汽車排氣消聲器設(shè)計(jì)分析畢業(yè)論文

1、摘要近年來(lái),隨著中國(guó)噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格，對(duì)于整車排氣噪聲控制的要求也越來(lái)越高了，但是傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)方法主要是基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這必然會(huì)加大設(shè)計(jì)的工作量，增加研發(fā)成本、延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。控制排氣噪聲最有效的途徑就是設(shè)計(jì)高消聲性能、低阻力損失的排氣消聲器。它已成為目前排氣噪聲控制的重要研究課題。本文首先通過(guò)使用GT-POWER軟件中的muffler模塊建立排氣消聲器的三維仿真模型從而得到它的傳遞損失，再通過(guò)GT-POWER軟件建立某發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程與消聲器的耦合仿真模型得到消聲器的插入損失，并通過(guò)對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)及消聲性能的分析，對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使其較好的滿足該消聲器的性能要求。在對(duì)消聲器消聲性能設(shè)

2、計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量避免消聲器的某些通過(guò)頻率和消聲器振型比較劇烈的模態(tài)頻率發(fā)生共振，這樣既有利于提高催化劑和消聲器的可靠性和耐久性，也可以指導(dǎo)消聲器的設(shè)計(jì)、分析。總之，本文通過(guò)對(duì)消聲器基本的設(shè)計(jì)思路和方法的探索，為更加合理、有效地設(shè)計(jì)和研發(fā)排氣消聲器提供了參考。關(guān)鍵詞：消聲器 模擬仿真 傳遞損失 插入損失 結(jié)構(gòu)優(yōu)化AbstractThe most effective measure to control exhaust noise is using muffler is exhaust system.Designing a muffler with high anechoic performance

3、 and low resistance loss has become an important subject on exhaust noise.the article takes advantage of the muffler model that established by GT-POWER software to work out the transmission loss and takes advantage of the coupling simulation model of an engines working process and muffler to work ou

4、t the Insertion loss Based on the analysis of the structure and performance of the muffler the designe is improved.The improved design preferably meets the exhaust performance requirement.When we design the which has some ranges of frequency that can go through the muffler ,we should avoid the penet

5、rated frequency in response to the model frequency,So this result can give more advice to the muffler design.from the whole,this article does some research about the design of the exhaust muffler,which gives some ideas of the design.Key words: muffler simulation transmission loss insertion loss stru

6、ctural optimization 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水品的提高，汽車的產(chǎn)量和保有量也在突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，由此帶來(lái)的環(huán)境污染也已成為影響人們生活的一大公害，尤其是人口密集型城市，汽車的噪聲污染會(huì)彌漫于城市的每個(gè)角落，打破了城市的安寧與祥和，也影響到居民的身心健康。噪聲的高低也成為衡量汽車性能與質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，直接影響到汽車在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)家也制定和出臺(tái)了更為嚴(yán)格的控制汽車噪聲的法規(guī)和條例，并且逐年提高整車噪聲的限值。根據(jù)GB.1495-2002汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法第二階段（即2005年1月1日以后）生產(chǎn)的汽車噪聲的限值為74dB，而如果由汽

7、車引起的噪聲不加以控制，其噪聲值往往會(huì)高于80dB。此外，隨著汽車行業(yè)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，低噪聲已成為汽車乘坐舒適性的重要性能指標(biāo)，越來(lái)越受到消費(fèi)者的重視。汽車的主要噪聲源就是來(lái)自汽車的排氣噪聲而降低汽車排氣噪聲最簡(jiǎn)單、有效的方法就是設(shè)計(jì)高消聲性能、低阻力損失的消聲器。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)和研究消聲器的方法是：在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作情況下，建立排氣系統(tǒng)的流動(dòng)和聲學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬仿真計(jì)算技術(shù)和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的驗(yàn)證方法來(lái)設(shè)計(jì)的。而國(guó)內(nèi)消聲器設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚，設(shè)計(jì)方法較為落后主要是基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速發(fā)展的汽車行業(yè)。此時(shí)GT-power軟件應(yīng)運(yùn)而生，由于采用GT

8、-power軟件仿真模擬與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法可以減輕工作者的設(shè)計(jì)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約了研發(fā)成本，因此在消聲器的設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。第一章：緒論1. 1汽車噪聲的危害和控制1.1.1噪聲的種類汽車噪聲產(chǎn)生的主要因素是由空氣動(dòng)力、機(jī)械傳動(dòng)、電磁三部分引起的。從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲(即燃燒噪聲)，底盤(pán)噪聲(即傳動(dòng)系噪聲、各部件的連接配合引起的噪聲)，電器設(shè)備噪聲(冷卻風(fēng)扇噪聲、汽車發(fā)電機(jī)噪聲)，車身噪聲(如車身結(jié)構(gòu)、造型及附件的安裝不合理引起的噪聲)。其中發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲占汽車噪聲的二分之一以上，包括進(jìn)、排氣噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)本身的噪聲(如發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，配氣軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)

9、閉等引起的噪聲)。因此汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制的關(guān)鍵是減振和降噪。此外，汽車輪胎在高速行駛時(shí)，也會(huì)引起較大的噪聲。這是由于輪胎在地面滾動(dòng)時(shí)，位于花紋槽中的空氣被地面擠出與重新吸入過(guò)程所引起的泵氣聲，以及輪胎花紋與路面的撞擊聲。1.1.2噪聲要求汽車噪聲如果得不到很好的控制,往往會(huì)高于80dB，降低汽車本身的噪聲,不僅可以減少環(huán)境污染,還能夠降低噪聲對(duì)人體的傷害。此外, 隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,低噪聲已經(jīng)成為乘坐舒適性中的重要性能指標(biāo),因此在汽車性能的評(píng)價(jià)中,除了動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放之外,噪聲也已成為另一個(gè)重要的性能指標(biāo)。汽車的排氣噪聲及其控制已引起人們的廣泛關(guān)注國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自60年代起就

10、對(duì)機(jī)動(dòng)車輛噪聲給予足夠的重視,制定了許多控制的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),如聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)，歐盟(EU)、日本、美國(guó)等主要國(guó)家和地區(qū)自70年代起每3一5年就修訂一次相關(guān)的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn),各種車輛噪聲的限值有了大幅度的降低,英國(guó)早在1960年就制訂了防止噪聲法,而美國(guó)的紐約，芝加哥、洛杉磯等城市也相繼制訂出臺(tái)了噪聲防治條例,歐盟從1970年起對(duì)噪聲限值由原來(lái)82dB降到1995年的74dB,噪聲降低了8dB。我國(guó)的汽車行業(yè)起步較晚，因此我國(guó)直到1979年才頒布了機(jī)動(dòng)車輛噪聲限值和試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1495一79和GB1496一79，隨著時(shí)間的推移,標(biāo)準(zhǔn)中的噪聲限值越來(lái)越嚴(yán)格。在我國(guó)加入WTO以后

