（动力机械及工程专业论文）微型车消声器的设计与优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 噪声是被认为仅次于大气污染和水污染的第三大污染。随着中国汽车工业的 高速发展，人们生活水平的提高，城市中汽车保有量逐年增加。城市的汽车噪声 压力日趋严重，同时人们对汽车乘坐的舒适性要求也越来越高，制造低噪声的汽 车成为各大汽车厂的主要目标。汽车排气噪声在整个噪声中占有三分之一的比 例，降低整车噪声需要大量降低汽车排气噪声。解决汽车排气噪声的方法是在汽 车排气管加装消声装置，因此设计良好性能的消声器是解决排气噪声的有效方 式。 本文使用g t - p o w e r 软件实现了对微型车消声器的设计和优化。通过建立发 动机的工作过程模型、尾管噪声计算模型、消声模型、消声器的消声性能仿真模 型，完成了其声学性能和空气动力性的仿真分析。采用采用半消声室对排气系统 进行消声器的性能测试。通过实验与仿真相结合的方式针对尾管噪声值和第四阶 噪声值偏高的问题对消声器进行优化，优化后消声器的尾管噪声值下降了6 4 d b ( a ) 。使其达到产品设计说明书s o r 的设计要求。 使用c f d 流体计算软件f l u e n t 对消声器内部流动进行仿真分析，对比分析 两个消声器内部的压力分布、温度分布、湍动能分布、速度分布等，选择较优的 消声器方案；同时对消声器局部进行分析，为消声器再生噪声的预测，消声器的 局部优化提供依据。 对传统消声器的排水特点进行了分析，针对传统排水方式的缺点，创新排水 方式。使用f l u e n t 软件对消声器的排水设计方案进行仿真计算，对比分析加装 排水管前后消声器的内部的压力分布、温度分布、速度分布、湍动能分布等空气 动力性能，加装排水管后消声器内流场变化较小，因此消声器不会产生气流再生 噪声。加装排水管有利于延长消声器的使用寿命。 关键词：微型车，噪声，消声器，排水，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o i s ei sc o n s i d e r e dt h et h i r dp o l l u t i o nw h i c hi sa f t e rt h ea i rp o l l u t i o na n dw a t e r p o l l u t i o n 、聃mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y , i m p r o v e m e n t t h el i v i n gs t a n d a r d so fp e o p l e sc a r si nc i t i e sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r ，t h ec i t y b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sp r e s s u r eo nv e h i c l en o i s ep o l l u t i o n , a tt h es a m et i m e , p e o p l er e q u i r et h ev e h i c l em o r eq u i e t 1 0 w n o i s em o t o rv e h i c l eb e c o m et h em a i n o b j e c t i v et o t h em a j o ra u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r m o s to ft h en o i s ei na u t o m o t i v e v e h i c l ei se x h a u s tn o i s ew h i c hi sat h i r do ft h ev e h i c l en o i s e ，s oe x h a u s tn o i s em u s t b er e d u c e di no r d e rt od e c r e a s ev e h i c l en o i s e i n s t a l l a t i o nt h em u f f l e rd e v i c ei nt l l ec a f e x h a u s ts y s t e mi st h eb e s tw a yt os o l v et h ee x h a u s tn o i s e ，s o w e l l d e s i g n e d p e r f o r m a n c ee x h a u s tm u f f l e ri st h ee f f e c t i v em a n n e rf o rr e d u c t i o nv e h i c l en o i s e t h i sp a p e ru s eg t - p o w e rs o f t w a r et od e s i g na n do p t i m i z em u f f l e ro ft h e m i c r o - c a r b a s e do