（动力机械及工程专业论文）轿车排气系统开发平台的建立与应用.pdf

川济人学f i ! ； l ? 学位论文轿乍柑气系统开发、i ，台的建札引越用 摘要 汽印给人类社会带米物质文l 蛔的同时，也带来公害。当今世界上，汽车的噪 用l 仃。瓢仃：! ；7c 仆f l ，j 仆放乙成为 ，c i ，染川：境的门婴n j j 题，i f i 发动机义足 ，c 车 最主要的噪声源。因此，研究汽车发动机噪声产生的机理及控制措施，无疑具有 巫要意义。 本文以上汽奇瑞b 11 轿车发动机( 三菱4 g 6 3 ) 为例，利用线性声学的声波 分析法和一维不稳定流动分析法，对消声器及整个排气系统进行降噪分析，在研 究排气噪声的产生机理，排气噪声对4 i 辆行驶噪声的影响及声波在管道中传播特 性的基础上，考虑均匀流和线性温度梯度的条件下，推导出其传递矩 阵。建立可供实际应用的排气消声器设计，性能预测和评价的计算机数学模型 c a d 程序软件。并应用此软件对排气消声器进行插入损失和空气动力性能预测， 然后选用奇瑞b 1 1 轿车进行匹配试验。最后将一些对消声器性能影响较为 显著的结构参数选为优化变量，根据消声器结构尺寸的要求，限定这 些参数的范围，同时考虑消声量和压力损失，建立优化模型，通过计 算，确定最终优化方案。 小课题足校企合作项1 1 ，因此紧密了生产实际棚结合。为企业从来图生产上 4 t 剑订i ：- ji _ z 的丌发平台，解决排气降噪、背压和匹配优化等问题。在新品丌发的 l 州时，掌握先进的丌发手段，具有很强的实际意义。 关键词 汽乍发动机，排气消声器，噪声，性能预测，优化，c a d a b s t r a c t t h ec a rb r i n g st h eh u m a ns o c i e t yt ot h em a t e r i a lc i v i l i z a t i o na tt h e s a m et i m e ，a l s ob r i n gt h eh a r m f u le f f e c t s b u tt h ep r e s e n tl i f e ，i tb e c o m e c h i e f l yp r o b l e mt h a ta u t o m o t i v en o i s ew i t hp o i s o n o u sa n dh a r m f u l l y g a s e o u se x h a u s t ，w h i c hh a v i n gb e c o m ec a rp o l l u t i n ge n v i r o n m e n t b u t e n g i n ei sa g a i nm o s t l yr e a s o n t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h em e c h a n i s ma n d c o n t r o l l i n gm e a s u r eh a v et h ei m p o r t a n tm e a n i n gd o u b t l e s s i nt h i sp a p e r ，w i t hm i t s u b i s h i4 g 6 3a sa na n a l y s i s e x a m p l e ，u s i n g l i n e a r i t ya c o u s t i c sa n a l y t i cm e t h o da n do n ed i m e n s i o ni n s t a b i l i t yf l o w a n a l y t i cm e t h o d ，a n a l y z e dm u f f l e ra n de n t i r ee x h a u s ts y s t e m ，s t u d i e d c r e a t i n gm e c h a n i s mo fe x h a u s tn o i s e ，h o wi n f l u e n c ev e h i c l ea n ds p r e a d c h a r a c t e ro fs o u n dw a v ei n p i p e ，t h i n k e do v e rc o n d i t i o no fu n i f o r m i t y f l o wa n d l i n e a r i t yt e m p e r a t u r e g r a d s a n dd e d u c e dt r a n f e r m a t r i x c o n s t i t u t e c o m p u t e rm a t h e m a t i c sc a dm o d e lf o rd e s i g no f m u f f l e rw i t hp e r f o r m a n c ef o r e c a s ta n da p p r a i s et o p r a c t i c ea