11、,為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境,增強(qiáng)我國(guó)汽車行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,我國(guó)于2002年10月1日提出了更嚴(yán)格的汽車加速行駛車外噪聲限值GB1495一2002,如表1.1所示1.1.3噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)車內(nèi)、外的噪聲值和振動(dòng)適應(yīng)性是評(píng)價(jià)汽車噪聲的主要指標(biāo)。評(píng)價(jià)方法分為主觀和客觀評(píng)價(jià)。汽車的舒適性、響度和確定性是影響汽車噪聲主觀評(píng)價(jià)的主要因素。在客觀評(píng)價(jià)時(shí)，可以采用PCNM噪聲測(cè)量裝置測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行分析；此外模擬技術(shù)中的有限元法和邊界元法也被廣泛應(yīng)用。1.1.4噪聲的危害噪聲對(duì)人體健康的影響主要體現(xiàn)在聽(tīng)覺(jué)、生理健康和心理健康三個(gè)方面第一，對(duì)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的傷害首先是容易引起聽(tīng)覺(jué)疲勞，人們?cè)谳^強(qiáng)的噪聲環(huán)境中工作或停

12、留，聽(tīng)力會(huì)有明顯的下降，如果長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)噪聲環(huán)境中工作而又不采取保護(hù)措施，久而久之就會(huì)發(fā)生聽(tīng)覺(jué)遲鈍，甚至導(dǎo)致噪聲性耳聾。如果突然暴露在高達(dá)140dB以上的噪聲環(huán)境中，人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可能發(fā)生急性外傷，引起耳鼓膜破裂出血而使雙耳完全失聽(tīng)。第二，噪聲對(duì)生理健康的危害包括對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的危害因?yàn)樵肼晻?huì)引起神經(jīng)衰弱綜合癥，對(duì)心血管系統(tǒng)的影響因?yàn)樵肼暱梢鹦奶涌臁⑿穆刹积R、心電圖T波升高、血壓變化等癥狀。對(duì)消化系統(tǒng)的影響因?yàn)樵肼曇矔?huì)引起胃功能紊亂、食欲不振、消瘦等病癥。第三，噪聲對(duì)人的心理健康也會(huì)產(chǎn)生影響使人煩躁不安、產(chǎn)生疲勞感，影響精力集中和工作效率。1.1.5 噪聲的控制根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機(jī)理，可以把控制

13、噪聲的方法分為以下三類：一是對(duì)噪聲源的控制，二是對(duì)噪聲傳播途徑的控制，三是對(duì)噪聲接收者的保護(hù)。其中對(duì)噪聲源的控制是最根本、最直接的措施，包括降低噪聲的激振力及降低發(fā)動(dòng)機(jī)部位對(duì)激振力的響應(yīng)等，即改造振源和聲源。如果對(duì)噪聲源的控制較難進(jìn)行時(shí)，就需要在噪聲的傳播途徑中采取吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施來(lái)達(dá)到降噪的效果。汽車的減振降噪水平與整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性及其強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、制造成本和用途密切相關(guān)。1.1.5.1發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車噪聲控制的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的根源。發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲是由燃料燃燒，配氣機(jī)構(gòu)、正時(shí)齒輪及活塞的敲擊噪聲等構(gòu)成的。降低發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪

14、聲就要改造振源和聲源，包括用有限元法等方法分析設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，選用柔和的燃燒工作過(guò)程，提高機(jī)體的結(jié)構(gòu)剛度，采用嚴(yán)密的配合間隙，降低汽缸蓋噪聲。例如在油底殼上增設(shè)加強(qiáng)筋和橫隔板，以提高油底殼的剛度，減少振動(dòng)噪聲。另外，給發(fā)動(dòng)機(jī)涂阻尼材料也是一個(gè)有效的辦法。阻尼材料能把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能。進(jìn)行阻尼處理的原理就是將一種阻尼材料與零件結(jié)合成一體來(lái)消耗振動(dòng)能量。它有以下幾種結(jié)構(gòu)：自由阻尼層結(jié)構(gòu)、間隔自由阻尼層結(jié)構(gòu)、約束阻尼層結(jié)構(gòu)和間隔約束阻尼層結(jié)構(gòu)。它的采用明顯地減少了共振的幅度，加快了自由振動(dòng)的衰減，降低各個(gè)零件的傳振能力，增加了零件在臨界頻率以上的隔振能力。目前，已有一些國(guó)家的專家設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)隔振系

15、統(tǒng)，用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，以達(dá)到降低噪聲的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)。非增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲主要成分包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、汽缸的亥姆霍茲共振噪聲等。增壓式柴油機(jī)的進(jìn)氣噪聲主要來(lái)自增壓器的壓氣機(jī)。對(duì)此，最直接、有效的方法就是采用進(jìn)氣消聲器。類型有阻性消聲器、抗性消聲器和復(fù)合型消聲器。將其與空氣濾清器結(jié)合起來(lái)(即在空濾器上增設(shè)共振腔和吸聲材料，例R3238型)就成為最有效的進(jìn)氣消聲器，消聲量可超過(guò)20dB。排氣噪聲是汽車的主要噪聲源，主要由排氣壓力的脈動(dòng)噪聲，氣流通過(guò)氣門(mén)座時(shí)所發(fā)出的渦流噪聲、邊界層氣流的擾動(dòng)而產(chǎn)生的

16、噪聲以及排氣口處的噴流噪聲所組成。設(shè)計(jì)高消聲性能、低阻力損失的消聲器，是降低汽車噪聲的重要措施之一。通過(guò)采用有限元法和邊界元法對(duì)消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在消聲器的設(shè)計(jì)過(guò)程中要避免消聲器的傳遞損失特性與振動(dòng)特性發(fā)生耦合。其次，降低排氣噪聲與提高動(dòng)力性也存在矛盾，因?yàn)榻档团艢庠肼暸c降低排氣背壓對(duì)排氣管直徑的設(shè)計(jì)有著相矛盾的要求，前者要求有較小的直徑，而后者卻相反。對(duì)此，采用并聯(lián)流路的雙功能消聲器，在減小背壓和降低氣流噪聲方面頗為有效。另外 ，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管到消聲器入口的一段管路，采用柔性管的減振、降噪效果明顯，可降低7dB左右。1.1.5.2 底盤(pán)噪聲傳動(dòng)系噪聲來(lái)源于變速箱齒輪嚙合引起的振動(dòng)和傳動(dòng)