nt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee n g i n em o d e l 、t a i lp i p en o i s e c a l c u l a t i o nm o d e l 、m u f f l e rm o d e l 、t h em u f f l e rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nm o d e l ， w h i c hi sc o m p l e t e da c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n da e r o d y n a m i ca n a l y s i so ft h es i m u l a t i o n c o m b i n e dt h ee x p e r i m e n t a la n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nt oo p t i m i z et h em u f f l e ri n o r d e rt os o l v et h et a i lp i p eo v e ra l ln o i s ea n dt h ef o r d ln o i s e ，a sar e s u l t , t h et a i lp i p e n o i s er e d u c e6 4 d b ( a ) ，w h i c hi st om e e tt h ed e s i g ns t a t e m e n to fr e q u i r e m e n t s u s i n gf l u e n ts o f t w a r ew h i c hi so n eo ft h ee x c e l l e n tc f ds o f t w a r et os i m u l a t e a n da n a l y z et h et w om u f f l e rs c h e m e s f l o wf i e l d ，s u c hp r e s s u r ef i e l d 、t e m p e r a t u r e f i e l d 、t u r b u l e n c ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l d t h r o u g hc o m p a r ea n da n a l y z et h i sf l o wf i e l d , o p t i m i z e dt h ep a r to fm u f f l e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h r o u g ha n a l y z et h et r a d i t i o n a ld r a i no f fw a t e ra n df i n di t sf a u l t ，c r e a t ean e w m e t h o dt od r a i no f fw a t e rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n da n a l y z et h ed r a i no f fw a t e ro f i n n e rm u f f l e rw h i c hi sb a s e d0 1 1f l u e n ts o f t - w a r e , s h o w i n gt h e a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c eo fm u f f l e ra f t e rt h ei n s t a l l a t i o no fd r a i n a g ep i p e t h ef l o wn o i s ei sn o t i n c r e a s ea f t e ri n s t a l l a t i o nt h ed r a i n a g ep i p et h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y z e s o m u f f l e r sl i f ec a nb ee x t e n d e da f t e ri n s t a l l a t i o nt h ed r a i n a g ep i p e k e yw o r d s ：m i n i b u s ，n o i s e ，m u f f l e r ，d r a i n a g e ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：挝兰垒日期：坦e 鞋骞孓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 哗 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 世界卫生组织在近同出版的新科学家周刊发表报告指出，噪声是引起 紧张和导致很多人死亡的重要原因。