壓強，質(zhì)點速度 v 甚小于聲速，質(zhì)點位移甚小于聲波波長；媒質(zhì)密度增量甚小于靜態(tài)密度。聲振動作為一個宏觀的物理現(xiàn)象，必然要滿足三個基本的物理定律：牛頓第二定律、質(zhì)量守恒定律及描述壓強、溫度和體積等狀態(tài)參數(shù)有關(guān)的物態(tài)方程。運用這些定律就可以分別推導(dǎo)出媒質(zhì)的連續(xù)方程，即與 v之間的關(guān)系；運動方程即 p與 v之間的關(guān)系；狀態(tài)方程，即 p與之間的關(guān)系。連

23、續(xù)方程就是質(zhì)量守恒定律，是物質(zhì)在媒質(zhì)中不增也不減的數(shù)學(xué)描述，它說明進入一個小體積邊界的物質(zhì)量等于小體積內(nèi)所增加的量。運動方程是由牛頓第二定律推導(dǎo)而得，即作用于流體微團上的合力，等于流體微團的動量變化率。氣體狀態(tài)方程，聲波在理想介質(zhì)中傳播時，因波動過程很快，壓縮和膨脹所需時間比熱傳導(dǎo)所需時間短的多，介質(zhì)還來不及與相鄰部分進行熱交換，故將聲傳播過程視為絕熱過程，并滿足絕熱規(guī)律。波動方程是由上述三個方程導(dǎo)出的聲波傳播方程。2.6 消聲器性能的評價指標(biāo)2.6.1 消聲量通常用消聲量來評價消聲器的聲學(xué)性能，而評價排氣消聲器的消聲量常用指標(biāo)有插入損失與傳聲損失。(1)傳聲損失傳聲損失也稱為消聲器的隔聲量，

24、表示消聲器輸入和輸出噪聲能量的相對變化關(guān)系，定義為消聲器入口和出口的聲功率級之差。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（2.1）所示。 (2-1) 式中： -消聲器入口與出口端的聲功率(w)； -消聲器入口與出口端的聲功率級（db）；在汽車發(fā)動機排氣消聲器中，一般情況下進、出口的斷面面積是相等的，則上式可化為： （2-2） 式中，分別為進、出口斷面面積，分別為進出口斷面處的聲強，為進口界面處的入射聲壓， 分別為出口處的透射聲壓。(2)插入損失消聲器的插入損失定義為在空間某固定點所測得的安裝消聲器前聲壓級之差或聲功率之差。即： (2-3)式中： 為安裝消聲器前后在某固定測點的計數(shù)聲級， 為安裝消聲器前后在某測點的

25、聲壓。傳聲損失反映了消聲器本身的傳遞聲波特性，通常對消聲器進行理論分析和設(shè)計計算時采用傳聲損失 比較方便，通常所稱的消聲量一般均指傳聲損失，故本文所指的消聲量便是傳聲損失。2.6.2消聲頻率范圍消聲器的頻率特性：在各個頻率或頻帶上的消聲量。一般以倍頻程和 1/3 倍頻程表示消聲器的頻率特性。消聲器的頻率范圍是指消聲量顯著的頻率和頻帶。一般要求消聲的有效頻率帶范圍越寬越好，人敏感的頻率范圍應(yīng)有足夠的消聲量聲源發(fā)射噪聲大的頻率段應(yīng)有較大的消聲量。2.6.3 阻力損失用阻力損失來評價消聲器空氣動力性能，具體評價指標(biāo)一般用壓力損失和阻力系數(shù)表示。壓力損失就是待測消聲器存在平穩(wěn)氣流時，消聲器進口端與出口

26、端平均全壓的降低量。參照 gb/t4760聲學(xué)消聲器測量方法 ，在根據(jù)消聲器流體動力學(xué)仿真結(jié)果進行壓力損失計算時，在進口和出口端管道的平直部分的中部，各選一個測量截面，在給定氣流速度下分別測出兩個截面上的平均動壓和靜壓，求出平均全壓，由消聲器兩端平均全壓的降低量得出壓力損失。當(dāng)消聲器兩端管道截面面積相同時，壓力損失就等于兩端靜壓之差。消聲器的壓力損失大小，不僅與消聲器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，而且與通過消聲器的氣流速度也有關(guān)，因此在用消聲器的壓力損失表征消聲器的空氣動力性能的同時，必須同時注明通過消聲器的氣流速度。對于汽車排氣消聲器，通常用功率損失評價消聲器空氣動力性能，反映了消聲器阻力損失對發(fā)動機性能