p p l i c a t i o n ， t h e nc a r r yt h r o u g hf o r e c a s t i n gi n s e r tl o s sa n da i rd y n a m i c a ll o s sb yt h i s s o f t w a r e d om a t c h i n ge x p e ! r i m e n t a t i o nw i t hb 11c a r c h o o s e ds t r u c t u r e p a r a m e t e rw h i c hm a r k e d l ya f f e c t i n gm u f f l e rp e r f o r m a n c ea so p t i m i z e v a r i a b l ea c c o r d i n gt os i z er e q u i r eo fm u f f l e rq u a l i f yp a r a m e t e rs c o p e s i m u l t a n e i t yc o n s i d e r i n gm u f f l e rq u a n t i t y a n dp r e s sl o s i n g ，e s t a b l i s h o p t i m i z em o d e lt h r o u g hc a l c u l a t ea n ds e l e c to p t i m u mm o d e l t h i ss u b j e c tm a t t e ri s c o o p e r a t i o nt a s ko fs c h o o la n dc o r p o r a t i o n i ts o l v et h i s p r o b l e mf r o mp r o d u c eg o i n gb yo t h e r s b l u e p r i n tt oo w nd e v e l o pp l a tw h i c hm a yr e d u c e n o i s e 、b a c k i n gp r e s s u r ea n dm a t c h i n go p t i m i z e d e v e l o pn e wp r o d u c ta tt h es a m et i m e o f m a s t e r i n ga d v a n c e dd e v e l o p m e n ta r t i f i c e p o s s e s ss t r o n g l yp r a c t i c em e a n i n g k e yw o r d s a u t o c a re n g i n e ，e x h a u s t m u f f e r ，n o i s e ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t ， o p t i m i z e ，c a d l i 同济大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本人 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲产歹k 日期：7 滩y 年弓月。7 e l 同济大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权同济大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存或汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月日日期：年月同 轿乍排气系统开发i r 台的缝口，j 应用1 概述 1 概述 1 1 排气消声器性能预测的意义 为他人们! i ! i 。n ：个，fj i 五茳j 地小n 勺沽胁! i “f ；叫：境，我l 间对叫：境保抄的婴 求不断提高，并相继制定了相应的强制性法规和标准，对城市而言，作为交 通运输工具的汽车是造成城市环境污染的主要来源，这不仅表现在发动机尾 气排放所造成的有害气体的污染应作强制性限制，而且还应对其噪音也应作 出相应的严格控制汽车发动机的排气噪声是其总噪声最主要的组成部分， 探讨、改进、研制新的发动机排气消声器来控制发动机的噪声是直接可用且 易于实现的方法。新的排气消声器的研制、开发、生产是一项专业性极强的 学科，其产品应能达到降噪效果明显、排气背压最低的效果，从而使发动机 的动力性能和经济性损失最小i 。 我国消声器设计仍以选型设计为主，消声效果不好，开发周期长。利用 计算机建立模型，编制相应的软件来进行消声器性能预测和优化设计，使消 声器设计周期缩短，节省了人力和物力，具有重要的现实意义i2 1 。目前，国 内外的大学和科研机构都在进行这方面的研究，力求改进消声系统的数学模 型，编制使用方便、计算结果精度较高的软件。 随着我国加w t o ，与国际接轨，发动机的降噪已刻不容缓。