噪声是被认为仅次于大气污染和水污染的 第三大污染。欧洲因心脏病或中风死亡的人中，3 是因交通噪声所致。由于全 球每年有7 0 0 万人死于心脏病，用这一百分比推算，每年可能有大约2 l 万人死 于因噪声引起的疾病。巨大的音乐声也会影响人的健康，在欧洲7 岁至1 9 岁的 青少年中，有2 的人因此患病。2 的欧洲人因为噪声污染而持续做噩梦，至 少1 5 的人表示噪声令他们烦恼不堪。3 的耳鸣病人是因交通噪声患病的。噪 声引起的紧张情绪会让人新陈代谢长时间改变，面临生命危险。英国心脏病基 金会专业护士埃伦梅森说：“紧张情绪会导致心脏病复发。此外，情绪紧张的人 更容易吃不健康的食品、不做运动、更爱抽烟，这些都对健康非常不利一。 随着我国的城市规模的加大，城市交通的发达，人们周围的汽车也就越来 越多。据公安部交通管理局统计显示，截至2 0 0 8 年6 月底，全国机动车保有量 为1 6 亿辆。其中，汽车6 1 0 0 万辆，摩托车8 8 0 0 万辆，挂车9 7 万辆，道路行 驶的拖拉机1 4 6 万辆，其他机动车2 万辆，汽车保有量随着经济的发展快速提 高，2 0 0 8 年与2 0 0 7 年底相比，汽车保有量增加8 2 5 5 万辆，增长5 1 7 ，汽车 的消费的增长随之而来的是环境噪声的压力增大。据国外资料统计，汽车所辐 射的噪声约占整个环境噪声能量的7 5 ，同时，各种调查和测量结果表明，城 市交通噪声是目前城市环境中最主要的噪声源。因此，降低汽车本身的噪声是 减少城市环境噪声最根本的途径【2 】。 1 2 研究消声器的重要性 道路交通噪声是城市中辐射最强、影响面最广的污染源。机动车辆噪声中， 汽车排气系统的噪声又占到了汽车整车辐射噪声的3 6 ，是汽车主要噪声源之 一，通过安装消声器来降低汽车排气噪声是目前最有效的方法。安装消声器后， 必然对发动机运行产生很大的影响，一般消声器的功率损失在3 到8 ，但要 求消声器有很好的消声性能时放宽其功率损失限制。 武汉理工大学硕士学位论文 我国的汽车拥有量随着生活水平的提高也越来越大，人们要求汽车更加舒 适、安全、加节能环保、时尚。汽车的舒适和节能环保主要体现在噪声与振动 的降低，而排气噪声作为汽车主要的噪声源之一，因此降低排气噪声成为降噪 的首选目标，这就要求消声器的消声性能要进一步提高。目前消声器的设计方 法比较成熟，但随着科学技术的发展，新材料、新技术的成熟与应用，特别是 计算机仿真技术的快速发展，使消声器设计又开始了新的篇章。应用现代仿真 技术设计理论进行消声器设计必然会降低消声器设计成本，提高实验效率。本 文将对发动机排气消声器进行设计研究，使用相应的计算方法和计算模拟软件， 增加对消声器的工作原理的认识，提高分析问题、解决问题的能力。 1 3 消声器研究的现状 排气消声器涉及气体流动、传热、振动、声学以及发动机性能和结构等多 个学科，具有一定的复杂性。消声器理论的研究最早始于二十世纪的二十年代， 美国的s t e w a r t 首先提出研究抗性的声滤波器理论。1 9 5 4 年 6 1 ，d a v i s 便发表了 平面波理论的经典论文，他成功运用了平面波理论，分析了无气流情况下的消 声器声学特性。早期对汽车排气消声器的设计，大多是在一维平面波理论计算 的指导下，根据样品及有关资料推荐的参数，加上设计者的经验进行设计，早 期的汽车对舒适性和对环境的要求不高，消声器的降噪要求比较低，因此消声 器试验后基本能满足要求，且开发成本不高，随着人们对汽车的舒适性要求的 提高，排放法规日趋严格，消声器的结构必定复杂化，这就使传统的开发方式 产生了开发时间长，实验与计算预测的相差大的特点，因此传统的开发方式面 临严峻的考验，这就促使了各种理论计算模型的推出。在1 9 5 0 年到1 9 7 0 年， f u k u d a 提出用等效电路得到的传递矩阵法计算消声器的传递特性，在同一时期， s u l1 i v a n 对存在平均气流时的声传递矩阵进行了研究。进入六七十年代后，随着 环保意识的加强和环保法规的日益严格，消声器的理论研究出现了飞跃性的发 展。以日本福田基一教授的专著噪声控制与消声设计的出版作为汽车噪声 控制研究的一个里程碑，总结和发展了以前的消声器理论，奠定了消声器理论 研究的经典基础【2 1 1 4 1 0 0 。 与一维平面波的计算方法相比，三维数值方法可以在计算机上更为准确地 计算复杂消声器，更快地分析多个设计和改进方案，找到最佳的方案，为实验 提供有效的参考。对于消声器的数值研究是在计算机软硬件不断发展的前提下 2 武汉理：【大学硕士学位论文 进行。这时出现两个主要的研究方向，其一是对消声器的各个参数进行多目标 优化，以得到最好的消声性能和流体动力学性能：其二是将声学理论方程在二 维或三维空间离散，准确地计算和分析复杂形状消声器的消声性能。随着计算 机计算能力的不断提高以及数值计算方法与理论的不断完善和成熟，以计算机 辅助设计为主的科学分析计算型设计方法，如用于低频范围的e m a ( e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ) 、f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、b e m ( b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d ) 等方法，用于高频范围的s e a ( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ) 方法。 