17、軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。一般采取的措施：選用低噪變速器或發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱及后橋主減速器等部件與底盤(pán)用橡膠墊進(jìn)行柔性連接，從而達(dá)到隔振的目的；還可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)軸的平衡度，降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。1.1.5.3電器設(shè)備噪聲冷卻風(fēng)扇是噪聲的發(fā)生裝置，受到護(hù)風(fēng)圈、水泵、散熱器及傳動(dòng)裝置的影響，但其噪聲的產(chǎn)生主要取決于底盤(pán)。汽車發(fā)電機(jī)噪聲取決于多種來(lái)源的效應(yīng)，這些來(lái)源有磁體源、機(jī)械和空氣動(dòng)力源。噪聲級(jí)取決于發(fā)電機(jī)的磁力和通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及發(fā)電機(jī)的制造和裝配精度。 1.1.5.4車身噪聲隨著車速的提高，車身的噪聲也就越來(lái)越大，空氣動(dòng)力噪聲是其主要的起因。因此，可以采用以下方案來(lái)改善車身噪聲：一是對(duì)車身進(jìn)行流線型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光滑

18、過(guò)渡；二是在車身與車架之間采用彈性元件連接；三是進(jìn)行室內(nèi)軟化，如在頂棚及車身內(nèi)蒙皮間使用吸聲材料。另外，汽車在高速行駛時(shí)，輪胎也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。由實(shí)車惰行法可知：輪胎的輪距越大，則噪聲越大。此外，輪胎的花紋與噪聲的產(chǎn)生也有很大的關(guān)系，選用有合理花紋的鋼絲簾布子午線輪胎是降低輪胎噪聲的有效方法。使用更富有彈性且柔軟度高的橡膠制造輪胎，也可以達(dá)到降低輪胎噪聲的效果。 1.1.5.5其他措施可以對(duì)汽車噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制。就是采用以聲消聲技術(shù)，原理是：利用電子消聲系統(tǒng)產(chǎn)生與噪聲相位相反的聲波，使兩者的振動(dòng)相互抵消，以達(dá)到降低噪聲的目的。這種消聲裝置采用極其先進(jìn)的電子元件，具有良好的消聲效果，可用于降低

19、車內(nèi)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，還可以用于主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐系統(tǒng)，以抵消發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲。 1.2 消聲器的分類和消聲原理汽車消聲器按消聲原理與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分為抗性消聲器、阻性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器三類。 1. 2.1 抗性消聲器 抗性消聲器，又稱為反應(yīng)式消聲器包括擴(kuò)張室消聲器、共振腔消聲器、微穿孔板消聲器、干涉型消聲器等。它是由聲抗性元件組成的消聲器。聲抗性元件類似于交流電路中的電抗性元件電容或電感，是對(duì)聲壓的變化、聲振速度變化起反抗作用的元件，它們不消耗聲能，但可貯蓄與反射聲能。抗性消聲器對(duì)低中頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果，它的型式有擴(kuò)張室式、共振腔式、微穿孔板式和干涉型等多種。抗性消聲器的特點(diǎn)是：它

20、沒(méi)有使用吸聲材料，而是通過(guò)在管道上連接旁接共振腔或截面突變的管段，利用聲阻抗失配，使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面處發(fā)生反射和干涉等現(xiàn)象來(lái)達(dá)到消聲的目的。 1. 2.1.1 擴(kuò)張室消聲器 擴(kuò)張室消聲器也稱為膨脹室消聲器，由管和腔適當(dāng)組合而成，分為單節(jié)式和多節(jié)式。它通過(guò)改變管道截面，使截面發(fā)生突變從而使沿管道傳播的聲波向聲源反射而通不過(guò)消聲器，使聲能反射回原處，達(dá)到消聲目的。單節(jié)擴(kuò)張室消聲器只能對(duì)某些頻率成分起消聲作用，而讓另一些頻率成分順利通過(guò)，由于噪聲的頻率范圍較寬，因而需要改善擴(kuò)張室消聲的性能?？梢圆捎靡韵聝煞N方法：1.用多節(jié)不同長(zhǎng)度的擴(kuò)張室串聯(lián)，使它們的通過(guò)頻率互相錯(cuò)開(kāi)，以提高總消聲量

21、和改善消聲器的頻率特性；2.在擴(kuò)張室消聲器兩端插入內(nèi)接管，插入長(zhǎng)度分別取為擴(kuò)張室長(zhǎng)度的1/2和1/4，也可以改善消聲性能。在工程實(shí)際中，為了獲得較高的消聲效果，通常將這兩者結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。 1.2.1.2 共振腔消聲器共振腔消聲器消聲原理是當(dāng)聲波頻率與共振腔固有頻率一致時(shí)，使聲能的衰減達(dá)到最大值來(lái)達(dá)到消聲的目的。與擴(kuò)張室消聲器相比，共振腔消聲器的消聲頻帶較窄，在共振頻率附近消聲量較大，適用于具有單峰值頻率、且峰值較突出的高噪聲場(chǎng)合。設(shè)計(jì)時(shí)要求共振腔消聲器的共振頻率與聲波的主頻率一致。 1.2.1.3 微穿孔板消聲器 微穿孔板消聲器是利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)制成的消聲器，是我國(guó)噪聲控制工作者研制成功的

22、一種新型消聲器。它的消聲原理實(shí)際上與共振腔消聲器相同，其特點(diǎn)是不采用任何多孔吸聲材料，而是在薄金屬板上鉆許多微孔起到吸聲作用，故可作為阻性消聲器使用。 1. 2.1.4 干涉型消聲器 干涉型消聲器的支管長(zhǎng)度比主管長(zhǎng)度長(zhǎng)，而且多出的長(zhǎng)度正好是1/2聲波波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，這樣支管聲波與主管聲波在振幅上相等，而在相位上卻相差180的奇數(shù)倍，從而使支管聲波和主管聲波相互干涉而抵消，來(lái)實(shí)現(xiàn)消聲的目的。干涉型消聲器適用于消減某保持不變的單一頻率的噪聲，對(duì)于寬頻帶噪聲，這種消聲器無(wú)效。 近代出現(xiàn)的電子有源消聲器也是利用聲波的干涉來(lái)消聲的，故也屬于干涉型消聲器。它對(duì)于低頻噪聲的控噪、個(gè)人防噪和局部防噪尤為合適。

23、1. 2.2阻性消聲器 阻性消聲器，又稱吸收式消聲器是利用吸聲材料的吸聲作用使沿通道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減的裝置。把吸聲材料固定在氣流通過(guò)的管道周壁，或在通道中按一定方式排列起來(lái)，就構(gòu)成阻性消聲器。阻性消聲器對(duì)中高頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果，應(yīng)用范圍很廣。它的型式有直管式、片式、蜂窩式、折板式、聲流式、彎管式和迷宮式等多種。其消聲原理是：當(dāng)聲波進(jìn)入消聲器，便引起阻性消聲器內(nèi)多孔材料中的氣流和纖維振動(dòng)，由于摩擦阻力和粘滯阻力的影響，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能散失掉，起到消聲的作用。 1.2.3 阻抗復(fù)合型消聲器 阻抗復(fù)合型消聲器就是將阻性消聲部分與抗性消聲部分串聯(lián)組合而形成，一般阻抗復(fù)合