27、影響的指標(biāo)。消聲器功率損失定義為：內(nèi)燃機在標(biāo)定工況下不裝消聲器時的功率與安裝消聲器后的功率 之差和 的比值，即： (2-4)式中：未使用消聲器時發(fā)動機的有效功率； 使用消聲器后發(fā)動機的有效功率；一般要求功率損失2.7 消聲器的分類消聲器的種類很多，根據(jù)消聲原理的不同可大致分為為抗性消聲器、阻性消聲器以及阻抗復(fù)合式消聲器等。2.7.1 抗性消聲器抗性消聲器的消聲原理是利用管道中聲學(xué)性能突變的交界面處聲波將被反射和折射的性質(zhì)，在管路上加裝截面突然擴大或縮小，或旁接共振腔的通道，使聲音不通過而達(dá)到消聲的目的?？剐韵暺鞯奶攸c是在低中頻率范圍內(nèi)具有很好的消聲效果，且能在高溫、高速、脈動氣流下工作，很適

28、宜作為發(fā)動機等的排氣消聲器?？剐韵饔挚煞譃閿U張式、共振式以及干涉式幾種：擴張式消聲器是利用管道截面的突然擴(或收縮)，造成通道內(nèi)聲阻抗突變，使沿管道傳播的某些頻率的聲波不能通過消聲器進行消聲的；共振式消聲器則是通過共振原理來進行消聲的，即當(dāng)聲波頻率達(dá)到與共腔固有頻率一致時產(chǎn)生共振，使這部分頻率的聲能由于摩擦變?yōu)闊崮芏纳?，從而達(dá)消聲的作用；此外還有干涉式消聲器，它是根據(jù)聲波干涉原理制成的?？偟膩碚f，抗性消聲器對中低頻噪聲消聲效果好，高頻較差。2.7.2 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，聲波便“分散”到多孔的吸聲材料里，激發(fā)多孔材料中無數(shù)小

29、孔內(nèi)的空氣介質(zhì)振動；由于摩擦和粘滯作用，將部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，從而達(dá)到消聲的目的。 阻性消聲器類型繁多，按照氣流通道的構(gòu)造型式可分為直管式、片式、蜂窩式、折板式、聲流線式和盤式等若干種。2.7.3 阻抗復(fù)合型消聲器阻抗復(fù)合式消聲器的原理，可以認(rèn)為是阻性消聲器原理和抗性消聲器原理的結(jié)合。阻抗復(fù)合式消聲器把對中高頻消聲效果較好的阻性消聲器和對中低頻消聲效果較好的抗性消聲器組合在一起，從而取得較好的消聲效果。常用的阻抗復(fù)合型消聲器一般是將擴張室、共振腔和聲材料組合在一起構(gòu)成的消聲器，但由于聲波的波長比較長，阻性和抗性形式消聲器復(fù)合在一起有聲音的耦合作用，互相影響，所以不能看作式簡單的疊加關(guān)系。

30、設(shè)計或選用阻抗復(fù)合式消聲器，要注意把抗性消聲器部分放在氣流的入口端，而阻性消聲部分放在其后。由于噪聲法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，單一的阻性消聲器或抗性消聲器己很難滿足現(xiàn)代發(fā)動機在寬頻帶噪聲控制方面的需要。選用阻抗復(fù)合型消聲器是以后消聲器發(fā)展的必然勢。2.8 本章小結(jié)本章對聲壓、聲強、聲阻抗等消聲器的相關(guān)聲學(xué)理論概念做了介紹，并介紹了消聲器的評價指標(biāo)和結(jié)構(gòu)類型，為后面消聲器結(jié)構(gòu)的選擇與消聲器的性能分析做準(zhǔn)第三章 汽車排氣消聲器分析設(shè)計方法3.1 排氣噪聲的頻率特性內(nèi)燃機工作時，廢氣以脈沖的形式從排氣縫隙中噴出，產(chǎn)生能量很高、頻譜很復(fù)雜的噪聲。這種噪聲呈現(xiàn)出明顯的寬頻帶特征，隨著內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)、種類以及內(nèi)燃機轉(zhuǎn)

