消聲器的設計流程與研究

1、 消聲器的設計流程與研究胡景彥 蘇圣 江帆 吳豐凱 呂希斌（1. 寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000）摘要：隨著社會對振動噪聲關(guān)注度與日俱增，采用的降噪措施也是不斷多樣化，本文主要研究的方向主要是針對發(fā)動機排氣噪聲方面，采用消聲器進行降噪措施的研究。對于不同的發(fā)動機其排氣噪聲在不同頻率的聲壓級是不同，而對于不同排量的發(fā)動機所產(chǎn)生的聲壓級大小也是不一樣。所以需要專門針對某一款發(fā)動機設計一款消聲器進行降噪，這就涉及到如何設計消聲器使之能夠完全與發(fā)動機進行匹配，本文主要研究的課題是采用傳統(tǒng)的設計方法與有限元計算相結(jié)合的方式進行設計消聲器。關(guān)鍵詞：消聲器 噪聲 聲壓級 聲強級 聲功

2、率Design cycle and Research of MufflerHU jing-yan, Su Sheng, Jiang Fan, WU feng-kai，Lu xi-bin (DLT TECHNOLOGY CO.,LTD., NingBo 315000, China)Abstract: What some diversified measures has been adopted in the aspect of noise reduction is the result of the fact that attention paid to the vibration and no

3、ise grows with each passing day. The paper is mainly talked about using muffler for noise reduction to deal with the problem pretended in the respect of engine exhaust noise. It is the difference in the frequencies of sound pressure level as well as that of the displacement engine result in diverse

4、sound pressure level that requires specifying a certain engine with a corresponding muffler for noise reduction. This involves how to devise silencer to make it completely match the engine. The issue, in the paper, is adopting the mode of combining the traditional design method and finite element ca

5、lculation to design the silencer.Keywords: Muffler, Noise, Sound Pressure Level, Sound Intensity, Sound Power Level0引言由于現(xiàn)代社會對汽車NVH的要求日趨提高，這就對汽車上面的各個零部件的設計必須考慮降噪的因素。對于汽車降噪方面往往涉及到許多領(lǐng)域，比如說汽車各個零部件的振動情況，汽車內(nèi)外飾所采用的吸聲材料，以及降低噪聲源聲學阻抗的設計。本文主要是針對汽車發(fā)動機排氣噪聲方面的降噪措施進行研究，找出一條設計發(fā)動機消音器的設計思路。因為消音器的設計不僅要考慮聲學方面降低多少聲壓級，還要

6、考慮消聲器的流動損失。所以在設計消聲器時需要運用多種方式進行設計，以此優(yōu)化出消聲器最佳性能。如何能夠合理的安排和采用分析手段是下面我們所要重點研究的課題。1 消聲器的設計1.1 消聲器整體設計思路在消聲器設計中往往需要考慮兩大因素，分別是工藝成本和性能。如果一旦設計消聲器的邊界條件已經(jīng)限定，消音器的工藝成本和性能之間的矛盾就變得尤為的突出。為了能夠更合理的找出它們的擇中點需要消聲器的結(jié)構(gòu)做些更改以此保證在不提高生產(chǎn)工藝成本的前提下，提高消聲器的性能。消聲器的性能主要分成兩大方面，一個是它的聲學性能，另一個是它的流動損失。由于在設計消聲器的時候存在兩種設計因素，所以制定一個合理的設計流程是十分必

7、要的。以下是設計消聲器的步驟。1、需要整車廠商提供設計的邊界條件，以免設計完的消聲器由于體積的問題無法安裝在整車上面。2、分析發(fā)動機排氣噪聲頻譜，觀察那個頻率段下聲壓級偏高，這將為后面消聲器的設計提供依據(jù)。3、通過傳統(tǒng)的設計理論進行設計消聲器布置方案，但是由于整車廠所提供的邊界條件限制，設計出來的消聲器不一定是規(guī)則的形狀，由于不規(guī)則的內(nèi)腔可能會導致與傳統(tǒng)理論的計算結(jié)果存在誤差，所以就需要通過有限元的手段進行計算。4、通過有限元軟件進行對消聲器進行聲學分析，觀察各個頻段下降低的聲壓級是否滿足設計要求，哪里是否需要更改，以及判斷哪里是否需要附件吸聲材料。5、聲學分析完成后需要再進行一次CFD分析，