技术含量高、 具有创新特色的排气消声器的研制、开发、应用必将成为人们关注的目标。 因为这一产品不仅限于新开发的发动机产品的应用，而且大量的发动机社会 保有量的改造，因此，通过该项目的实施，应用推广前景广阔，市场需求量 大，可为生产企业带来极大的经济效益，同时也为企业基本从来图生产上升 到有自己的开发平台，解决排气降噪、背压和匹配优化等问题，在新品开发 的同时，掌握先进的开发手段，为我国在轿车排气消声器设计技术上一个台 阶。 1 2 国内、外排气消声器研究的历史进程及关键技术 内燃机排气噪声的研究及消声器声学性能的计算是内燃机排气系统设计的理 论基础，所建立的物理模型将直接影响计算结果的精度。因此，对于消声器的优化 轿车排气系统开发甲台的建立与应用 1 概述 设计，所选择的理论模型对于优化的结果至关重要。 过去，在这方面的研究主要有两种方法：线性声学的声波分析法和一维不稳定 流动分析法。 在线性声学的声波分析法中，将内燃机和排气系统一起用模拟f t l 路来表示，将 内燃机看作是具有一定强度和阻抗的声源，将排气系统看作是被动元件的组合，周 围环境用尾管辐射声阻抗表示。此法利用四极参数传递矩阵表示系统声学元件的特 性以及分析不同频率时的声学性能是非常方便的，已经成功的应用于一维排气系统 声学性能研究。这种方法的主要缺点是声源特性只能用实验的方法来确定，不适合 于内燃机变转速变负荷工冽3 1 。 在一维不稳定流动分析中，用特征线法在时域内逐步对排气系统内的气体不稳 定流动方程组和相应的边界方程求数值解，此法的优点是声源特性比较容易确定和 描述，不需要较多的实验来确定经验系数，较好的考虑了各种非线性因素和流动的 影响。其缺点是需较多的边界条件，以至很难解析计算复杂消声装置的声学性能。 j o n e s l 4 1 在评论了内燃机排气噪声模拟研究所用的这两种方法的优缺点之后，提 出了一种新的设想：用不稳定流动分析法确定内燃机排气系统的声源特性，使之与 线性分析法中使用的传递矩阵法相结合，两者取长补短。按照这种思想，马强1 3 i 等提 出用特征线法和传递矩阵法联合预报柴油机排气噪声。在此方法中，通过用特征线 法计算柴油机排气的不稳定流动过程，依靠双负载法确定柴油机的声源强度和阻抗 特性，然后利用传递矩阵法预报柴油机排气系统出口的辐射噪声级和消声器的插入 损失。邓康耀1 5 】1 6 】等人对排气管内一、二维非定常流动进行了计算，该研究对排气管 的形状设计有一定的应用价值。 然而，上述方法的使用范围仍限于一维平面波传播，无法考虑多维效应。由于 实际的排气消声器一般具有复杂的结构和较大的尺寸，其内部的声波本质是三维的， 这时简单的一维理论不再适用，应采用更加精确的的三维理论模型。另一方面，在 内燃机排气消声系统中，热气体沿管道流动而逐渐冷却，引起温度梯度，平均流和 温度梯度的存在又直接影响排气消声系统中的声传播。因此，研究与发展一种考虑 流动、温度梯度及高次模式波效应的适合于复杂形状消声器声学性能预测的计算方 法具有重要的现实意义，只有良好的理论模型和优良的计算方法才能合理的预测消 声器的真实特性，优化消声器设计。 各种数值方法的发展及计算机技术的应用和普及，为合理的预测复杂消 声器声学性能并从理论上指导消声器设计提供了可能。有限元法是最常用的 2 轿车排气系统开发i ，- 俞的缝妒j j 应用1 概述 数值方法，可对各种类型的消声器进行数值计算及分析，但这种方法是以容 量大、速度高的计算机开发作为前提的。对于复杂消声器的计算及分析，从 计算成本来说，将受到很大的限制。因此，研究开发更加有效的计算方法显 得非常重要。 2 0 世纪7 0 年代术发展起来的边界元法与有限元法相比具有许多优点i 7 1 。 首先，它只需在边界上进行离散并求解未知量，使问题的维数降低一维，因 而大大简化了数据准备工作，也减少了方程组的个数；由于预测消声器的声 学特性并不需探求内部点声学量，只需计算进出口声学量即可，因而与有限 元法这类区域型方法相比，边界元法可用较少的未知量分析同一问题。其次， 边界元法特别适合于求解无限域问题，因而可方便的计算管口的声辐射特 性。因此，边界元法是排气消声器声学特性预测的理想的数值方法。 尽管如此，边界元法在管道及消声器声学性能计算方面的研究还很少。 在此之前，只有少数学者对具有静态介质的二维及轴对称管道消声器进行了 计算分析，还没有对复杂的三维问题进行研究。就这些研究而言，他们只限 于边界元法的简单应用，还有许多细节问题没有考虑，如奇异积分、角点的 处理等。因此将边界元法用于预测及分析消声器的声学特性，还需做进一步 深入研究及详细处理。值得一提的是，这些研究均未考虑气流及温度梯度的 影响，而考虑气流及温度梯度时消声器声学特性的边界元分析还不成熟。 1 2 1 传统的排气消声器设计方法 消声器的理论研究具有很长的历史。早在1 9 2 2 年，美国的s t e w a r t i8 j 第 一个应用声学滤波器的理论来研究抗性消声器，主要采用集总参数单元近似 消声器单元，它仅在声波波长远大于消声器尺寸时才成立。这一声学滤波器 理论后来被进一步发展并得到应用。 