31、速等的不同，將會有不同形狀的頻譜。內(nèi)燃機的排氣噪聲一方面通過氣道內(nèi)的氣體傳播，另一方面激勵氣道壁振動，產(chǎn)生二次噪聲。排氣噪聲的組成主要分為：低頻脈動噪聲、排氣管道內(nèi)的氣柱噪聲、氣缸的赫爾姆霍茨共振噪聲、高速氣流在通過排氣門環(huán)隙及曲折的管道時所產(chǎn)生的噴注噪聲、渦流噪聲以及排氣系統(tǒng)在管內(nèi)壓力波激勵下所產(chǎn)生的再生噪聲形成連續(xù)性高頻噪聲。汽車的排氣噪聲呈明顯的低頻性，能量主要集中在基頻及其倍頻的范圍內(nèi)；中頻范圍主要是排氣管內(nèi)氣柱震蕩的固有噪聲；高頻范圍內(nèi)主要包括燃燒噪聲和氣流通過其口的空氣動力噪聲，頻率在 i000hz 以上，并且隨氣流速度增加，頻率顯著提高。大量實驗表明，排氣噪聲的強弱與內(nèi)燃機的類型

32、、排量、功率、轉(zhuǎn)速、平均有效壓力和排氣口的面積直接相關(guān)，且氣噪聲隨排量、轉(zhuǎn)速、功率、平均有效壓力的增加而提高。內(nèi)燃機周期性燃燒過程和進、排氣門開閉時所產(chǎn)生的低頻脈動沖擊噪聲的基頻及其諧波頻率： （3-1）式中 n為內(nèi)燃機主軸轉(zhuǎn)速；i為氣缸數(shù);k為諧波序數(shù)；為沖程系數(shù)，對于二沖程 =1 ，四沖程= 2。 3.2 消聲器的設(shè)計指標(biāo)的確定由于汽車排氣消聲器需要在不同負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下工作，這就要求排氣消聲器在不同溫度、流速下，在寬頻帶范圍具有較高的消聲值，較低的功率損失.重要的是選擇合理的設(shè)計指標(biāo).國際上評價汽車噪聲通常采用以一定工況加速或勻速行駛時產(chǎn)生的a計權(quán)整車噪聲級作為評價量.汽車噪聲是一個典型

33、的綜合噪聲源，包括排氣噪聲、發(fā)動機噪聲、車體振動噪聲等.排氣消聲器的功能僅是降低排氣噪聲.消聲量過大，犧牲發(fā)動機功率和增加成本，并不能進一步降低整車噪聲.反之， 消聲器的消聲量過小， 排氣噪聲仍是主要噪聲源，達(dá)不到降低整車噪聲的目的.消聲器的合理設(shè)計指標(biāo)取決于車輛類型和其它噪源的強度.針對我國汽車噪聲的現(xiàn)狀，表 3.1所列各類消聲器推薦設(shè)計指標(biāo)是合理可行的。各類消聲器推薦設(shè)計指標(biāo) 表3.1車輛類型插入損失il.db(a)功率損失比.%摩托車20255載重汽車20255工程車輛15305大中型客車25305小轎車30403000 rpm,這時第一腔長度l1主要應(yīng)考慮中低頻成分中最突出的噪聲頻率。

34、即對發(fā)動機直管噪聲的分析，根據(jù)直管排氣聲頻譜合理選擇第一腔對應(yīng)的中心頻率。第一腔的長度 l1應(yīng)取其中心頻率波長的 1/4, （3-13） （3-14）式中：c 為膨脹腔內(nèi)聲速(m/s)，te為標(biāo)定功率時排氣溫度(k)。 第一腔長度 l1 確定之后,第二腔長度 l2、第三腔長度 l3 等便可相繼確定。l2=l1/2,l3=l2/2。目的是為了實現(xiàn)消除低、中、高頻噪聲的全頻消聲。 確定各腔長度后， 還應(yīng)將由各腔長度確定的總長與有擴張比 m 和消聲器容積確定的總長綜合比較，若有矛盾還需做微量調(diào)整以最終確定能實現(xiàn)兩者協(xié)調(diào)的消聲器外形尺寸 l 和d以及各腔長度 等各尺寸參數(shù)。 確定消聲器各尺寸參數(shù)后，還

