（光学工程专业论文）基于排气特性和声学特性的消声器消声特性研究.pdf

中文摘要 在现代文明的今天，随着摩托车工业的迅速发展，摩托车已经发展成为人类 必不可少的交通运输工具。但是，随着摩托车产量和保有量的增加，环境污染和 安全方面的问题已越显突出。摩托车产生的噪声污染就是污染之一，因此如何降 低摩托车噪声而达到相关标准规定要求已成为当务之急。 在摩托车产生的所有噪声中，主要噪声是排气噪声所致，而安装消声器便是 最有效的噪声控制方法。因此，综合分析消声器的声学特性和排气特性，对于提 供消声特性以及噪声污染的有效降低的改进方法提供了可靠的依据，对社会和应 用起到十分重要的意义。 基于目前的噪声研究现状，本文以隆鑫的l x l5 0 或l x l 2 5 型号摩托车消声 器为例，通过利用a n s y s 和g t - p o w e s y s n o i s e 等商用计算软件工具对其 消声器进行分析，了解影响消声器消声性能的因素。首先采用实验的方式对此款 消声器性能进行测量收集。再利用m a l l ，a b 软件编程得出该款消声器的仿真结 果，最后将两种结果进行对比得出一致性。同时，对仿真数据和测试进行综合分 析，找出该款消声器存在的不足。进而对此款消声器进行改进设计：1 ) 、通过增 加赫尔姆霍茨共振腔( 其位置设置在消声器第三腔体后) ，以用来降低低频噪音 的影响；2 ) 、在通过新增加的赫尔姆霍茨共振腔中的管道上穿孔，有利于最后尾 端的气流顺畅排出，降低消声器对发动机输出功率的影响。最后通过仿真分析及 试验得出传递损失和压力损失，并与改进前的消声器相关数据进行对比可知消声 性能有明细的改善，排气背压也略有降低，因此已达到预期制定的改进目标。 本文中的消声器研究方法针对性较强，通过软件可提前预知消声器的相关性 能，既可避免样品重复制作产生的成本浪费，又可缩短样品重复制作改进的时间 周期，同时，该方法对后期的消声器研究具有重要的指导意义。 关键词：消声器，消声特性，压力损失，数值分析，传递损失 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l 叩m e n t o fm o t o r c y c l ei n d u s t m o t o r c y c l ep r o d u c t i o n 锄d m o t o r c y c l er e t e n t i o ng e ta ne x p o n e n t i a lr a m p m o t o r c y c l eh 硒b e c o m e 柏i n d i s p e n s a b l e t r 锄s p o r tm e a n so fh u m a nb e i n g s b u t ，m o t o r c y c l e s 觞l ob r i n gs o m es a f e t ) ，p r o b l e m sa n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na tt h es a m et i m e n o i c ep o l l u t i o ni so n eo ft h ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nc a u s e db ym o t o r c y c l e 锄d th a sa l r e a d yd r a w nw i d e s p r e a da ：t t e n t i o n 仔o mt h e w h o l es o c i e t y h o wt 0r e d u c et h en o i c eo fm o t o r c y l eh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mt ob e s o l v c di m m e d i a t e l y t 1 1 ee x h a u s tn o i s ei st h em o s ti m p o r t 锄tn o i s es o u r c eo ft h em o t o r c y c l e a n dm u 用e r w 弱u s e dt oc o n t r o l t h ee x h a u s tn o i s ee f f e c t i v e l y i no r d e rt oa b a t en o i p o l l u t i o n ，昀j d y i n g a c o u s t i cp e r f o n n 鲫c eo fe x h a u s tm u m e rf o rm o t o r c y c l e 锄di t sh n p r 0 v i n gi so fg r e a t i m p o r t a n c