计算机技术和数字处理技术的发展以及声强技术和有源控制技术在近年来所取 得的新进展，给噪声控制技术的发展带来重大的促进作用【4 1 。 目前大多数的噪声分析软件相对独立，比如s y s n o i s e 、a u t o s e a 、a n s y s 软件都具有声学模拟功能，对声场的分布能够做比较准确的仿真分析， g t - p o w e r 是一款汽车工作运行模拟软件，其包括发动机的运行模拟，汽车运行 模拟等，g t - m u f f l e r 软件提供了一个包含消声器零件库的二维绘图区，零件库包 括：隔板、消声器壳体、直管、弯管、穿孔管、穿孔板等，还包括吸声材料， 使消声器的模型的建立变得十分的便捷。软件具有如下功能： l 、基于流体及热力学计算理论，采用有限体积法求解。 2 、具有准三维仿真分析能力。 3 、根据噪声分析及噪声的阶次频谱等分析。 4 、发动机性能的全面分析。 5 、曲轴轴承力量的计算以及飞轮等惯性力的计算。 6 、与s t a r c d 等软件耦合计算，可以分析三元催化器排放以及对噪声的 影响、排气管结构形状对其散热影响。 7 、计算各种燃料的混合、扩散以及燃烧等过程。 8 、拥有庞大的零件图形数据库和各种经典物理模型能够与g t - s u i t e 的 其它模块交换数据。 9 、发动机运行动画显示功能和强大的数据处理能力 z r l 。 目前国内大部分民营消声器厂，技术和资金投入少，检验手段不完善，技 术研发能力较弱，对现行检测标准了解不够，质量控制手段缺乏，因而产品质 量性能差。部分国有消声器厂正处于转换机制阶段，企业管理还不尽如人意， 产品质量及性能一致性也有较大的差距。因此企业应加大对消声器的研发投入， 提高产品质量。 噪声与振动控制技术目前的发展方向是：测量仪器的智能化，建立噪声与 振动的测量工作站；加强c a e 技术在无源噪声控制方面的应用普及。对有源噪 3 武汉理工大学硕士学位论文 声控制与振动技术开拓新的应用领域；如分布声场的有源控制与研究；大型的 综合性噪声与振动控制工程成套技术的研究、综合治理技术的完善等。 消声器内部凝结水会影响消声器的使用寿命，国内外也做过许多的研究， 目前大多数的消声器的排水方式是端盖布置排水孔的方式和出气管布置比较 低。但消声器在运行一到两年时出现消声器因锈蚀而毁坏。因此消声器设计中 应避免消声器内积水，解决消声器部件冷凝水的锈蚀问题。 1 4 课题的主要内容 本文使用仿真软件建立发动机工作模型、排气系统模型、消声器模型、排 气系统的噪声计算模型以及耦合消声器的尾管噪声、压力损失；消声器的流场 分布，再生噪声进行分析，结合实验数据进而分析相应的仿真计算值与试验值 的差别及成因。消声器的声学性能和空气动力性能是设计消声器的最主要指标， 在实际工程中会发现消声器与发动机装配后插入损失往往要低于静态设计消声 器插入损失。论文将采用计算机仿真技术对此进行分析研究，并对消声器进行 优化，主要内容包括： l 、使用g t - p o w c r 软件对某乘用车型号发动机进行建模，调试发动机模型， 模型运行状态与实际发动机运行状态相接近。建立发动机排气的声学计算模型 和空气动力学计算模型。使用g m u m e r 建立消声器模型，并耦合发动机排气 声学计算模型和空气动力学计算模型中进行仿真计算。使用对比的方式优化消 声器模型，最终设计出合理的排气消声器方案。 2 、根据国标g c t 6 3 0 - 1 9 9 9 。将消声器安装在某车型上进行试验，测得实验 数据，根据实验数据进行分析，与模拟计算的结果进行对比，优化消声器模型， 确定最终优化方案。 3 、使用u g 三维软件建立消声器流体仿真分析的三维模型，使用g a m b i t 软件将消声器模型划分为离散模型，f l u e n t 软件分析离散后消声器模型的内部流 场分布，并说明消声器的局部结构对消声器动力学性能的影响，以及消声器内 可能产生湍流噪声的潜在风险，采取相应的措施对消声器进行局部优化。 4 、对传统的消声器排水方式进行研究分析，针对目前消声器排水的问题传 新设计消声器的排水方案，本论文使用f l u e n t 软件计算消声器排水的可靠性分 析，比较分析加装排水管前后消声器内部流场分布的变化，最终分析排水方案 的各项性能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章排气系统噪声控制理论 2 1 排气噪声的生成机理 排气噪声是汽车及其发动机最主要的噪声源。它的噪声往往比发动机整机 噪声( 排气噪声除外) 高1 0 , - - 1 5 d b c a ) 。 排气过程可分为自由( 或称超临界) 排气阶段和强制( 或称亚临界) 排气阶段。 发动机全负荷工作时，排气开始时气缸内燃气温度高达8 0 0 一1 0 0 0 ，气缸压 力p b 约为( 3 卅1 0 5 p a 。由于这时气缸内的压力为排气管内压力p o 的两倍以上， 排气超临界流动，这时通过排气门的气体速度等于燃气中的声速，一般可达 5 5 0 - , , 7 0 0 m s 。