汽車(chē)排氣系統(tǒng)聲學(xué)的設(shè)計(jì)課件

1、汽車(chē)排氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)0排氣系統(tǒng)的構(gòu)成連接發(fā)動(dòng)機(jī)出口，用排氣管道連接熱端（催化器）和冷端（消聲器）構(gòu)成冷端熱端冷端1常用汽車(chē)消聲器的分類(lèi)阻性消聲器阻抗復(fù)合消聲器抗性消聲器2主觀感受 物 理 量 限 制排氣系統(tǒng)聲舒適度的限制條件心 理 （與發(fā)動(dòng)機(jī)性能聯(lián)系）社會(huì)習(xí)慣 (賽車(chē)）生理變化（聽(tīng)力損傷）3背壓阻力 空間幾何尺寸 布置 截面 指向氣流再生噪聲 氣流速度 湍流 指向性其它聲源的屏蔽 消聲器材料 隔聲 隔振 耐熱工藝、成本主觀感受 物 理 量 限 制排氣系統(tǒng)聲舒適度的限制條件4一、汽車(chē)消聲器的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)阻性消聲結(jié)構(gòu)抗性消聲結(jié)構(gòu)阻抗復(fù)合消聲結(jié)構(gòu)擴(kuò)散消聲結(jié)構(gòu)5阻性消聲器原理利用聲阻進(jìn)行消聲。一般是

2、利用多孔吸聲材料來(lái)制作阻性消聲器，當(dāng)聲波通過(guò)敷設(shè)有吸聲材料的管道時(shí)，聲波將激發(fā)多孔吸聲材料中眾多小孔內(nèi)空氣分子的振動(dòng)，由于摩擦阻力和粘滯力的作用，使得一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而達(dá)到消聲目的。 6阻性消聲器的計(jì)算方法賽賓公式： 彼洛夫公式： 消聲系數(shù)，與阻性材料垂直入射系數(shù)有關(guān)。 P氣流通流斷面周長(zhǎng)（飾面部分，無(wú)吸聲材料的地方不算在內(nèi)）L消聲器有效長(zhǎng)度（飾面部分長(zhǎng)度）7高頻失效：高頻不能很好的用平面波近似，方向性強(qiáng)，以窄聲束的形式沿通道傳播，很少或根本不與飾面接觸，造成消聲量急劇下降。 消聲器的高頻失效空間幾何尺寸式中： c 聲速，米/秒； D 氣流通道的截面直徑，米。上限失效頻率:8抗性

3、消聲器 抗性消聲器主要是利用聲抗的大小來(lái)消聲的，利用各種不同形狀的管道和腔室進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，提供管道系統(tǒng)的阻抗失配，使聲波產(chǎn)生反射或干涉現(xiàn)象，從而降低由消聲器向外輻射的聲能。 常用于汽車(chē)消聲器設(shè)計(jì)的技術(shù)：擴(kuò)張室式、共振腔、干涉等 9擴(kuò)張室消聲器 原理 利用管道的截面突變引起聲阻抗變化，使得一部分沿著管道傳播的聲波反射回聲源；同時(shí)，通過(guò)腔室和內(nèi)接管長(zhǎng)度的變化，使得向前傳播的聲波與在不同管道截面上的反射波之間產(chǎn)生 180的相位差，相互干涉，從而達(dá)到消聲的目的。10峰值消聲頻率:擴(kuò)張消音器的傳遞損失為： fn=（2n+1） 通過(guò)頻率:f“n= 失效頻率:f上=1.22c/df下= 11擴(kuò)張比對(duì)傳遞損

4、失的影響 擴(kuò)張器長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響 空間幾何尺寸12共振腔消聲器 原理 利用共振吸聲 ，當(dāng)聲波入射到共振腔口時(shí)，因?yàn)槁曌杩沟耐蝗蛔兓徊糠致暷軐⒎瓷浠芈曉?。同時(shí)在聲波的作用下，孔徑中的空氣柱產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)摩擦阻尼又使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌簦瑑H有少量聲能輻射出去，從而達(dá)到了消聲的目的。 分類(lèi)旁支型和同軸型13共振消聲器傳遞損失為： L=10lgK=G= 共振消聲器設(shè)計(jì)方法傳導(dǎo)率：赫爾姆茲消音器LcVAc14阻抗復(fù)合式消聲器 阻性消聲器對(duì)中、高頻噪聲的消聲效果好，而抗性消聲器則適于消除低、中頻噪聲。將阻性、抗性?xún)煞N結(jié)構(gòu)的消聲器復(fù)合起來(lái)使用獲得寬頻帶的降噪效果。不同方式的組合，可設(shè)計(jì)出不