24、型消聲器的抗性在前，阻性在后，即先消低頻聲，然后消高頻聲，總消聲量可以認(rèn)為是兩者之和。但由于聲波在傳播過(guò)程中具有反射、繞射、折射、干涉等特性，其消聲量并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。阻抗復(fù)合型消聲器兼有阻性和抗性消聲器的特點(diǎn)，可以在低、中、高的寬廣頻率范圍獲得較好的消聲效果。 1. 3排氣消聲器的研究方法1.3.1 四端網(wǎng)絡(luò)法四端網(wǎng)絡(luò)法的應(yīng)用原理是基于一維平面波理論，用傳遞矩陣描述消聲器的傳播矩陣的方法。它適用于內(nèi)部平面波傳播且管道細(xì)長(zhǎng)的消聲器的低頻分析，特點(diǎn)是設(shè)計(jì)應(yīng)用較成熟，簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性強(qiáng)。 1. 3.2 邊界元法邊界元法是基于二維聲學(xué)理論，對(duì)所求區(qū)域的邊界而進(jìn)行的離散計(jì)算。它適用于二維和軸對(duì)稱的

25、均勻介質(zhì)情況，進(jìn)行內(nèi)外場(chǎng)聲學(xué)分析，特點(diǎn)是市場(chǎng)分析工作量少，計(jì)算時(shí)間短，還不能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的消聲器進(jìn)行三維分析計(jì)算。 1.3.3 有限元法有限元法是基于三維聲學(xué)理論，對(duì)所研究區(qū)域的內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行離散計(jì)算。它適用于均勻介質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)場(chǎng)聲學(xué)性能分析，特點(diǎn)是精度高，實(shí)用性強(qiáng)且計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一，廣泛用于消聲器的研究中。 1. 3.4 有源消聲法有源消聲法是基于聲波干涉原理改善消聲器的消聲效果。它適用于降低消聲器的低頻噪聲，特點(diǎn)是不僅降低低頻噪聲的頻段，而且可以改善中、高頻的噪聲的消聲效果。 1.3.5有限體積法有限體積法是基于一維計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬復(fù)雜邊界區(qū)域的流體運(yùn)動(dòng)，它適用于多維流體力學(xué)理論進(jìn)行消聲器

26、內(nèi)部流體特性研究。它是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)常見(jiàn)的離散方法,可以進(jìn)一步發(fā)展為基于二維、三維流體力學(xué)的基本方程進(jìn)行計(jì)算。 1. 3.6 基于試驗(yàn)的消聲器研究方法 基于試驗(yàn)的消聲器研究方法采用試驗(yàn)和試驗(yàn)分析的方法對(duì)消聲器的聲學(xué)性能進(jìn)行分析的方法。用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)模擬消聲器內(nèi)部的聲波特性被廣泛使用，如聲波在高速、高溫的介質(zhì)中的傳播特性。隨著消聲器設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，消聲器的研究開(kāi)發(fā)已逐漸形成以理論、經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，以計(jì)算機(jī)軟件分析為主，試驗(yàn)研究為輔的研究方法。這樣可以使消聲器的設(shè)計(jì)周期大大縮短，成本也大大降低。但是汽車消聲器涉及氣體流動(dòng)、傳熱、振動(dòng)、聲學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能等學(xué)科，具有較高的復(fù)雜性。目前，計(jì)

27、算機(jī)軟件分析結(jié)果還不能很好地仿真消聲器性能，需進(jìn)一步改進(jìn)和完善軟件，使其達(dá)到更好的仿真效果。 1.4 研究排氣消聲器的意義由于汽車種類、車速以及質(zhì)量的不同使得整車的噪聲也有所差別。一般情況下,當(dāng)沒(méi)有安裝進(jìn)、排氣消聲器時(shí),排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)最大的噪聲源,進(jìn)氣噪聲次之,風(fēng)扇噪聲相比其噪聲級(jí)較小。隨著制造技術(shù)和加工方法的改進(jìn)和提高,發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲己得到了有效的控制,排氣噪聲成為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì),在發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源中,排氣噪聲約占總噪聲的30%左右,排氣噪聲往往比發(fā)動(dòng)機(jī)其它噪聲高10一15dB,控制汽車排氣噪聲最切實(shí)有效的措施就是安裝排氣消聲器，在排氣開(kāi)始時(shí),廢氣以脈沖形式從排氣門(mén)

28、間隙排出,并迅速?gòu)呐艢饪谶M(jìn)入大氣,所形成的能量較高、頻率較為復(fù)雜的噪聲叫做排氣噪聲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和強(qiáng)化程度的提高,排氣系統(tǒng)內(nèi)氣流速度增加,排氣噪聲也隨之增大。排氣噪聲的降低主要依靠機(jī)外降低,即安裝排氣消聲器。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格和人們對(duì)汽車噪聲關(guān)注度的提高,汽車的NVH己經(jīng)成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),各生產(chǎn)廠商也開(kāi)始關(guān)注問(wèn)題,其中近年來(lái)消聲器的設(shè)計(jì)和研制受到汽車行業(yè)的廣泛重視就是明顯的例證，所以開(kāi)發(fā)和研究新型汽車消聲器并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)于降低汽車噪聲、減少噪聲污染具有重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。安裝消聲器可以達(dá)到降低了排氣噪聲的目的，但也會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，因?yàn)榘惭b消聲器后會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力

29、,提高排氣背壓,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō),消聲器的消聲性能越好,其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜,相應(yīng)的功率損失越大，一般消聲器的功率損失在3%到8%,消聲量較大時(shí)允許有較大的功率損失，但是給小功率發(fā)動(dòng)機(jī)匹配消聲器時(shí)，功率損失要求較低。隨著我國(guó)日益加劇的能源危機(jī)和日趨嚴(yán)格的排放法規(guī),使得人們的節(jié)能意識(shí)和對(duì)噪聲污染的關(guān)注度不斷增加,所以繼續(xù)研究消聲器的研究有如下意義:第一,隨著汽車的噪聲排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和人們對(duì)噪聲污染的不斷重視排氣噪聲作為汽車主要的噪聲源,必須嚴(yán)格控制,這就要求設(shè)計(jì)高消聲性能、低阻力損失的高效消聲器滿來(lái)減少環(huán)境污染、滿足消費(fèi)者的要求。第二,在不久的將來(lái)，CO2排放量也將納入