自由排气阶段，虽然占整个排气时间的百分比不大，但气体流速很 高，排出废气量可达6 0 以上。废气从排气门以高速冲出，沿着排气歧管进入 消声器，最终从尾管排入大气，在这一过程中，产生了宽频带的排气噪声【2 】。 排气噪声的频谱常包含以下频率成分：以每秒钟内排气次数为基频的排气 噪声、管道内气柱共振的噪声、排气歧管处的气流吹气声、废气喷注和冲击噪 声、气缸亥姆赫兹共振噪声、气门杆背部的卡门涡流噪声和排气系统管道内壁 面处的紊流噪声等【2 1 。 2 1 1 基频排气噪声 基频噪声是由于内燃机每一缸的排气门启开时，气缸内燃气突然以高速吹 出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波， 从而激发出噪声。由于各气缸排气是在指定的相位上周期性进行的，因此产生 周期性的噪声。这种噪声是一种典型的低频噪声。基频噪声频率显然和每秒钟 的排气次数，即爆发频率是相同，故基频噪声的频率为： 厂：生 ( h z )( 2 _ 1 ) 。 6 0 r 式中i - _ 汽缸数；n _ 发动机转速：t 一冲程数，四冲程【- 2 ，二冲程【= l ( 文中t = 2 ) 。 在排气噪声频谱上，通常在基频f i 或其第二、三次谐波2 f i 、3 毛附近出现峰 5 武汉理工大学硕士学位论文 值，频率再高时，以排气次数为基频的排气噪声声压级不大。 周期性排气噪声具有离散性频谱特征。周期性排气噪声是种简单源辐射， 其辐射的声功率为： 矿= k p d 2 v 2 m ( w )( 2 - 2 ) 式中：l 卜比例常数；p 一气体密度；峭门口直径；啪流速度；m 一 马赫数 2 1 。 2 1 2 涡流噪声 涡流噪声是由高速气流通过气门和排气道时产生的。在排气fj n 打开时，气 缸内气体压力为排气管内压力2 倍左右，排气处于超临界状念，以音速急速流经环 形气门喉口从而产生剧烈的涡流运动。并与气门头附近的排气管道产生强烈撞 击。随着气门的开度加大，气体流动变为亚声速流动，由于气流粘滞力的作用，废气 带动气门背面的气体一起运动并产生卷吸作用，使周围发生旋转，形成周期性的 涡流，这种涡流将使歧管内气体产生压力波动，从而激发出噪声，这种噪声称 为“唇 音或“边棱音 。如果这种压力波动的频宰恰好在使管口附近的声阻抗 z 为最小的频率上，则管内将发生共振，激发出噪声。“唇 部附近产生的周期 性涡流【3 1 ，其频率为 = 墨言( h z ) ( 2 - 3 ) 式中0s t 为斯脱哈尔数，与流场的不定常性有关的数，无量纲；v 为废气流 经排气歧管口时之流速，单位：i n s ；d 为气道口径，单位：1 1 1 。 因气体流速v 随曲轴转角而变，总会有一些气流速度符合气道共振的条件 而发出气柱共振声。此外，高速气流通过消声器狭窄部分时流速增大，并产生 废气涡流，紊流所产生的声强与流速的8 次方成正比，频率主要是高频【3 1 。 2 1 , 3 亥姆霍兹共振噪声 对于某些发动机，尤其是单缸机，排气门开启肘，正在排气的气缸与排气 管相通，该汽缸容积如同一个亥姆霍兹共振器，由于气缸内气体共振，激发出 噪声。其共振频率为： ，= 云品焉， ( 2 叫， 6 武汉理工大学硕士学位论文 式中：c 为声速，m s ；l 为排气管长度，m ；n 为排气管半径，m ；s 为排气 管截面积，m 2 ：v 为汽缸工作容积，m 3 。 在排气门关闭过程中，排气管可视为一段封闭一段开启的管道，它产生的气 柱共振频率为厶= ( 2 n 。一1 ) c 4 l 式中，n l 为自然数。试验研究表明：气门开启时的 气柱共振噪声远大于气门关闭时的共振噪声。由计算可知，气柱共振噪声通常为 低频噪声。排气噪声还包括排气门开启及落座时机械振动产生的噪声、气缸内 燃烧压力波动的残余部分所产生的噪声等。双缸、三缸发动机也存在亥姆霍兹 共振噪声。对于四缸以上的多缸发动机，由于各汽缸之间的相互干扰，排气歧 管及总管较长，故此噪声并不突出。亥姆霍兹共振噪声的特点是它与发动机转 速无关。因此，在排气噪声频率中与发动机转速变化无关的噪声往往是亥姆霄 兹共振噪声 3 1 。 2 1 4 废气喷注和冲击噪声 在自由排气阶段，排气门处会由于高速的气流喷注而产生强烈的喷注噪声。 又由于气体的粘性，废气排出后，会带动排气门后的气体一起运动，产生卷吸 作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，辐射出涡流噪声。另外，排气门附近 存在着气体压力的不连续面。这种压力不连续会产生冲击波，因而产生冲击噪 声。废气喷注与冲击噪声是连续宽带的高频噪声【3 】。噪声的峰值频率为： 厶= 墨导 (hz)(2-5) d， j 8 0 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 ( r - 1 ) 2 ( r - o 5 ) 】r 2 = 7 0 + 2 0 1 9 d + l o ( e - 1 8 9 3 ) ( r 一1 3 ) 2 r 3 1 式中，s t 为斯脱哈尔数，其数值与超临界压力比有关，见表卜1 ；d 为喷 口特征尺寸，圆孔取其直径，f i l m ；c 为当地声速，m s ；r = p b p o ：l a 为距喷口1 m ，9 0 。处的a 计权声压级。 表2 1 s 。