35、需根據(jù)公式（3.15）和（3.16）確定消聲器消聲頻率的的上下限。 (3-15) (3-16)式中：c為擴張腔內(nèi)聲速(m/s） ；d為擴張室截面特征尺寸(m)；f0 為消聲器共振頻率；s 為擴張腔的橫截面，l為消聲器各腔的長度，v為消聲器各腔對應(yīng)的容積。3.3.9 消聲器內(nèi)各腔連接方法的確定由一維聲波理論得到簡單擴張腔村在通過頻率，可以通過采用插入管及多節(jié)擴張腔串聯(lián)。 消聲器內(nèi)各腔的長度確定之后， 腔與腔之間可用管子或開小孔連通，只要流通面積一定，本質(zhì)上無多大差別。采用插入管連接時，插入管的長度為 l/2可以消除偶數(shù)倍通過頻率，而插入管長度為 l/4 可以消除奇數(shù)倍通過頻率，故插入管連接時，其

36、插入管長度可用 l/2 和 l/4 相互匹配，實際應(yīng)用時，插入管長度可比計算長度減少(0.30.4)d（其中，d為插入管內(nèi)徑） 。試驗證明，中心對正插入管的性能差些，插入深度越大，阻力系數(shù)越大，性能下降越多。隨著兩插入管的接近，高速脈動氣流越不能在消聲器中得到充分膨脹，排出氣體仍以脈動形式從排氣管中排出，出入口處排氣產(chǎn)生的渦流越強，因而在某些頻率形成再生噪聲。因此，最好是采用錯開式內(nèi)插管，它能避免簡單膨脹腔出現(xiàn)通過頻率的缺點，又能使氣流在消聲器內(nèi)得到充分的膨脹，因而消聲性能較好。3.3.10穿孔管擴張腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定由于擴張腔結(jié)構(gòu)的低頻消聲效果不是很理想，往往設(shè)計消聲器時需要將擴張腔結(jié)構(gòu)與穿孔

37、管共振腔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以彌補擴張腔結(jié)構(gòu)低頻消聲量不足的缺陷。 共振腔消聲器是由一段開有若干小孔的管道和管外一個密閉的空腔所組成。小孔和空腔組成一個彈性振動系統(tǒng),當(dāng)氣流的聲波頻率和共振腔振動系統(tǒng)的固有頻率相同時,這個振動系統(tǒng)就發(fā)生共振,孔頸中具有一定質(zhì)量的空氣柱運動速度加快,摩擦阻力增大,大量聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉,從而達(dá)到消聲的目的。共振腔消聲器的共振頻率見公式（3.17） (3-17)式中：c聲速;v共振腔體積;g傳導(dǎo)率,是一個以長度為單位的物理量由公式（3.18）確定。 （3-18 )式中：d孔徑;t板厚。工程設(shè)計中,穿孔管的消聲量可按公式（3.19）計算。 （3-19）式中，k與共振腔消聲

38、器消聲性能有關(guān)的無量綱常數(shù)。 （3-20）式中，s消聲通道截面積。由公式（3.17） 、 （3.18）可確定穿孔直徑。由公式（3.19） 、 （3.20）可知穿孔直徑直接影響著穿孔管的消聲性能，實際上穿孔管的消聲特性有與穿孔管的位置及穿孔率有關(guān)。3.4消聲器聲學(xué)性能分析方法由于消聲器的聲學(xué)性能評價指標(biāo)中傳聲損失反映的是消聲器本身的傳遞聲波特性，不受聲源管道系統(tǒng)和消聲器之后尾管的影響，故對消聲器進行理論分析和設(shè)計計算時，采用傳聲損失比較方便。消聲器聲學(xué)性能分析方法主要有：基于一維平面理論傳統(tǒng)的消聲結(jié)構(gòu)分析法和三維數(shù)值仿真分析方法。3.4.1 一維平面波理論分析如果消聲元件的軸向尺寸比其徑向尺寸大