五十年代中期，d a v i s 9 l 等人发表了关于抗性消声器研究的经典论文，主 要采用一维波动方程，利用在截面突变处声压和体积振速的连续性条件，计 算了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔。 a l f r e d s o n i l o l 等人认为对消声器传递损失影响较大的是气流的平均速度， 他们对一膨胀腔消声器的消声量进行了测量，并与理论预测值加以比较，结 果表明，考虑流动时理论值与实测值相一致，而忽略流动时两者的一致性就 变差。a l f r e d s o n 等继续开展研究，提出了更加精确的理论模型，并认为气流 的存在及边界条件处理不好是预测结果不良的主要原因之一。 3 轿乍排气系统开发平台的建立与应用l 概述 c r o c k e r l l l l 的研究表明，d a v i s 的理论假设中不正确的尾管边界条件、平 均气流及平均温度梯度的忽略是产生理论与实测偏差的主要原因。 五十年代后期，i g a r a s h i 1 2 l 等人利用等效电路方法计算了消声器的传递 矩阵。根据电路中的四端网络原理，每个消声器单元的声传递特性用四极参 数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单元的四极参数矩阵的乘积 来确定。这种消声器声学性能的分析方法简便、实用，在无平均流、无温度 梯度的情况下，在平面波范围内能给出较为满意的结果。将之用于实际的内 燃机排气系统，这种方法仍表现了较大的误差。但就这种方法本身而言，却 为排气消声系统声学性能分析开创了一条新路，提出了以四极参数为基础的 传递矩阵法。 在i g a r a s h i 以后，许多人对消声器四极参数的求解与应用作了大量的工 作。八十年代初，p r a s a d 和c r o c k e r l l 3 1 【1 4 1 【1 5 】推导了具有平均流及线性温度梯 度的直管段的四极参数。他们对多缸内燃机排气消声系统的声学性能预测结 果和实测结果一致性很好。但他们的推导假设不合理。 p e a t i l 6 1 等从流体力学的基本方程出发，导出了直管段的四极参数表达 式；他们对直管段的四极参数和简单膨胀腔的插入损失进行了计算，与取平 均温度时相应的计算结果比较表明，四极参数的差别是明显的，而插入损失 的差别很小。p e a t 由此得出结论：当需要考虑排气系统的温度变化时，可以 使用一系列定常温度单元，与使用相似的一系列线性温度梯度单元相比没有 明显的精度损失。 在国内，刘丽萍【1 7 l 等在自行设计的模拟试验台上，对消声器进行有、无 气流时两种情况的试验研究。研究结果表明：消声器的消声量随气流速度的 增大而减小，说明流速是影响消声器性能重要因素。 黄其柏n 盯研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩阵，通过将刚性 直管沿轴向等分成n 个微段，并假定每个微段内温度、气流马赫数和声速保 持恒定的情况下，利用各微段间声压和体积速度的连续性条件。推导了刚性 直管声场传递矩阵和扩张式消声器的插入损失数学模型，并进行了理论计算 与声学特性分析。 胡立臣n 钔等人推导出两种消声单元的传递矩阵，在消声器性能计算过程 中考虑气流和温度梯度的影响，并采用三维谱图方法研究气流对消声器消声 4 轿下排气系统开发、i ，台的建以j 脚用1 概述 性能的影响。编写了性能计算程序，计算结果与实验结果吻合较好，计算与 实验精确性有待进一步提高。 李国祥心们对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研 究，并就消声器内i l f ；气流速度、温度变化对消声性能的影响进行了分析。 以上是基于平面波理论的一维近似分析方法，当频率较低时，对于管道 或截面较小而长度较大的膨胀腔消声器，其内部近似为一维平面波传播，这 时，一维理论的分析方法是合适的。但当频率较高时，消声器内部出现高次 模式波，尤其是对大型消声器，其截止频率低，在较低的频率下就出现高次 模式波，这时一维理论不再适用，应采取更加精确的二维或三维理论进行分 析。 i h 和k e l 2 1 】对具有平均流的圆形膨胀腔中的高次模式波效应进行了研 究，得到了傅立叶级数形式的声压表达式；使用推导的四极参数进行传递损 失的定量分析并分别讨论了进出口的相对位置、腔长、平均流的对流效应等 对声学特性的影响。后来，他们又将此方法用于预测圆形回流腔消声器的传 递损失。y i 和l e e 还研究了具有侧面进口、侧面出口和侧面进口、端面出口 的圆形膨胀腔的声学特性。不过，这些研究均未考虑流动的影响。k i m 等对 具有定常质量流及稳定温度梯度的圆形膨胀腔声学特性进行了分析，并将此 方法应用于只有温度梯度时的圆形回流腔的声学特性的分析。 m u n j a l 用配点法对矩形和圆形简单膨胀腔消声器进行了三维分析。配点 法虽然简单，但只能应用于具有简单形状的消声器。 解析法和配点法包括复杂的代数运算，且不可避免的要截去级数中的无 穷项。更重要的是这些方法只适用于简单形状的消声器，对复杂形状的消声 器无能为力。 