数值 r23456 s t0 6o 50 1 5o 1 2o 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 强制排气阶段，废气流经排气门处也会产生喷注噪声，此时的峰值频率和 声功率为： 厶= s ，三 ( h z ) a t l 。= - 4 5 + 1 0 1 9 s + 8 0 1 9 v ( 2 - 7 ) 式中：v 为废气流经排气门处的流速，m s ：d 为排气门直径，m ：s t 取值1 5 2 。 2 1 5 其他排气噪声 除了以上主要的排气噪声外，还有其他排气噪声影响汽车的噪声。 可燃物质在排气系统的燃烧。由于多种原因，发动机排出的废气中还会含 有极少量的可燃物质和氧。在排气过程和气体剧烈地再混合，使这部分可燃物 质在排气系统中燃烧，造成局部地区气体压力波动，加剧了原来排气系统中气 体压力脉动的程度。 由排气的脉动压力激发管壁产生的噪声。发动机排气是周期性的，因此捧 气系统中废气的压力是脉冲的。这种脉冲压力作用在排气系统的管壁上，激发 这些弹性构件发生振动。如果构件的自振频率与气体压力的脉动频率正好一致， 就将发生强烈共振而辐射出噪声。 气流通过断面突变处的湍流噪声。发动机排气系统内，排气门座圈与排气 道的交接处，排气道与排气歧管的交接处，在加工和装配过程中不可避免地会 造成流动断面发生突然变化。排气总管的出口是这种变化最显著的地方。气流 在这些断面会产生涡流并辐射出噪声。 排气噪声频谱一般呈明显的低频特性，但中、高频噪声也达到一定的程度。 中频噪声一般是由气柱共振和排气基频的高次谐波延伸所致，而高频噪声主要 是排气时产生的喷注噪声、涡流声，以及排气系统管壁振动等所附加的噪声。 结构不同的内燃机，随着气缸数、燃烧室形状、燃料的种类、内燃机转速等的 不同，其排气噪声将会有不同形状的频谱，同一类型的内燃机的频谱大体上相 似，多缸机和单缸机的频谱则有不同的特征【3 】。 2 2 消声器的分类 不同消声器的消声原理是不同的，消声效果也不同。 阻性消声器是一种能量吸收性消声器，通过在气流通过的途径上固定多孔 8 武汉理工大学硕士学位论文 吸声材料，利用多孔吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量转化为热能， 达到消声的目的。阻性消声器适合于消除中、高频率的噪声，消声频带较宽， 对低频噪声的消声效果较差。 抗性消声器则是利用声波的反射和干涉效应等，通过改变声波的传播特性， 阻碍声波能量向外传播。主要用于消除中、低频率的窄带噪声，对宽带高频率 噪声则效果较差，因此常用来消除如内燃机排气噪声等。 鉴于阻性消声器和抗性消声器各自的特点，因此常将他们组合成阻抗复合 型消声器，同时得到高、中、低频率范围内的消声效果，如微穿孔板消声器就 是典型的阻抗复合型消声器。其优点是耐高温、耐腐蚀、阻力小；缺点是加工 复杂，造价高【1 1 。 2 2 1 阻性消声器 阻性消声器的消声原理，就是利用吸声材料( 如玻璃纤维等) 的吸声作用，使 沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减。把吸声材料固定在气流通过的管道 周壁，或按一定方式在通道中排列起来，就构成阻性消声器。当声波进入消声 器内，会引起阻性消声器内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩插阻力和粘 性阻力，使一部分声能散失掉，就起到消声的作用。低频噪声消声效果较差， 实际消声量的大小与噪声频率有关，存在上限失效频率等。阻性消声器有直管 式、片式、蜂窝式、折板式、声流式、弯管式和迷宫式等多种型式【i l ，如图2 一l 。 a ) 直管式阻性消声器示意图b ) 片式阻性消声器示意图 c ) 蜂窝式阻性消声器示意图d ) 声流式阻性消声器示意图 e ) 折板式阻性消声器示意图f ) 直角弯头式阻性消声器示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 g ) 迷宫式阻性消声器示意图 图2 一l 各种阻性消声器 消声器高频吸声取决于材料的特性，如材料的结构、材料中的的空洞直径 和材料的密度。图2 _ 2 表示材料密度与吸声系数的关系。材料的密度越高，吸 声系数就越大，但随着材料密度提高到一定程度，再增加密度，吸收系数的增 大就不太明显。反而当密度太高时，吸声系数变得跟固体一样，当材料的密度 非常大时，材料就变成固体，其吸声系数就大大下降。图中还显示在低频时， 吸声材料的吸声系数很低。在高频的时候，吸声系数才起作用。吸声材料密度 在1 0 0 9 l 时吸声作用比较大，当材料密度大于1 0 0 9 l 时，吸声系数增加比较缓 慢。吸声材料密度在1 0 0 9 l 以下时，吸声材料密度增加，吸声系数较大。在2 0 0 0 h z 以上时吸声系数增加较小，在吸声材料的密度较大时，吸声系数反而出现下降1 3 6 i 。 l 0 0 妊 譬o 昏0 o 2 2 2 抗性消声器 爻 1 5 0 9 l ， 、 1 孰兀_ 。7 5 0 9 l j i l l - 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 频率i l z 图2 - - 2 材料密度与吸声系数的关系 抗性消声器主要通过控制声抗的大小来消声的，不使用吸声材料，而是在 管道上连接截面突变的管段或旁接共振腔，利用声阻抗失配，利用声波在突变 截面发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的。