30、尾氣排放的法規(guī)和條例中,這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)要有盡量少的能量損失。雖然消聲器的功率損失僅占百分之幾,但是,只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),這部分能量就要損耗掉,如果發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作,那么這部分能量損失也相當(dāng)可觀。因此,消聲器的功率損失要越少越好以減少能量損失。 第二章：排氣噪聲和消聲器的基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介2.1 排氣噪聲的來(lái)源排氣噪聲是由排氣壓力的脈動(dòng)噪聲，氣流通過(guò)氣門(mén)座時(shí)發(fā)出的渦流噪聲、邊界層氣流的擾動(dòng)產(chǎn)生的噪聲及排氣口處的噴流噪聲構(gòu)成的。排氣系統(tǒng)的噪聲源包括：空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲以及其它的一些噪聲源組成。例如：可燃物在排氣系統(tǒng)中再燃燒產(chǎn)生的噪聲，排氣門(mén)桿產(chǎn)生的渦流噪聲，由排氣脈沖壓力波產(chǎn)生的渦流

31、噪聲，排氣門(mén)落座聲等。2.1.1 空氣噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的壓力波,在排氣管道中傳播而產(chǎn)生的噪聲叫做空氣噪聲?？諝庠肼暼Q于排氣管道的直徑,當(dāng)氣流量一定時(shí),排氣管道的直徑越大,空氣噪聲就越穩(wěn)定而空氣噪聲的大小取決于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,純粹的聲學(xué)設(shè)計(jì)就是用于降低這類噪聲的。2.1.2 沖擊噪聲沖擊噪聲是由于排氣管道中不穩(wěn)定的氣流對(duì)管道產(chǎn)生沖擊而產(chǎn)生的。當(dāng)管道截面積發(fā)生突變時(shí),也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊噪聲。減小沖擊噪聲的途徑就是加大管道的過(guò)渡圓弧和漸進(jìn)地改變結(jié)構(gòu)的變截面積。2.1.3輻射噪聲輻射噪聲是由于排氣系統(tǒng)的管道和消聲元件受到機(jī)械振動(dòng)的激勵(lì)或者受內(nèi)部流體壓力波動(dòng)而一起振動(dòng),被激勵(lì)的元

32、件對(duì)外以聲波的形式輻射出去而形成的。在排氣系統(tǒng)中,輻射噪聲源來(lái)自三方面:機(jī)械振動(dòng)、穩(wěn)定的空氣氣流和不穩(wěn)定氣流，其大小取決于板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形狀和剛度等。當(dāng)輻射噪聲的頻率與薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率相對(duì)應(yīng)時(shí)，消聲元件輻射的聲音頻率一般比較低,而管道輻射的頻率一般比較高。因?yàn)楣艿赖膭偠韧认曉膭偠雀?。減少流體聲波的擾動(dòng)，改變其結(jié)構(gòu)特征,加阻尼處理是降低輻射噪聲的有效途徑。2.1.4 氣流磨擦噪聲當(dāng)管道中氣體流動(dòng)速度非常高的時(shí)候,流體與管壁之間會(huì)產(chǎn)生摩擦,當(dāng)氣流傳到尾管時(shí)對(duì)外發(fā)出巨大的聲音,這就是氣流摩擦噪聲。減少氣體的流動(dòng)速度,增加管道的截面積、使管壁盡可能地光滑,避免管道中的突然轉(zhuǎn)彎,在排

33、氣管口避免障礙物體、使用吸聲材料等是降低氣流摩擦噪聲的有效方法。2.2排氣噪聲的頻譜概述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒廢氣從排氣門(mén)高速?zèng)_出，沿著排氣歧管進(jìn)入排氣消聲器，最后從尾管排入大氣，在這個(gè)過(guò)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:以每秒鐘排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲、管道內(nèi)氣柱共振的噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、氣缸亥姆霍茲共振噪聲、排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面處的紊流噪聲、排氣歧管處的氣流吹氣聲和氣門(mén)桿背部的卡門(mén)渦流噪聲等。2.2.1基頻排氣噪聲基頻噪聲是由于內(nèi)燃機(jī)每一缸的排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí),氣缸內(nèi)廢氣突然以高速噴出,氣流沖擊到排氣道內(nèi)氣門(mén)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

34、氣缸排氣是在指定的相位上周期性進(jìn)行的,因而這是一種周期性的噪聲,而且是一種典型的低頻噪聲?；l噪聲頻率顯然和每秒鐘的排氣次數(shù),即和爆發(fā)頻率是相同的,故基頻噪聲的頻率為: (Hz) (2-1)式中：Z一內(nèi)燃機(jī)氣缸數(shù)； n一內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)，r/min； t一行程系數(shù),四行程t=2,二行程:t=l；在排氣噪聲頻譜上,通常在基頻或其第二、三次諧波附近出現(xiàn)峰值,頻率再高時(shí),以排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲聲壓級(jí)不大。2.2.2 排氣管道內(nèi)氣柱共振噪聲在排氣系統(tǒng)管道中的空氣柱,在周圍性排氣噪聲的激發(fā)下,因發(fā)生共振而生空氣柱共振噪聲。每一段兩端封閉的氣柱都是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng),其本征頻率為: (2-2)式中：一氣柱長(zhǎng)度；c0

35、一管道中有限波的傳播速度,m/s；Ct一管道中的聲速,m/s；u一管道內(nèi)的氣流速度,m/s，當(dāng)氣流方向與聲速方向一致(排氣時(shí)),u為正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；n為諧波系數(shù),n=l,2,3,如果氣柱一端封閉，一端敞開(kāi),則其本征頻率為: (2-3)內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中,從關(guān)閉的氣門(mén)經(jīng)排氣道、排氣管到大氣,構(gòu)成一條一端封閉(氣門(mén)端)、一端敞開(kāi)(大氣端)的氣柱,其固有頻率由式(2-3)確定。當(dāng)時(shí),氣柱共振噪聲將顯著增強(qiáng),這時(shí)可調(diào)整排氣管長(zhǎng)度使與不一致。多缸內(nèi)燃機(jī)中,當(dāng)某一缸排氣有氣流流過(guò),便能激發(fā)其他所對(duì)應(yīng)的氣柱發(fā)生共振,而每一缸所對(duì)應(yīng)的氣柱長(zhǎng)度又與排氣管中氣流流動(dòng)情況有關(guān)。每一缸的排氣道長(zhǎng)度無(wú)疑是要記入氣柱長(zhǎng)度

36、的,從進(jìn)入排氣歧管的那一點(diǎn)起到排氣歧管匯合點(diǎn)止的那一段,只要不是廢氣正在流過(guò),都要記入氣柱長(zhǎng)度。氣柱本征頻率比基頻噪聲頻率高得多,不過(guò)通常1000Hz以下這類噪聲就微不足道了。2.2.3排氣歧管處的氣流吹氣聲當(dāng)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，可近似認(rèn)為，任何時(shí)刻都只有一個(gè)氣缸中的廢氣排出，其余各缸處于關(guān)閉狀態(tài)。假定某缸廢氣大量排出，氣流流向總管時(shí)也會(huì)吹響其他各氣道的開(kāi)口端，并且氣流流速會(huì)隨著曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生大幅度的變化。當(dāng)氣流吹至氣道口處的“唇”部時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一種周期性的渦流使歧管內(nèi)氣體產(chǎn)生壓力波動(dòng)而激發(fā)噪聲?！按健辈扛浇a(chǎn)生的周期性渦流其頻率為： （Hz） （2-4）式中：-斯托哈爾數(shù)，只與流場(chǎng)的不定性有關(guān)，