1 2 2 消声器数值计算方法 有限差分法是常用的数值方法，可对管道内的声传播进行计算，但由于 该方法难于实施于任意形状的系统，所以其应用受到了限制。 有限元法是消声器声学性能分析中最常用的数值方法。它可以应用于任 意形状的消声器，并且可以考虑壁面振动、流动、温度梯度对消声器性能的 影响。1 9 7 5 年，y o u n g 和c r o c k e r l 2 2 l 【2 3 j 最先使用有限元法预测了膨胀腔消声 器的传递损失，他们采用二维矩形单元与拉格朗日函数法对二维简单膨胀腔 进行了分析，由有限元法计算四极参数，从而预测传递损失。这一工作以后 5 轿乍排气系统开发f 台的建移与心用 1 概述 分别被用于回流腔消声器以及膨胀腔和共振腔的结合系统，还考虑了壁面振 动。把计算结果与实验结果进行了比较并加以检验。结果表明：低频时二者 吻合很好；高频时，二者存在明显的差异。 r o s s l 2 4 j 借助子系统有限元分析了三维并联耦合声系统，他把两个膨胀腔 并联而成的消声器分成两个子系统进行处理，从而节省了计算时间。后人结 合子结构原理、矩阵缩合及传递矩阵技术发展了一种包括三维模式波效应在 内的膨胀腔消声器声学性能预测的高效有限元技术，对实例的计算结果与其 他文献中的解析结果和实验结果吻合的很好。 在国内，蓝军、史绍熙【2 5 j 等人采用有限元法对排气消声器的波动方程进 行求解。采用人工边界条件来描述排气口外部的半无限空间，通过进气口端 正弦扫频激励，可求得出口端的响应，从而获得排气消声系统的传递函数和 传声损失。 然而，有限元法仅适用于低马赫数时消声器声学特性的计算和分析【2 6 1 ， 对于复杂型状的消声器三维有限元分析，需要使用数百个单元和节点，从而 导致冗长的数据准备工作并求解大型联立方程组。因此，从计算规模和成本 来说，有限元法在复杂消声器声学性能分析中受到一定限制。 边界元法与有限元法及有限差分法这类区域型方法相比，具有准备工作 量少、计算时间短的优点，因而得到了广泛的应用。 s e y b e r t 和h e n g l 2 7 】应用边界元法对轴对称消声器进行了分析，使用轴对 称技术使边界积分简化成沿母线的积分，从而简化了数据准备工作，缩短了 计算时间。 t e r a o 和s e k i n e l 2 8 】结合子结构技术的边界元法分析了含有薄板和多孔材 料的管内声场，他们使用子结构边界元技术计算了有内插管的二维膨胀腔的 传递损失并与有限元及实验结果进行了比较，使用子结构技术消除了由于管 道内插带来的奇异性。 与此类似，c h e n g 和s e y b e r t l 2 9 】等使用多域边界元法对消声器传递损失进 行了预测，他们将消声器内部划分成若干个子区域，对每个子区域应用边界 元法获得了节点上的变量及其倒数的代数方程组，近而可求出边界及交界面 节点上的未知量。他们对双极膨胀腔、具有外插管和内接管的膨胀腔的传递 损失进行了计算，与边界元法的计算结果相比，二者吻合很好。 在国内，季振林【2 6 l 【3 0 j 【3 lj 【3 2 j 【3 3 f 3 4 j 等也应用边界元法对轴对称管道及消声 6 轿乍排气系统开发| ，台的建移! 引通用1 概述 器声场分布进行了计算，把表面积分简化成沿母线及旋转角上的积分。对奇 异积分采用解析法、数值法联合消除奇异性。对具有较长和复杂形状的消声 器及管道，应用子结构边界元进行了计算。 但【j j 以上可见，边界元法在消声器的声学性能分析巾的应用也只限于二 维和轴对称的情况，还没有应用于复杂结构消声器进行三维分析，也没有考 虑流动和温度梯度的影响。因此，这些都限制了边界元法在工程上的应用。 1 3 本文所进行的工作及意义 本文开发了一套用于消声器性能预测和结构优化设计的通用软件。在消声器的 性能预测研究方面，实际应用较多而且简单可靠的是传递矩阵法。国内外的很多研 究机构都对这种方法做过深入的研究，取得了一定的研究成果，但都很少对基本消 声元件同时考虑均匀流和温度梯度的影响。本文旨在前人研究的基础上，对这种方 法做进一步的研究。 本文以上汽奇瑞b l l 轿车发动机( 三菱4 g 6 3 ) 为例，对消声器及整个排气系统 进行降噪分析，在研究排气噪声的产生机理，声波在管道中传播特性的基础上，考 虑均匀流和线性温度梯度的条件下，推导出其传递矩阵。建立可供实际应用的排气 消声器设计，编制性能预测和评价的计算机数学模型c a d 程序软件。并应用此软件 对排气消声器进行插入损失和空气动力性能预测。最后将一些对消声器性能影响较 为显著的结构参数选为优化变量，根据消声器结构尺寸的要求，限定这些参数的范 围，同时考虑消声量和压力损失，建立优化模型，通过计算，确定最优的方案，然 后选用奇瑞b l l 轿车进行匹配试验。 本课题是校企合作项目，因此紧密与生产实际相结合。为企业基本从来图生产 上升到有自己的开发平台，解决排气降噪、背压和匹配优化等问题。在新品开发的 同时，掌握先进的开发手段，具有很强的实际意义。 