阻抗类似于交流电路中的 电抗性元件电容或电感，是对声压的变化、声振速度变化起反抗作用的元件， 它们不消耗声能，但可贮蓄与反射声能。这类消声器构造简单，耐高温和气体 侵蚀，但频率选择性较强，适用于窄带噪声和中低频噪声的控制，高频噪声消 声效果较差，与阻性消声器相比，阻力损失较大。抗性消声器按其消声原理又 可分为扩张室式、共振式、微穿孔板式等。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 扩张室式消声器又称膨胀室消声器，由连接管和腔室适当组合而成，分为 单腔式和多腔式，见( 图2 - - 3 和图2 _ 4 ) 。它是利用管道截面的突变( i p 声抗的 变化) 使沿管道传播的声波向声源反射而通不过消声器，从而使声能反射回原处， 达到消声目的【2 1 。 b ) 多腔式 扩张式消声器示意图 i ，zi，h，zi | ，k ，zi l ， a ) 单腔式b ) 多腔式 图2 _ 4 内接管扩张室消声器示意图 单节扩张室消声能对某些频率成消声作用，而让另频率成分顺利通由于噪 声的频率范围一般较宽，因而必须设计为多节串联式扩张室式。多节串联的扩 张室式消声器的各个扩张室的长度需要设计的不相等，以消除不同频率段的噪 声，在扩张室内插入内接管，以改善它的消声性能。由理论分析可知，当插入 的内接管等于扩张部分长度的1 2 时，能消除部分声波奇数倍的通过频率，当插 入的内接管的长度为扩张部分长度的1 4 时，能消除那部分偶数倍的通过频率。 因此大部分扩张室式消声器的内插管一端插入1 2 的扩张室长度，另一端则插入 1 4 1 2 1 。， 共振腔式消声器是根据亥姆霍兹共振器的原理而设计的。利用空气在小孔 中振动与孔径面存在着摩擦和阻尼作用达到消声器的目的，就像电学上电感、 电容和电阻构成谐振电路一样，如图2 - - 5 。旁支式消声器通常包括赫姆赫兹消 声器和1 4 波长管。赫姆赫兹消声器传递损失频率比1 4 波长管的消声器频带要 宽一些。赫姆赫兹消声器通常用来消除低频噪声，而1 4 波长管用来消除频率比 较高的噪声。但是共振消声器消声频率较窄，在共振频率附近消声量较大，适 用于对某一个比较突出的频率消声。 n ：! ， 图2 5 共振消声器 镲昌 武汉理工大学硕士学位论文 微穿孔板消声器是一种特殊的消声结构( 图2 - 6 ) ，他利用微穿孔板吸声原 理而制成，是我国噪声控制的一次创新设计。通过选择微穿孔板上的不同穿孔 率和板后的不同腔深，能够在较宽的频率范围内获得良好的消声效果，在高速 气流下，微穿孔板消声器具有比阻性消声器、扩张消声器、阻抗复合消声器更 好的消声性能和空气动力性能。此外它能够耐高温和气流冲击，不怕油污和水 蒸气。受到短期的火焰喷射也不至于损坏【3 】 a 单层b 双层 图2 - - 6 微穿孔板消声器示意图 汽车发动机( 汽油机) 的噪声频带宽，使用单独的消声器往往很难做到全 频段的消声效果，都趋向使用阻性和抗性相结合的消声方案，由于声波在传播 过程中具有反射、绕射、折射和干涉，其消声值并不是简单的叠加关系。对于 波长较长的声波来说，当消声器以阻抗形式复合在一起时具有声耦合作用。阻 抗复合一起，可以在低、中、高频范围内均获得良好的消声效果【1 1 。 2 2 3 其它消声器 除了阻性消声器和抗性的传统消声器，还有其他一些新型消声器。主要是 有源消声器、h q 管消声器等。 发动机排气有源消声器就是指去掉传统的消声器或简化其内部结构，在排 气管道的某个环节引入有源消声技术，即利用电子设备再产生一个与原来的声 压大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消从而达 到降低排气噪声的消声装置。其控制是属于主动控制型。这种消声器由传声器、 放大器、相移装置、功率放大器和扬声器组成。 有源消声环节可以是基于阻抗控制机理的半有源消声系统，也可以是基于 声波干涉机理的有源消声系统。目前通过使用有源阻性吸收元件或者抗性声波 抑制元件实现消声；后者则通过实时地产生于排气噪声声波中的低频段的噪声 相位相反、等振幅的次级抵消声波，并使之与原排气噪声声波在管道末端发生 声波的干涉达到消声的目的。发动机排气采用有源消声技术，可通过实时信号 采集与自适应信号处理技术试验实时控制，可获得频率范围较宽的低频消声效 果，降低噪声的同时压力损失值比较小。但这种消声器的成本较高，使用环境 比较差。目前在汽车排气系统还是理论研究阶段。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 h q 管消声器是利用当声波在沿两通道长度差为声波波长的1 4 的奇数倍的 主、旁管中分别传播时，声波在管道下游汇合处会因相反干涉现象而减弱或者 消失的原理来降噪的。当主、旁管长度差( 声程差) 为声波波长的奇数倍时， 管系中的传播声在某一特定频率处有最大的消声量。 研究表明：h q 管消声器无论对于单频噪声或频带噪声，在一定条件下消声 效果比较有效；h q 管的消声特性除与管系中声波反相干涉相关外，还与主旁管 几何尺寸、旁通管插入角度、主旁管声能流动状况、旁管中声波的实际传播路 径，以及管壁吸声等因素有关【4 】。 