5、同結(jié)構(gòu)形式的阻抗復(fù)合消聲器。一般情況下，是抗性部分放在前面(入口端)，阻性部分放在后面。 15消聲器空間幾何尺寸的限制 原則上，增大消聲器的外幾何尺寸，可以提高消聲量。但是受到底盤(pán)布置的限制，增大背壓阻力。截面形狀對(duì)消聲效果也有不可忽視的影響。排量頻繁變化的脈動(dòng)氣流使得靜態(tài)的聲學(xué)計(jì)算要做出很多修正。 16背壓阻力 空間幾何尺寸 布置 截面 指向氣流再生噪聲 氣流速度 湍流 指向性其它聲源的屏蔽 消聲器材料 隔聲 隔振 耐熱工藝、成本主觀感受 物 理 量 限 制排氣系統(tǒng)聲舒適度的限制條件17消聲器中的壓力損失計(jì)算氣流在凈化消聲器中的流動(dòng)狀況雖然比較復(fù)雜, 但是引起局部壓力損失最大的通流結(jié)構(gòu), 可

6、以簡(jiǎn)化為兩種基本的物理模型:通流面積的突然擴(kuò)張和通流體面積的突然收縮. 背壓阻力181、通流面積突然收縮 19根據(jù)連續(xù)、能量和動(dòng)量方程，經(jīng)推導(dǎo)可得到下式： 當(dāng)可得到駐壓降與面積比在阻塞時(shí)的單參數(shù)函數(shù)關(guān)系 20 也就是說(shuō), 面積的突然收縮能引起的駐壓損失不會(huì)超過(guò)來(lái)流駐壓的21%,從本質(zhì)上講, 這種駐壓損失主要是由氣流收縮以后的膨脹而引起的。 212、通流面積突然擴(kuò)張22從連續(xù), 動(dòng)量和絕熱能量方程出發(fā), 引入理想氣體的狀態(tài)方程, 得到: 可以導(dǎo)出靜壓比與M*與2之間的函數(shù)關(guān)系。定義: 23當(dāng)20, 即A2 時(shí), 對(duì)上式求極限, 得到:當(dāng)20.1時(shí), 就很接近極限值了。而實(shí)際的消聲器設(shè)計(jì)中, 2往

7、往是很小的。 24增大消聲器體積增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加緊偶合催化器增加背壓增大油耗增加功耗噪聲限值加嚴(yán)油耗標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)排放、噪聲、油耗三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的挑戰(zhàn)25重要的設(shè)計(jì)原則盡量分離氣流通道與消聲通道；優(yōu)化傳統(tǒng)聲學(xué)元件的設(shè)計(jì)；發(fā)展和應(yīng)用新的聲學(xué)元件。26二、特殊結(jié)構(gòu)的消聲元件27錐形擴(kuò)散管及聲電類(lèi)比圖1、錐形擴(kuò)散管28錐形擴(kuò)散管只要擴(kuò)散管的錐角不過(guò)份大以免造成氣體脫流, 這種結(jié)構(gòu)所造成的氣流阻力是很小的, 幾乎沒(méi)有局部壓力損失, 可以有效地抑制氣流再生噪聲。這種結(jié)構(gòu)常被用作傳聲筒, 然而用作消聲元件, 還未見(jiàn)報(bào)道。以下的推導(dǎo)證明, 錐形擴(kuò)散管對(duì)于低頻噪聲有明顯的抑制作用 29錐

8、管的聲阻抗推導(dǎo)根據(jù)球坐標(biāo)下聲擾動(dòng)的波動(dòng)方程, 假設(shè)波是均勻的, 波陣面上的各個(gè)參量相同, 可得 錐形擴(kuò)散管的四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)30錐形擴(kuò)散管的聲阻抗 由此式, 錐管作為一種聲學(xué)元件其聲學(xué)特性全部已知 31 實(shí)部是聲阻, 虛部為聲抗 。聲抗表示輻射不出去的能量。聲抗越大, 則表示儲(chǔ)存在接近場(chǎng)的聲能越多, 即消聲效果越好 32當(dāng)L給定時(shí), 可找出某一頻率, 在此頻率上聲抗最大, 即消聲量最大。這個(gè)結(jié)果只限于低頻 33 2、直頸錐管聲電類(lèi)比圖 34結(jié) 論直頸錐管式消聲結(jié)構(gòu)阻力小，可有效地抑制中低頻噪聲；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適合于圓形截面的消聲器。尤其適合于要求功率損失小，底盤(pán)空間較大的車(chē)型（例如：SUV，載重貨車(chē)）