1 4 本章的参考文献 【1 】黎志勤、黎苏，汽车排气系统噪声与消声器设计，中国环境科学 出版社，1 9 9 1 年 【2 】马大猷，噪声控制学，北京科学出版，19 8 7 【3 】马强等，用特征线法和传递矩阵法解析预报柴油机排气噪声，内燃机学 报，9 3 ( 3 ) ，2 5 9 2 6 6 ( 1 9 9 1 ) 【4 a d j o n e s a n dg l b r o w n ，d e t e r m i n a t i o no ft w o s t r o k e e n g i n e 7 轿下排气系统开发、r 台的建r ) ：j 应用i 概述 e x h a u s tn o i s eb yt h em e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s ，j s o u n da n dv i b r a t i o n ， 8 2 ( 2 ) ，3 0 5 - - 3 2 7 ( 1 9 8 3 ) 【5 】邓康耀等，排气管内二维非定常流动的计算研究，中国造船，1 9 9 8 ，n o 44 0 9 - 4 1 2 【6 】方适应，邓康耀等，进排气锊维非定常流动计算方法的比较，印用发动机， 2 0 0 0 ，n o 32 2 - 2 5 【7 1 m t e r a oa n ds e k i n e ，o ns u b s t r u c t u r eb o u n d a r ye l e m e n tt e c h n i q u e st o a n a l y z ea c o u s t i cp r o p e r t i e so fa i r d u c tc o m p o n e n t s ，p r o c e e d i n go f i n t e r n o i s e8 7 ，1 5 2 3 1 5 2 6 ( 1 9 8 7 ) 【8 o w s t e w a r t ，e ta l ，a c o u s t i cw a v ef i l t e r ，p h y s i c sr e v i e w ，v 2 0 ，5 2 8 5 51 ( 1 9 2 2 ) 【9 d d d a v i s ，e ta l ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f m u f f l e rw i t hc o m e n t so n e n g i n ee x h a u s tm u f f l e rd e s i g n ，n a c a 1 1 9 2 ，1 9 5 4 【1 0 r j a l f r e d s o na n dp o a l d a v i e s ，t h er a d i a t i o no fs o u n df r o ma n e n g i n ee x h a u s t ，j s o n da n dv i b r a t i o n ，1 3 ( 4 ) ，3 8 9 - - 4 0 8 ( 1 9 7 0 ) 【1 1 m j c r o c k e r ， i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e e x h a u s t m u f f l i n g ， n o i s e - c o n t r o l7 7 ，3 3 1 - 3 5 7 ( 1 9 7 7 ) 【1 2 j i g a r a s h i a n dm t o y a m a ，f u n d a m e n t a l so fa c o u s t i c s i l e n c e r s ( 1 ) ， a e r o n a t i c a lr e s e a r c hi n s t i t u t e ，u n i v e r s i t yo f t o k y o ，r e p o r tn o 3 3 9 ，2 2 3 - 2 4 1 ( 1 9 5 8 ) 【1 3 m g p r a s e da n dm j c r o c k e r ，s t u d i e so f a c o u s t i c a lp e r f o r m a n c e o fam u l t i - - c y l i n d e re n g i n ee x h a u s tm u f f l e rs y s t e m ，j s o u n da n d v i b r a t i o n ，9 0 ( 4 ) ，4 91 一一5 0 8 ( 19 8 3 ) 【1 4 m g p r a s s a d ，m a l c o l mj c r o c k e r ，i n s e r t i o nl o s ss t u d i e so nm o d e l so f a u t o m o t i v ee x h a u s ts y s t e m s ，j a c o u s t s o c a m 7 01 9 81 【1 5 1 m g p r a s s a d ，m a l c o l mj c r o c k e r ，as c h e m e t o p r e d i t t h es o u n d p r e s s u r e r a d