2 3 消声器的评价指标 消声器性能的评价指标包括声学性能、空气动力性能及气流再生噪声特性 等3 个主要方面。 2 3 1 声学性能的评价 消声器声学性能的优劣通常用消声量的大小及消声频谱特性来表示，其中 主要包括计权声级( a 声级或c 声级) 消声量及各倍频带( 1 倍频带或1 3 倍频 带) 消声量。根据测试方法的不同，消声器声学性能的评价指标可分为传递损 失、插入损失、末端声压级差及声衰减量等几种【i 】。 ( 1 ) 传递损失( t l ) 传递损失也称穿透损失或透射损失，其定义为消声器进口端的入射升功率 和出口端的入射升功率的比值的常用对数乘以l o ，即入射消声器的声功率级和 透过消声器的声功率级的差值，即 l 死= 1 0 1 9 ( 彤) ( 2 - 8 ) 式中w 卜w 2 消声器的入口与出口端的声功率( w ) ； ( 2 ) 插入损失( i l ) 消声器的插入损失定义为装消声器前后，在某一个定点( 包括管道内或管 口外) 测得的平均声压级之差值，即 r rr a 一厶p l l p 2 ( 2 呻) 式中l 。、l p ：分别为安装消声器前后的同一点的平均声压级( d b ) 。 ( 3 ) 末端声压级差值( l 脚) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 末端声压级差值也称两端声压级差或末端减噪量， 与出口端测得的平均声压级之差值，即 脓。l p l l ，2 定义为在消声器的进口 ( 2 1 0 ) 式中小三。，消声器入口段和出口端的声压级( d b ) 。 当消声器的入口端与出口端的管道截面形状、面积和声场分布均匀时，传 递损失就等于消声器入口与出口两端的声压级之差值。 ( 4 ) 声衰减量( l a ) 声衰减量又称轴向衰减量，是通过测量消声器内轴向两点间声压级差值所 求得的消声器单位长度的声衰减量( d b m ) 。声衰减量可用于描述消声器内部的 声传播特性，即声衰减过程。传递损失和声衰减量反映了消声器自身的声学特 性，不受测量环境条件的影响， 插入损失和末端声压级差值会受到测量环境条件包括测点距离、方向及管 口反射等因素的影响。因此，在评价消声器的声学性能时必须注明所使用的测 量方法及环境条件。消声器声学性能的评价还因测试声源条件的不同二分为静 态消声性能和动态消声性能。 静态消声性能是指测量是在消声器内无气流通过而仅用扬声器发射标准噪 声( 如白噪声或粉红噪声) 条件下测得的消声量；动态消声性能指测量是在消 声器内部有气流通过，即用空气动力设备做噪声源条件下测量的噪声量。 2 3 2 空气动力性能的评价 空气动力性能是评价消声器性能的又一主要指标，也是消声器设计中应考 虑的重要因素。消声器的设计和研究必须同时考虑合适的消声性能和空气动力 性能，作为消声器产品，则必须同时提供消声性能和空气动力性能指标【3 j 。 消声器的空气动力特性评价指标通常为压力损失或者阻力系数。 ( 1 ) 压力损失( p ) 消声器的压力损失为气流通过消声器前后所产生的压力降低量，也就是消 声器前与消声器后气流管道内的平均全压之差值。消声器的压力损失一般与气 体流速的平方成正比，根据压力损失的机理可将压力损失分为两大类：一是摩 擦阻力损失，二是局部阻力损失。 流体的摩擦阻力是由实际流体运动时出现的粘性所引起的，是分子间动量 的互换结果( 层流时) ，或是运动速度不同的相邻的流体层的质点间动量交换的 结果( 紊流时) ，流体的局部阻力损失是在正常流动遭到局部破坏时产生的。在 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 管道形状变化的地方，流体脱离管壁形成涡流和流体剧烈的紊乱、搅合或遇到 并绕过障碍物( 流体进入管道扩散、收缩、弯曲、分支；流体流过空口、格栅、 节流装置，多空滤器，流经各种障碍物等等情况) 时会使流体各部分问的动量 交换加剧( 即摩擦) ，并增加能量的散逸，表现为局部阻力损失。 如果消声器i i 后管道内流速相同，动压相等，则压力损失就等于消声器f i 后管道内的平均静压差值，即 卸= p i p 2 ( 2 一1 1 ) ( 2 ) 阻力系数( 毛) 消声器的阻力系数是通过消声器前后的压力损失与气流动压之比值，即： f：垒(2-12) p ， p ，：l o 譬 ( 2 - 1 3 ) 二g 其中： a r 压力损失值( p a ) ； p ，一动压值( p a ) ； p 一空气密度( k g m 3 ) ； d 一消声器内部的平均气流密度( m s ) ； r 重力加速度( m s 2 ) 。 阻力系数能比较全面的反应消声器的空气动力特性。根据阻力系数就可很 方便的求得不同条件下的压力损失值。表2 _ 2 为几种常见消声器系列的阻力系 数指标值。 表2 - 2 常见消声器系列的阻力系数 消声器系列型号阻力系数毛 z d l 片式消声器系列 o 8 f 型阻抗复合式消声器系列 1 5 d 型阻性折板式消声器系列 2 2 p 型阻性盘式消声器系列 o 6 t 7 0 1 1 型阻抗复合式消声器系列 0 4 z p l 0 0 片式消声器系列 o 9 i a c 系列3 m l 型0 8 i a c 系列3 m l 型 1 6 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 气流再生噪声特性