et os o c i e t ya n da p p l i c a t i o n b a s e do nt h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o no fm u 用e r an u m e r i c a le m u l a t e dr e s e a r c ho n e x h 叭s tm u 御e ro fl xl5 0 l xl2 5m o t o r c y c l ei sm a d eb yu s i n gs o 胁a r co f a n s y s ”锄d s y s n o i s e g t p o w e r ，c o m b i n e d l 弘锄dt h ee 毹c to fs t r u c t u m lp a r a m e t e r 0 nm u 御e r s a c o u s t i cp e r f o m 锄c ei s 卸a l y z e db yt h es a m ew a y b e s i d e s ，t h es p e c i a lm o t o r c y c l e 锄d m u 用e ri sm e 嬲u r e d ，卸di t sa c o u s t i cp e 晌m a n c ei s 锄a l y z e db yp r 0 伊a mo f “m a l l a b ” c o n s i s t e n c yc 锄b ed i s p l a y e d b yc o m p a r i n gt h em u 用e r st e s tw i t ht h a to f n u m e r i c a la n a l y s i s t h e n ，也ec i m w b a c k0 ft h em u 用e rc a nb es h o w e db yo b s e r v i n gt h e s eo u t c o m e 卜- t h eg r a p h s o ft r a n s m i s s i o nl o s s 锄de x h a u s ts p e c t m m ：t h ep e r f 0 m a n o ft h em u 御e ri sp o o r 砒 l o w 疗c q u e n c y ，锄dt h e r ea r es e v e m lt h r o u g h - 矗e q u e n c y a g a i n s tt h e s ed 鼬a c l ( s ，s o m e i m p r o v i n gd e s i 印i sd o n e ：a d d i n gah e l m h o i 亿一r c s o n a t o r 髂t h ef o n hc a v i 吼a d d i n gas h o r t p e r f 0 r a t ep i p ea t t h et a i lt u b e t 随n s mi s s i o nl o s s 锄dp r e s s u 他l o s sa 陀m a i ne v a l u a t i n g i n d i c a t o r si nt h ep r o c e s so fc o m p 撕n gt h eo l d 锄di m p r o v e dm u m e r t 1 1 e ni ti sd i s p l a y e d t h a tt h ep e m m a n c ei si m p r o v e do b v i o u s l y s ot h ee x p e c t e dr e s u l ti sr e a c h e d t h i sm c t h o dc 锄s h o r t e nt h et e s t - p e r i o do fm u 御e r 彻dr e d u c ei t sc o s t a n di t i s a l s o c o n v e n i e n t ，f a s t 锄di i l u s t m t e d m o m o v e r i m p r 0 v i n gd e s i g na g a i n s t i t sw e a i m e s sc 锄b e d o n eb yt h i sm e t h o dw h i c hi ss i g n i f i c 锄tt ob o o s t i n gt h el e v e lo fd e s i g n i n g 锄d 锄a l y z i n g e x h a u s tm u 佛e r k e y w o r d s ： m u 御e r n u m e r i c a l a n a l y s i s ， p r e s s u 他l o s s ， a t t e n u a t i o n p e r f 0 r m 锄c e ， 1 胁s m i s s i o nl o s s 第章绪论 1 1 课题研究的意义 1 1 1 摩托车产业的发展 第一章绪论 在现代文明的今天，随着摩托车工业的迅速发展，摩托车已经发展成为人 类必不可少的交通运输工具。