i a t e df r o ma n a u t o m o t i v ee x h a u s t s y s t e m ， j a c o u s t s o c a m 7 0 ( 5 ) 1 9 8 1 【1 6 s p e a t ，t h e t r a n s f e rm a t r i xo fau n i f o r md u c t w i t hal i n e a r t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，j s o u n da n dv i b r a t i o n ，1 2 3 ( 1 ) ，4 3 5 3 ( 1 9 8 8 ) 【1 7 】刘丽萍等，存在气流时消声器消声性能的试验研究，内燃机工程， 2 0 0 1 ，v o l 2 2 n o 15 4 5 7 8 轿乍排气系统开发i f 台的建立1 孙舅用1 概述 【1 8 】黄其柏，考虑非均匀流场的管道声学理论及消声器研究，华中理工大学学报，1 9 9 9 v 0 1 2 7n o 82 1 4 2 1 9 【1 9 】胡立臣，陈朝阳，唐永琪汽车消声器性能计算中的气流与温度因素，合肥工业大 学学报( 自然科学版) ，2 0 0 0v 0 1 2 3n o 0 31 2 5 - 1 2 8 【冽李国祥，李娜等，消声器内部流场及温度场的数值分析，内燃机学报，2 0 0 3v 0 1 2 1 n o 53 3 7 - 3 4 0 【2 1 j g i ha n db h l e e ，a n a l y s i so fh i g h e ro r d e rm o d ee f f e c t si nc i r c u l a r e x p a n s i o nw i t hm e a nf l o w ，j a c o u s s o c a m ，1 3 7 7 1 3 8 8 ( 1 9 8 5 ) 【2 2 i j y o u n g a n dm j c r o c k e r ，p r e d i c t i o no ft r a n s m i s s i o nl o s si n m u f f l e r sb yt h ef i n e t ee l e m e n tm e t h o d ，j a c o u s s o c ，a m ，5 7 ( 1 ) ，1 4 4 一 1 4 8 ( 1 9 7 5 ) 【2 3 y o u n gc r o c k e r ，p r e d i c t i o no ft r a n s m i s s i o nl o s si nm u f f l e r sb yt h e f i n i t e - - e l e n e n tm e t h o d ，j a c o u s t s o c a m ，v 0 1 5 7n olj a n u a r y1 9 7 5 【2 4 s e g b e r t a fa n dr o s s d f ，e x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o no f a c o u s t i c p r o p e r t i e su s i n g a t w o m i c r o p h o n e r a n d o m e x c i t a t i o n t e c h n i g u e ，j ac o u s t s o ca m 19 7 7 ( 5 ) 【2 5 蓝军，史绍熙，发动机排气消声器传声特性的计算研究，内燃机学报，2 0 0 1 ， v o l l 9 n o 32 7 5 2 7 8 【2 6 】季振林，葛蕴珊等，用边界元法与四负载法联合预测排气消声器的插入损失，声 学学报，1 9 9 6 ，v o l 2 1 n o 21 1 6 - 1 2 2 【2 7 a f s e y b e r ta n dc y r c h e n g ，a p p l i c a t i o no ft h eb o u n d a r ye l e m e n t m e t h o dt oa c o u s t i c c a v i t yr e s p o s ea n d m u f f l e r a n a l y s i s ，a sm e j o u r n a lo fv i b r a t i o n ，a c o u s t i c ss t r e s sa n dr e l i a b i l i t yi n d e s i g n ， 1 0 9 ( 1 ) ，1 5 2 1 ( 1 9 8 7 ) 【2 8 m t e r a oa n ds e k i n e ，o ns u b s t r u c t u r eb o u n d a r ye l e m e n tt e c h n i q u e s t oa n a l y z ea c o u s t i cp r o p e r t i e so fa i r d u