37、無(wú)量綱； -廢氣流經(jīng)排氣歧管口時(shí)的流速，m/s； -氣道口徑，m；因?yàn)榱魉匐S著曲軸轉(zhuǎn)角而變化，總會(huì)有一些氣流速度符合氣道共振條件而產(chǎn)生氣柱共振噪聲。此外，高速氣流通過(guò)消聲器的狹小部分時(shí)流速增大而產(chǎn)生廢氣渦流，渦流產(chǎn)生的聲強(qiáng)與流速的8次方成正比，頻率成分主要是高頻。2.2.4亥姆霍茲共振噪聲如果一個(gè)封閉的容積為V的空腔，通過(guò)一根截面積為S、長(zhǎng)度為Z的管道與大氣相通,就形成一個(gè)共振系統(tǒng)，稱為亥姆霍茲共振腔，其共振頻率由V、S、決定。內(nèi)燃機(jī)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，氣缸與排氣道、排氣管就組成一個(gè)亥姆霍茲共振腔，它有一個(gè)共振頻率。廢氣流動(dòng)激發(fā)的噪聲中與共振頻率一致的頻率成分在這個(gè)共振腔中得到充分的放大。于是,內(nèi)燃

38、機(jī)噪聲頻譜中的這一頻率就顯得很突出,其頻率可按下式計(jì)算： (2-4)式中：c一管道內(nèi)聲速，m/s； Vh一氣缸工作容積，L； s一排氣管截面積，m2； 一排氣管長(zhǎng)度，m；亥姆霍茲共振噪聲的最大特點(diǎn)是：其頻率與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，共振頻率隨氣缸工作容積而變，排氣過(guò)程中隨著活塞的上行，共振頻率逐漸升高。因此,噪聲頻譜中對(duì)應(yīng)于亥姆霍茲共振頻率的峰比較寬。亥姆霍茲共振噪聲在單缸機(jī)中表現(xiàn)得最為突出，在兩缸機(jī)和三缸機(jī)中也能發(fā)現(xiàn)，但在四缸以上的多缸機(jī)中，由于各缸之間相互干擾，排氣歧管及總管較長(zhǎng)，故這類噪聲不突出。2.2.5廢氣噴注噪聲 在自由排氣階段,排氣門(mén)處由于高速的氣流噴注而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噴注噪聲。又由于氣體的

39、粘性,廢氣排出后,會(huì)帶動(dòng)排氣門(mén)后的氣體一起運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生卷吸作用,使周圍氣體發(fā)生旋轉(zhuǎn),形成渦流,輻射出渦流噪聲。另外,排氣門(mén)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。 廢氣噴注噪聲和沖擊噪聲是連續(xù)寬帶的高頻噪聲。這種噪聲的峰值頻率為： （Hz） （2-5）式中：-斯托哈爾數(shù)，其數(shù)值與超臨界壓力比有關(guān)，無(wú)量綱； -噴口特征尺寸，圓孔取其直徑，m； -當(dāng)?shù)芈曀?，m/s；2.2.6 排氣噪聲的其它組成聲源 1. 排氣管內(nèi)壁面處的摩擦和紊流噪聲 在超臨界排氣階段，在排氣門(mén)附近的一段氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的速度接近當(dāng)?shù)芈曀伲@時(shí)氣體管道中的流動(dòng)雷諾數(shù)2320，廢氣的流動(dòng)是紊流流動(dòng)。

40、另外由于排氣道內(nèi)的溫度很高，而氣道壁面的溫度只有100攝氏度左右，這樣在管壁附近的氣體中存在很大的溫度梯度，此溫度梯度更加劇了氣流的紊流程度，增加了渦流強(qiáng)度，排氣道內(nèi)壁面一般均用砂蕊鑄造成型，表面的絕對(duì)粗糙度h=0.3-06mm。這個(gè)高度大于排氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的紊流附面層中的層流底面厚度。這樣，當(dāng)氣流繞流過(guò)凸出物時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，在凸出物后面形成類似于氣門(mén)桿后的卡門(mén)渦流，使管壁面的渦流進(jìn)一步增強(qiáng)。紊流氣體在排氣道內(nèi)壁面附近造成的渦流引起壁面附近的氣體壓力波動(dòng)，輻射出噪聲。這種紊流噪聲主要是寬帶的高頻噪聲。 2. 可燃物質(zhì)在排氣系統(tǒng)中再燃燒產(chǎn)生的噪聲 由于多種原因，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的可燃物質(zhì)中還會(huì)含

41、有少量的可燃物和氧氣。在排氣過(guò)程中氣體激烈的再混合，使這部分可燃物質(zhì)在排氣系統(tǒng)中燃燒，造成局部地區(qū)的氣體壓力波動(dòng)，加劇了原來(lái)排氣系統(tǒng)中氣體壓力脈動(dòng)的程度。 3. 有排氣的脈動(dòng)壓力激發(fā)管壁產(chǎn)生的噪聲由于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣過(guò)程是周期性變化的，因此排氣系統(tǒng)中的排氣壓力是脈沖的，這種脈沖壓力作用在排氣系統(tǒng)的管壁上，激發(fā)這些彈性構(gòu)件發(fā)生振動(dòng)。如果構(gòu)件的自振頻率與氣體壓力的脈動(dòng)頻率剛好一致，就將發(fā)生強(qiáng)烈的共振而輻射出噪聲。 4. 排氣門(mén)落座聲高速內(nèi)燃機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，要求排氣門(mén)的落座速度控制在緩沖段，但是由于加工和裝配誤差往往會(huì)使氣門(mén)落座速度和加速度任然很大。落座時(shí)的加速度有時(shí)會(huì)高達(dá)6000m/s2，這種高速落座，在

42、排氣門(mén)與氣門(mén)座之間造成金屬撞擊，引起氣門(mén)的振動(dòng)，而發(fā)出噪聲。2.3 影響排氣噪聲的主要因素影響排氣噪聲的主要因素有：氣缸壓力、排氣門(mén)直徑、發(fā)動(dòng)機(jī)排量以及排氣門(mén)開(kāi)啟特性等。對(duì)同一款發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲最大的因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。2.4 排氣噪聲的理論基礎(chǔ)2.4.1 聲波方程聲波傳播的一般情況涉及三維空間，下面給出三維空間內(nèi)在理想流體媒質(zhì)中聲波傳播的一般關(guān)系式，然后討論它們的應(yīng)用。聲場(chǎng)的特征可以通過(guò)媒質(zhì)中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度和密度的變化量表征。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化必須對(duì)媒質(zhì)和聲波方程作出一些假定，例如： 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(méi)有能量損耗； 2)沒(méi)