9、的主消聲器。352、螺旋整流式消聲結(jié)構(gòu) 整流前整流后36排氣噪聲頻譜對(duì)比37螺旋整流式消聲器負(fù)荷曲線(xiàn)38背壓阻力 空間幾何尺寸 布置 截面 指向氣流再生噪聲 氣流速度 湍流 指向性其它聲源的屏蔽 消聲器材料 隔聲 隔振 耐熱工藝、成本主觀感受 物 理 量 限 制排氣系統(tǒng)聲舒適度的限制條件39三、氣流再生噪聲的控制技術(shù)40定義：氣流之間相互作用或氣流和固體相互作用產(chǎn)生的噪聲。 要素：相互運(yùn)動(dòng)-質(zhì)量-作用力 例如：運(yùn)動(dòng)氣流之間相互作用：氣流再生噪聲； 運(yùn)動(dòng)氣流和靜止固體之間相互作用：喘流噪聲； 運(yùn)動(dòng)氣流和靜止大氣之間相互作用：射流噪聲； 運(yùn)動(dòng)固體和靜止大氣之間相互作用：旋轉(zhuǎn)噪聲；空氣動(dòng)力性噪聲特性

10、 1、氣流噪聲產(chǎn)生機(jī)理41Ligthill 理論： WVnA/cm V 氣流速度 ； C聲速； A- 作用因子。 N = 4 : 單極子聲源，脈動(dòng)氣流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲等； N = 6 : 偶極子聲源，喘流噪聲等； N = 8 : 射流噪聲等；2、氣流噪聲的模型和影響因素42（1）旋轉(zhuǎn)噪聲（也稱(chēng)風(fēng)扇噪聲）旋轉(zhuǎn)物體周期性作用空氣介質(zhì)產(chǎn)生： f0 = n Z/ 60 式中：n - 風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)，Z-葉片數(shù)。離散性噪聲和有調(diào)噪聲：2 f0 , 3 f0, - LW = 10 log Q + 20 log P + K式中： Q-流量，m3 / h ; P-風(fēng)壓， P a ; K-比聲功率級(jí)，和風(fēng)扇（包括葉片、

11、蝸殼等）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。3氣流噪聲主要類(lèi)型43 f= sh u/d式中：sh-斯脫哈羅常數(shù)，0.14- 0.20 之間， u -氣流速度，d -運(yùn)動(dòng)物體在速度平面上的投影。 連續(xù)譜噪聲，聲功率和氣流速度的6 次方成正比。 （2）喘流噪聲44（3）射流噪聲45單極子噪聲單極子噪聲和偶極子噪聲低轉(zhuǎn)速 rpm, 幾乎重合高轉(zhuǎn)速 rpm, 產(chǎn)生偶極子甚至四極子聲源（4）尾管噪聲46 典型的氣流脈動(dòng)噪聲是有壓縮機(jī)激發(fā)管道和空氣產(chǎn)生的噪聲。 （5） 氣流脈動(dòng)噪聲激發(fā)力機(jī)殼體輻射噪聲進(jìn)排氣口輻射噪聲管道共振噪聲殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)排氣消聲器合理選擇管道長(zhǎng)度和懸掛點(diǎn)47擴(kuò)散消聲器 小噴口高壓排氣或放空所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力

12、性噪聲是環(huán)境噪聲中的強(qiáng)聲源之一。對(duì)其聲源特性的研究和控制技術(shù)的研發(fā)均有較大的發(fā)展。諸如小孔噴注、多孔擴(kuò)散、節(jié)流降壓等消聲器有效地控制了這類(lèi)聲源的環(huán)境污染。原理：利用小孔的移頻效應(yīng)，把噴注噪聲頻率移到人耳不敏感的超聲頻范圍。 48定值噪聲測(cè)量結(jié)果30秒加速，平均降低4.7dbA49怠速定值噪聲頻譜對(duì)比怠速條件下，與空管比較，6.7dbA消聲量，不影響排氣50怠速定值噪聲頻譜對(duì)比怠速定值噪聲測(cè)量，與空管相比，6.7dbA消聲量，不影響排氣51大排量（4500rpm）條件下，消聲量6.6dbA噴注尾管定值噪聲測(cè)量結(jié)果52噴注尾管定值噪聲測(cè)量結(jié)果大排量（4500rpm）條件下，消聲量6.6dbA53背