8、驗證流動損失是否控制在合理的范圍內(nèi)，如果流動損失過大需要重新更改方案驗證聲學性能，然后再進行一次CFD分析。下圖為消聲器的設計流程圖。圖1 消聲器的設計流程Fig.1 Design cycle of Muffler1.2 消聲器的設計消聲器的種類一般比較多，一般有以下幾種，分別是阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合式消聲器等等。由于各種消聲器的消聲原理不同，本文將重點介紹抗性擴張室式消聲器的設計。抗性擴張室式消聲器的降噪原理并不是將發(fā)動機的排氣噪聲完全吸收，而是類似于一個濾波裝置，將令人無法承受的聲音進行阻攔，而允許一部分能體現(xiàn)出汽車動力性的低頻聲音通過。圖2為抗性擴張室式結(jié)構(gòu)圖。圖2 擴張室式消

9、聲器結(jié)構(gòu)Fig.2 Expansion Chamber Muffler Structure在計算消聲器在各頻率下聲壓級降低的數(shù)值需要對消聲器進行建立聲學模型，為了計算方便，聲學理論計算通常使用的是電-力-聲線路類比的方法進行求解1，下圖為圖2擴張室式消聲器結(jié)構(gòu)的線路類比圖。圖3 擴張室式消聲器類比圖Fig.3 Expansion chamber muffler analogy map其中Ma1為消聲器第1管的聲質(zhì)量，Ra1為消聲器第1管的聲阻，Ca1為第1腔的聲容。消聲器對各個頻段下的聲波進行降噪的指標用消聲量L進行標示，消聲量的定義如下所示： L=10log101tI （1）其中tI為透射系

10、數(shù)，其定義如下所示1： tI=ItIi=44cos2kD+(S21+S12)2Sin2kD （2）其中It為透射波聲強，Ii為入射波聲強，k為聲數(shù)k=2fC0，D為消聲器腔室長度，S12為S1與S2的比值，S21為S2與S1的比值。將式2帶入式1得3：L=10log101+14S12-S212Sin2kD （3）當kD=(2n-1)2或D=(2n-1)4(n=1,2.)時，消聲量達到最大值。也就是說當腔室長度為1/4波長的奇數(shù)倍時消音量最好。以上的公式就是設計抗性擴張室式消聲器的理論依據(jù)。2 消聲器的分析2.1 消聲器聲學有限元分析根據(jù)整車廠的設計邊界完成了消聲器的布局設計，下面就需要用聲學有

11、限元的方法對消聲器的三維模型進行更加精確的計算2，下圖為某汽車消聲器的三維模型。圖4 擴張室式消聲器三維模型Fig.4 Three Dimensional Model of Expansion Chamber Muffler 從圖中可以看到消聲器分成很多內(nèi)腔，并且它們之間通過管道進行連接。根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)對其抽腔，然后進行網(wǎng)格劃分與計算。下圖為某頻率下消聲室內(nèi)的聲壓分布。圖5 消聲器內(nèi)腔的聲壓分布Fig.5 Sound Pressure Distribution of the Muffler Cavity 對于消聲器內(nèi)部的聲壓分布在這里暫不做研究，由于用戶最關(guān)心的是人耳聽到的聲音4，所以分析的目

12、的重點是消聲器的排氣口處的聲音，為了能夠體現(xiàn)出在各個頻率下的降噪結(jié)果，下圖顯示的是從20-500Hz聲音的傳遞結(jié)果。圖6 各頻率下降噪聲壓級Fig.6 reduce sound pressure level in each frequency2.2 消聲器流場CFD分析圖7 消聲器內(nèi)腔的流線分布Fig.7 Streamline Distribution of the Muffler Cavity圖8 消聲器內(nèi)腔的流速分布Fig.8 The Velocity Distribution of the Muffler Cavity3 分析結(jié)論通過以往的設計，一般情況下消聲器聲學設計比較難滿足設計要求，而流場相對來說比較容易解決其流動損失這個問題，所以故此先進行聲學有限元計算，滿足聲學要求后再進行相關(guān)的流動損失計算。對于消聲器的設計一般采用類比圖進行求解，而工程應用中如果類比圖過于復雜，可以借助計算機進行解決此類問題，比如說使用Matlab軟件進行求解。此設計流程已經(jīng)應用的工程設計當中，并且經(jīng)過對不同排量的發(fā)動機的匹配驗證，試驗結(jié)果完全達到當初的設計要求。參考文獻：1 杜功煥 朱哲民 龔秀芬.聲學基礎(chǔ)M.南京大學出版社，2001.2 李耀中 李東升.噪聲控制技術(shù)M.化學工業(yè)出版社，2008.3