43、有聲擾動(dòng)時(shí)，媒質(zhì)在宏觀上是靜止的，同時(shí)媒質(zhì)是均勻的,因此媒質(zhì)中靜態(tài)壓強(qiáng)、靜態(tài)密度為常數(shù)； 3)聲波傳播時(shí)，媒質(zhì)中稠密和稀疏的過(guò)程是絕熱的； 4)媒質(zhì)中傳播的是小振動(dòng)波,各聲學(xué)參量都是一級(jí)微量，即聲壓P遠(yuǎn)小于媒質(zhì)中靜態(tài)壓強(qiáng)、質(zhì)點(diǎn)速度v遠(yuǎn)小于聲速,質(zhì)點(diǎn)位移遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)；媒質(zhì)密度增量遠(yuǎn)小于靜態(tài)密度0。 運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程是由牛頓第二定律推導(dǎo)而得，即作用于流體微團(tuán)上的合力,等于流體微團(tuán)的動(dòng)量變化率。方程為： (2-6）式中： ，哈密頓算子； ，質(zhì)點(diǎn)速度矢量； 根據(jù)假設(shè)，略去二階微量，得： （2-7）即為運(yùn)動(dòng)方程。 連續(xù)方程 連續(xù)方程就是質(zhì)量守恒定律,即單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出流體介質(zhì)微團(tuán)的質(zhì)量之差等于微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量

44、的變化率。方程為： (2-8)同樣，略去二階微量，得： （2-9）各符號(hào)含義同上。 氣體狀態(tài)方程 聲波在理想介質(zhì)中傳播時(shí)，因波動(dòng)過(guò)程很快，壓縮和膨脹所需時(shí)間比熱傳導(dǎo)所需時(shí)間短的多，介質(zhì)還來(lái)不及與相鄰部分進(jìn)行熱交換，故將聲傳播過(guò)程視為絕熱過(guò)程。 ( 2.-10）對(duì)時(shí)間微分，并略去二階微量，得 （2-11）式中，k為比熱比，空氣為1.4，R為通用氣體常數(shù)。 波動(dòng)方程 根據(jù)理想介質(zhì)的上述三個(gè)基本方程（2-7）、（2-9）、（2-11），可導(dǎo)出波的波動(dòng)方程： (2-12)式中：，拉普拉斯算子。2.4.2 一維平面波理論上述方程要在二維空間上求解比較困難，實(shí)際應(yīng)用上常將其適當(dāng)簡(jiǎn)化。例如，對(duì)于具有軸對(duì)稱特

45、征的模型，可以在一個(gè)軸對(duì)稱的平面內(nèi)求解；而對(duì)于以一個(gè)方向尺寸為主的模型，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一維波動(dòng)方程。但是，兩種簡(jiǎn)化都有其使用范圍。對(duì)于軸對(duì)稱模型，其潛在的假設(shè)就是聲波在圓周向上沒(méi)有變化，如果實(shí)際結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)周向聲壓波動(dòng)，該模型將產(chǎn)生較大誤差。 一維波動(dòng)方程如果消聲元件的軸向尺寸比其徑向尺寸大得多，為便于分析，將內(nèi)部聲波近似簡(jiǎn)化為平面波，即聲壓只與一個(gè)軸向位置有關(guān)。則波動(dòng)方程簡(jiǎn)化為： （2-13）對(duì)于角頻率為的簡(jiǎn)諧波，其一般解為： 式中：+一反向聲波;；一正向聲波； A一聲壓幅值；一初始相位角； 聲電類比聲和電都具有波動(dòng)性，因此具有可比性。對(duì)于平面波，有，式中：S表示聲波通過(guò)面積，稱為體積速度。

46、受聲壓作用而產(chǎn)生體積速度的形態(tài)關(guān)系與受電壓作用而產(chǎn)生電流的電路相類比，就叫做聲線路。夠成聲線路的基本元件如下： 1) 聲阻，類似電路中的電阻： 2) 聲質(zhì)量，在聲線路中，聲質(zhì)量表征形成整體振動(dòng)的介質(zhì)慣性。截面積為S，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管子內(nèi)介質(zhì)密度為時(shí),其聲質(zhì)量，相當(dāng)于電路中的電感。 3)聲容，表征有限容積內(nèi)的介質(zhì)的彈性，類似于電路中的電容。對(duì)于體積為V的介質(zhì)， 。 聲壓類比于電壓，而體積速度類比于電流?？梢?jiàn)，聲學(xué)和電學(xué)存在基本的對(duì)應(yīng)關(guān)系。依據(jù)聲電類比，就可以用電路的理論來(lái)研究聲學(xué)問(wèn)題。例如，對(duì)于截面突變的管路，相當(dāng)于一個(gè)聲變壓器，突變截面兩側(cè)的參數(shù)關(guān)系為：。聲電類比的方法雖然由平面波推導(dǎo)而得，但該方

47、法并不局限于平面波。對(duì)于二維和三維情況，只要注意到各個(gè)類比參數(shù)的定義不可用，仍可利用電學(xué)的理論和方法研究聲學(xué)問(wèn)題。 聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)在電路中有兩個(gè)電極，在電極上施加電壓時(shí)便有電流通過(guò)，其中與電源相接的稱為輸入端口，與負(fù)載相接的，稱為輸出端口，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為四端網(wǎng)絡(luò)。與此相仿，在消聲器聲線路中，在入口管處施加聲壓后則產(chǎn)生體積速度，出口處有聲壓和體積速度，這樣的聲線路叫做聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)。四端網(wǎng)絡(luò)法的理論是：如果在管道中僅存在軸向行進(jìn)的平面聲波，那么任一截面的聲學(xué)狀態(tài)都可以用兩個(gè)聲學(xué)參量來(lái)加以描述，即：聲壓P和聲體積速度U。由線性化論可知：任一系統(tǒng)兩端的聲學(xué)狀態(tài)參量都存在某種線性關(guān)系，該線性關(guān)系取決于系統(tǒng)

48、本身的傳遞特性。因此計(jì)算消聲器的消聲特性，需要求解包括聲源及消聲器出口聲輻射情況在內(nèi)的傳遞矩陣參數(shù),其等效物理模型如圖2.1所示： 圖2.1 消聲器的等效模型 計(jì)算公式為： （2-14）式中：、分別為消聲器入口端和出口端的聲壓； 、分別是消聲器入口端和出口端的聲體積速度；由式（2-14）可知四極子常數(shù)A、B、C、D：，出口斷開(kāi)時(shí)的傳遞系數(shù)；，出口短路時(shí)的傳遞阻抗；，出口斷開(kāi)時(shí)的傳遞阻抗；，出口短路時(shí)的傳遞系數(shù)； 則由它們組成的矩陣稱為、和、之間的傳遞矩陣。斷開(kāi)是指出口端封閉，而短路實(shí)際上很難做到，通常在出口端連接很小的阻抗近似短路。如果有多個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)相連，只要將其依次相乘，就可以得到總的四端網(wǎng)