c tc o m p o n e n t s ，p r o c e e d i n go f i n t e r n o i s e8 7 ，1 5 2 3 1 5 2 6 ( 1 9 8 7 ) 【2 9 c y c h e n g ，a f s e y b e r t ，e ta l ，am u l t i d o m a i nb o u n d a r ye l e m e n t s o l u t i o nf o rs i l e n c e ra n dm u f f l e rp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，j s o u n da n d v i b r a t i o n ，1 5 1 ( 1 ，1 1 9 - 1 2 9 ( 1 9 9 1 ) ) 【3 0 季振林、张志华等，轴对称管道及消声器声学问题的边界元法研究及应 9 轿乍排气系统开发p 台的建妒j 心用1 概述 【3 0 季振林、张志华等，轴对称管道及消声器声学问题的边界元法研究及应 用，哈尔滨船舶工程学院学报，1 9 9 2 ，v o l 1 3 n o 1 2 3 3 3 【3 1 季振林、张志华等，具有线性温度梯度的管道及消声器声学特性的边界元法计算， 计算物理，1 9 9 3 ，v o l l 4 n o 44 6 7 - 4 7 0 【3 2 季振林、张志华等，抗性消声器的声学特性的三维边界元法分析，哈尔滨船舶工 程学院学报，1 9 9 3 ，v o l 1 4 n o 12 9 3 5 【3 3 季振林、张志华、马强等，轴对称管道及消声器内部声场与管口声辐射问题的边 界元法计算，哈尔滨船舶工程学院学报，1 9 9 3 ，v o l 1 4 n o 24 1 4 8 【3 4 季振林等具有平均流的膨胀腔声学特性的三维边界元法分析，计算物理，1 9 9 3 ， v o i 10 n 0 44 5 6 4 4 6 1 0 轿1 ：排气系统开发、r 台的矬征o j 心用2 消声；! 性能预测的数学模型 2 消声器性能预测的数学模型 2 1 消声器的性能评价及数学模型的建立 一消声器的性能评价 目前，国内外评价消声器性能主要有两个指标，即消声量和功率损失【。 1 消声量的评价指标 评价排气消声器的消声量常使用插入损失和传递损失。 ( 1 ) 插入损失i l 插入损失是指在声源与测量点之间插入消声器前后，在某一固定测点所测得 的声压级之差，即： i l - l p l l p 2 ( 2 1 ) 式中： l p 。一安装消声器前测点的声压级( d b ) p 2 一安装消声器后测点的声压级( d b ) 由于插入损失易于现场测量，非常实用，被g b 4 7 5 9 - - 8 4 内燃机排气消声 器测量方法规定作为消声器评价指标。在测量插入损失时要注意本底噪声的影 响，同时应在未装消声器时，于排气管孔加装一段与消声器等长的空管，以保证 安装消声器前后测点不变时测距也不变。 插入损失不仅与消声器消声性能有关，而且与声源特性、消声器出口端阻抗 有关。 测量汽车内燃机排气消声器的插入损失的实验布置如图2 - 1 ，测点应选在距 排气口0 5 m 处，声级计指向排气口并与排气口气流轴向成4 5 。夹角。 轿乍j j | ：气系统开发、卜秆的建立j j 应用2 消声器性能预测的数学模型 图2 1 排气噪声测试示意图 ( 2 ) 传递损失t l 传递损失t l 定义为消声器入口与出口处声功率之差，它反映了消声器的入 射声能与出口的透射声能之比，即 t l - 1 0 1 9 尝叱， ： ( 2 - 2 ) 式中： 瞰一消声器入口处的声功率； 职一消声器出口处的声功率； 。一消声器入口处的声功率级( d b ) i 。：一消声器出口处的声功率级( d b ) ； 传递损失的特点是仅反映消声器本身的传递特性，而不受声源管道系统和消 声器出口端尾管的影响，即与声源、消声器出口端阻抗无关。因此传递损失和插 入损失在数值上略有差异。 一般不直接测量声功率级，而是通过声压级的测量，然后在计算出传递损失。 但由于内燃机排气高速、高温的影响以及本底噪声的影响给测量工作造成困难。 在评价消声器的消声性能时，仅知道消声器的总消声量是不全面的，还必须知道 消声器的频率特性，即在各频率或频带上的消声量。这就需要分别测出各频率或 频段的插入损失或传递损失，以说明该消声器的频率特性。般以倍频程和1 3 倍频程来表示消声器的频率特性，若进行更深入的分析可用窄带谱来表示。 1 2 轿下排气系统开发 c 台的建、) = j 应用2 消声器性能预测的数学模型 消声频率范围就是指消声量显著的频率或频带，这方面没有统一的定量评价 指标，一般要求所消声的有效频带范围越宽越好，在人敏感的频率范围内应该有 足够的消声量，声源辐射噪声大的频段应有较大的消声量，这样应用消声器降噪 的效果就比较好。 2 功率j ) ；j 失的评价指标【3 】： 为了考察排气消声器对内燃机性能对影响，通常采用功率损失比来评价。消 声器的功率损失比r 是内燃机在标定工况下不使用消声器的功率e 。与使用消 声器的功率e ：的差值和不使用消声器是的功率e 。的百分比，即