13、壓阻力 空間幾何尺寸 布置 截面 指向氣流再生噪聲 氣流速度 湍流 指向性其它聲源的屏蔽 消聲器材料 隔聲 隔振 耐熱工藝、成本主觀感受 物 理 量 限 制排氣系統(tǒng)聲舒適度的限制條件54四、空氣導(dǎo)聲的隔聲機(jī)理與控制55材料一側(cè)的入射聲能與另一側(cè)的透射聲能相差的分貝數(shù)就是該材料的隔聲量，通常以符號(hào)R（dB）表示 式中 R 隔聲量；E入 入射聲能；E透 透射聲能； 透射系數(shù)。56 單層勻質(zhì)薄板的隔聲性能1勻質(zhì)薄板的隔聲頻率特性曲線(xiàn)1）影響隔聲頻率特性曲線(xiàn)的幾個(gè)參量 薄板的隔聲性能主要由控制板振動(dòng)的三個(gè)物理量決定，即： 板的面密度M；板的勁度B；材料的內(nèi)阻。2）隔聲頻率特性曲線(xiàn) 典型的勻質(zhì)薄板隔聲頻

14、率特性曲線(xiàn)如下圖所示。曲線(xiàn)可分為三個(gè)區(qū)域： 勁度控制區(qū)；質(zhì)量控制區(qū)；吻合效應(yīng)控制區(qū)。 57典型薄板的隔聲頻率特性曲線(xiàn)58 在很低的頻率（低于板的簡(jiǎn)正頻率）范圍里，板受本身的勁度控制，隔聲曲線(xiàn)隨頻率的升高而降低，此時(shí)板的質(zhì)量和阻尼并不重要。頻率再升高，質(zhì)量開(kāi)始起作用。在勁度和質(zhì)量共同的作用下，板將產(chǎn)生一系列共振，共中f 0為最低共振頻率。各共振頻率（Hz）可由下式確定，式中 B 板的勁度，；E 材料的彈性模量（N/m2）；t 板的厚度（m）；M 板的面密度（kg/m2）；a，b 板的長(zhǎng)寬尺寸（m）；p，q 任意正整數(shù)。59圖 吻合效應(yīng)原理圖 60式中 c 聲速（m/s）；M 板的面密度（kg/m

15、2）；B 板的勁度，；E 彈性模量（N/m2）；t 板的厚度（m）； 板的密度（kg/m3）；61結(jié) 論消聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須與消聲器材料的隔聲性能相匹配；當(dāng)傳輸損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于插入損失時(shí)，在排除了其它聲源的掩蔽效應(yīng)后，首先要核檢材料的隔聲性能。62五、消聲器設(shè)計(jì)改進(jìn)工程實(shí)例63例一、替代某SUV、某載重車(chē)原消聲器的設(shè)計(jì)問(wèn)題：1、消聲量嚴(yán)重不足。2、功率損失超過(guò)5%；3、消聲器表面輻射噪聲嚴(yán)重。64錐管消聲器聲電類(lèi)比圖65EQ140六缸發(fā)動(dòng)機(jī)在3000rpm130馬力噪聲頻譜66EQ140六缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比67492Q四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在3500rpm70馬力下的噪聲頻譜對(duì)比68492Q發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和消聲量的對(duì)比69CA-10C發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比70例二、雙模消聲器問(wèn)題：1、消聲量不足，IL22dbA2、背壓阻力大。71改進(jìn)設(shè)計(jì)消聲器1、容積不變；2、IL33dbA3、頻譜改變聲質(zhì)量4、背壓阻力減少設(shè)計(jì)思想1、優(yōu)化設(shè)計(jì)抗性聲學(xué)元件。例如增加共振腔；2、增加阻性消聲元件3、縮短氣流在消聲器內(nèi)的流程72例二 試驗(yàn)數(shù)據(jù)靜態(tài)插入損失試驗(yàn)頻譜73例二 汽車(chē)A計(jì)權(quán)消聲器插入損失到達(dá)33dbA；優(yōu)于原消聲器12dbA74例二 改進(jìn)方案定置噪聲數(shù)/圖對(duì)比75例二 怠速消聲效果比較76定置勻加速對(duì)比圖 77例三 改進(jìn)設(shè)計(jì)例二、消聲