49、絡(luò)關(guān)系，也就可以求出出口的聲壓和體積速度。2.4.3 管道聲學(xué)理論管道中聲波傳播問(wèn)題在噪聲控制中是常會(huì)遇到的,管道是平面聲波傳播的良好環(huán)境，它獲得許多應(yīng)用。例如吸聲材料的聲阻抗和吸聲系數(shù)的測(cè)量，傳聲器的靈敏度校正以及用消聲器來(lái)消除或減弱進(jìn)排氣管道傳播的強(qiáng)噪聲。為此應(yīng)該了解管道中的聲波傳播。在汽車進(jìn)排氣管道所考慮的頻率范圍內(nèi)，聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些管道的直徑，因此在管道中，聲波被認(rèn)為以平面波的方式傳播，因此通?？梢杂靡痪S聲學(xué)來(lái)分析進(jìn)排氣管中聲音的傳播特性如圖（2.2）所示： 圖2.2 管道聲波示意圖如圖2.2所示一段管道中的入射波和反射波，假定入射波聲壓，反射波聲壓為，入射波聲速為，反射波聲速為

50、。 （2-15） （2-16） 假設(shè)管壁和管端都是剛性的，管的橫向尺寸比波長(zhǎng)小得多，在管中只存在正負(fù)x方向傳播的波。波在剛性管端上質(zhì)點(diǎn)速度是零。反射與入射聲壓的振幅相等，相位相同。因此管內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓，是與的疊加，而質(zhì)點(diǎn)速度則是和的疊加，如（2-17）所示： （2-17） 假設(shè)入射波的聲壓幅值與反射波的聲壓幅值相等，由于 ，所以 可寫(xiě)成如下形式： （2-18）上式的實(shí)部可以寫(xiě)成下式： ，當(dāng) 時(shí)聲壓為0，由可以推導(dǎo)出為駐波的節(jié)點(diǎn)位置；當(dāng)時(shí)聲壓達(dá)到最大值，由可推導(dǎo)出，為駐波的反節(jié)點(diǎn)位置。駐波是由頻率相同的向右傳播的入射波和向左傳播的反射波疊加而形成的。駐波不是運(yùn)動(dòng)的波，而是靜止的波。駐波是用來(lái)表示

51、管道中聲音的模態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)度一定的管道來(lái)說(shuō)，由于有許多頻率的波，因此也就有很多駐波。假設(shè)管壁是剛性的，所有聲波遇到管壁時(shí)全部被反射回來(lái)?？墒菍?shí)際上，管端壁不是完全剛性，因此反射波的聲壓不完全等于入射波聲壓，因此在節(jié)點(diǎn)處，入射波和反射波不可能完全抵消。但是這些點(diǎn)處的聲壓大部分被抵消，聲壓最低。2.5 消聲器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)在消聲器的種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣，評(píng)價(jià)一個(gè)消聲器的好壞，可以從以下三方面判斷：聲學(xué)性能：以傳遞損失、插入損失和末端降噪量等來(lái)評(píng)價(jià)，其值越大越好；空氣動(dòng)力性能：以功率損失比、阻力損失和阻力系數(shù)大小來(lái)評(píng)價(jià),其數(shù)值越小越好； 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。 2.5

52、.1 聲學(xué)性能指標(biāo) 傳遞損失、插入損失、降噪量和聲衰減是消聲器消聲量大小的量度。 傳遞損失 消聲器的進(jìn)口端聲功率與出口端聲功率之差叫做,傳遞損失。通常情況下消聲器進(jìn)口端與出口端的通道截面相同，聲壓沿截面近似均勻分布，這時(shí)傳遞損失等于進(jìn)口端聲壓級(jí)和出口端聲壓級(jí)之差，測(cè)量消聲器的傳遞損失一般以管道法測(cè)量入射聲和透射聲的聲壓級(jí)。在給定工況下，消聲器進(jìn)口端測(cè)出對(duì)應(yīng)于入射聲的倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級(jí)，在出口端測(cè)出對(duì)應(yīng)于透射聲的相應(yīng)聲壓級(jí)，各頻帶傳遞損失等于兩次測(cè)量所得頻帶聲壓級(jí)之差。計(jì)算公式為： （dB）； （2-19） 式中：入射聲聲壓級(jí)，dB； 透射射聲壓級(jí)，dB； 消聲器入口端聲功率，W； 消聲

53、器出口端聲功率，W； 傳遞損失是評(píng)價(jià)消聲器消聲效果最簡(jiǎn)單的一種方法。傳遞損失只反映消聲器本身的傳遞特性，與聲源、消聲器出口端的阻抗無(wú)關(guān)，不受管道系統(tǒng)及消聲器出口端尾管的影響。 插入損失插入損失是指安裝排氣消聲器前后,排氣噪聲聲壓級(jí)之差。當(dāng)管口大小、形狀、聲場(chǎng)分布保持近似相同時(shí)插入損失等于在給定測(cè)點(diǎn)處安裝排氣消聲器前后的排氣噪聲聲壓級(jí)之差。計(jì)算公式為：（dB）； （2-20） 式中：不裝排氣消聲器只有等長(zhǎng)排氣管的排氣噪聲A、C)計(jì)權(quán)聲壓級(jí)或頻帶聲壓級(jí)，dB； 裝排氣消聲器后的排氣噪聲A、(C)計(jì)權(quán)聲壓級(jí)或頻帶聲級(jí)，dB； 一安裝消聲器前測(cè)點(diǎn)的聲壓，Pa； 一安裝消聲器后測(cè)點(diǎn)的聲壓，Pa；插入損失

54、的測(cè)量結(jié)果反映了噪聲源、消聲器以及消聲器末端管道三者的聲學(xué)特性的綜合效果。由于插入損失測(cè)量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不嚴(yán)，易實(shí)現(xiàn)，非常適用各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中被廣泛采用。 降噪量消聲器進(jìn)口端面與出口端面測(cè)得的平均聲壓級(jí)之差稱為降噪量。計(jì)算公式為：（dB）， （2-21）式：一為消聲器進(jìn)口端面平均聲壓級(jí)，dB； 一為消聲器出口端面平均聲壓級(jí),dB；這種測(cè)量方法易受環(huán)境反射、背景噪聲、氣象條件的影響。 聲衰減聲衰減也是一種比較常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是聲學(xué)系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)間的聲功率級(jí)之差，反映了聲音沿消聲器通道內(nèi)的衰減特性，以每米衰減的分貝數(shù)表示，即dB/m來(lái)表示。實(shí)際測(cè)量中，可采用“軸向貫穿法”測(cè)量。聲衰減量反映出消聲器內(nèi)的消聲特性以及衰減過(guò)程，可以避免環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。2.5.2 空氣動(dòng)力性能指