39、得多，為便于分析，將內(nèi)部聲波近似簡化為平面波，即聲壓只與一個軸向位置有關(guān)。則波動方程簡化為：對于角頻率為的簡諧波，其一般解為： 式中，號表示反向聲波，號代表正向聲波。a 為聲壓幅值， 為初始相位角。3.4.2 三維數(shù)值仿真分析方法在消聲器截面幾何尺寸較小,且噪聲頻率不太高時， 一維平面波理論分析法是適用的;但噪聲頻率提高后,在消聲器擴張室內(nèi)存在有高階模式波,而且由于實際的排氣消聲器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),其內(nèi)部聲波本質(zhì)上是三維的。 三維數(shù)值方法在整個求解域上使模型離散化,并求解波動方程,不需對波動方程和邊界條件進行簡化,能夠比較直觀和準(zhǔn)確地分析復(fù)雜的消聲結(jié)構(gòu)，故三維數(shù)值方法在計算傳聲損失方面得到了廣泛

40、的應(yīng)用和發(fā)展。傳聲損失的計算方法主要有傳統(tǒng)法、四極傳遞矩陣法、三點法等三種。本文利用聲學(xué)計算軟件 sysnoise 進行聲場分析，并采用三點法計算分析消聲器的傳聲損失1） 傳統(tǒng)法傳聲損失的定義是入射聲功率和傳播聲功率之比。假設(shè)消聲器進口和出口截面相等,空氣溫度和密度不發(fā)生改變,則傳聲損失可表達(dá)為 （3.21）式中, 為直管進口的入射聲波聲壓均方根； 為消聲器出口的透射聲波聲壓均方根； 、 別通過計算直管和消聲器兩個模型得到,直管和消聲器分別需要施加相同的邊界條件,即進出口管施加c(、c 分別為空氣密度和聲音在空氣介質(zhì)中的傳播速度)的阻抗,同時進口管施加單位振動速度。2） 四極傳遞矩陣法使用四極

41、傳遞矩陣法需要計算進出口聲壓和振動速度,矩陣形式的方程為式中,、 分別為消聲器進口和出口聲壓;、 分別為消聲器進口和出口振動速度,并且： (3-23)四極傳遞矩陣法的傳聲損失為 (3-24)3） 三點法為了提高消聲器傳聲損失的計算速度,wan 提出了三點法。三點法類似于用在傳聲損失測量的四傳聲器法,與傳統(tǒng)的四極傳遞矩陣法相比,它僅需要單個邊界類型來獲得每個頻率下的傳聲損失。故本文有限元法分析計算傳聲損失時采用的方法便是三點法。消聲器進口需要均勻的速度或聲壓來獲得激勵,只要在進口管和出口管內(nèi)高階模態(tài)不被激起,認(rèn)為聲波為平面波。出口管需要施加吸聲終端和c的阻抗,這樣由于吸聲終端出口管內(nèi)僅有透射聲波

42、。如圖3.1所示。其中,3點為出口管上的點,透射聲壓,進口管內(nèi)的聲波包括入射聲壓和反射聲壓,1點和2點分別是進口管上的兩點,z1和z2是兩點消聲器軸向坐標(biāo)。在進、出口管道中，我們認(rèn)為聲波滿足平面波原理即滿足聲波方程： (3.25)式中，第一項為直達(dá)聲及入射聲，第二項為反射聲，故對于每個頻率下上式可化簡為： (3.26) 因此1點、2點的聲壓可表達(dá)為式中，稱為波數(shù)；為入射聲壓，分別為反射聲壓。 圖（3.1）通過上述公式可求得，結(jié)合3點的聲壓代入傳聲損失計算公式： (3.27)式中，為進口界面處的入射聲壓，出口處的投射聲壓。3.5消聲器空氣動力性分析消聲器的空氣動力特性評價指標(biāo)通常為壓力損失或阻力系數(shù)。在本