尤其是在相对狭窄的路面环境以及停车位较为紧 缺的情况下，大量采用汽车来作为我们主要的出行交通工具，肯定会出现交通 堵塞以及停车困难的现象。那么摩托车的大量推广使用，肯定是减缓堵塞的一 剂良方。好比说在意大利国家的米兰，是塞车十分严重的城市，他们就是利用 摩托车来缓解城市交通拥堵的问题意大利政府激励大家去买摩托车，并且明 确买一台车就给予5 0 0 欧元的补贴。也比如在2 0 1 1 年春节，大量的外出务工人 员也采用摩托车作为返乡交通工具，从而缓解交通运输压力和及时到达目的地。 中国摩托车工业自改革开放二十多年来取得了迅猛发展。随着摩托车产量 和保有量的增加，环境污染和安全方面的问题越显突出。( 摩托车产生的噪声污 染就是污染之一。) 摩托车行驶的优势在于能够在居民居住的大街小巷里穿行， 为此噪声污染更让人头痛，也成为了部分城市禁摩、限摩的主要原因之一。因 此如何降低摩托车噪声，以达到相关标准规定要求成为当务之急。 1 1 2 噪声带来的危害 噪声使得人们在工作和生活中感到极不舒服、心烦以至于难以忍受，它一 般是由各种不同频率和不同强度的声音无规律的组合。其中工业噪声来自生产 环境中产生的生产性噪声。工业噪声由于产生的方式和动力不同，可分为：( 1 ) 机械性噪声，是由金属撞击、磨擦和转动而产生的，如冲床、锯床等产生的噪 声；( 2 ) 空气动力性噪声，是由气体压力发生突变引起气流的扰动而产生的， 如汽车摩托车的排气噪声。工业噪声又可分为连续噪声和间断噪声；稳态噪声 和脉冲噪声。工业噪声由于工厂生产的性质，设备装置的布局和数量以及隔音 装置的有无、效果等因素而不同。在各种作业环境中其强度和频谱特性存在着 很大差异。 噪声污染已经成为了职业病危害的一个重要因素。长期接触噪声会对人们 的身体造成伤害，其危害程度主要取决于噪声的强度( 声压) 大小、频率高低 第一章绪论 和接触时问的长短。总的来说长时间的接触高强度、高频率的噪声对人体造成 的伤害是巨大的。此外，对人体造成伤害的程度与噪声的性质( 稳态的或是脉 冲性的) 、伤害的方式( 直接持续的接触或间接间断的接触) 和每个人的体质相 关。总体来说脉冲噪声、直接持续接触的危害最大。 噪声对人体器官有多方面的影响。根据人们年龄的不同，对噪声的敏感度 也有所差别。当声音超过5 1 d b ( a ) 时，就会对人们的睡眠和休息产生影响，特 别是病人和老人更为敏感，超过6 9 d b ( a ) 的谈话就会对人们的听觉产生干扰， 听到信号后，人们易出现激动和烦躁现象，注意力出现不集中，办事效率也严 重受到影响，更严重的话会导致不良事故的发生；长时间的接触高分贝的噪声 会造成听力下降或耳聋，对心血管及大脑也会造成不良影响。 1 1 3 国家对噪声的要求 噪声污染对环境的影响越来越严重，已经成为威胁人类生存的当今世界上 的三大公害之一。根据相关部门调查数据表明，城市里各种机动车辆发出排气 噪声是我国环境噪声的主要来源。在某些汽车发达国家，交通噪声大约占整个 城市噪声的5 0 7 0 ，其中居于第二位声污染源的摩托车噪声，其危害程度 仅次于重型卡车发出噪声。 噪声是环境污染的主要来源，且在环境污染中占有非常大的份额。据国外 有关统计数据显示，全市约7 0 的噪声来自于机动车辆噪声，并且噪声污染随 人民生活水平的提高而加快步伐，在社会现代化进程，这一比例还在不断上升。 在机动车辆中，虽然摩托车和轻便摩托车的数量所占比例不高，但其技术上的 不成熟，非法改装，使其排气噪声尖锐、刺耳的问题不能有效得以解决。机动 车辆产生的噪声污染使居民心情烦躁，影响生活、工作质量，多种慢性病、职 业病也会随之而引发，成为严重影响人体健康的一大危害。目前，随着中国加 入w t o ，摩托车噪音水平也逐步严格，以满足国际标准和国家高层次的技术壁 垒的贸易环境要求，摩托车噪声限值及其他系统基本上是有效地利用现有的联 合国的通用法规要求。从2 0 0 2 年起至2 0 0 5 年这3 年间， 8 0 m l 及s 1 7 5 r i 儿排 量的摩托车的噪声限值已从8 0 d b ( a ) 收紧至7 7d b ( a ) 的水平。摩托车噪声限值 控制力度的不断加大，对降低城市摩托车噪声起到极为重要的作用。但是随着 摩托车使用数量的增加，摩托车噪声污染仍然是一个上升的趋势。为了控制摩 托车噪声比因汽车拥有量的增加而使得噪音增加的整体效果更高，造成噪声限 值将每隔几年就必须收紧，并严格了实施方案。对于众多的摩托车公司，因为 摩托车产品的噪音无法达到国家法规要求，致使新产品出现不合格等问题，所 以，如何使降低摩托车噪声已成为当务之急的技术研究1 1 1 。 2 第一章绪论 根据试验测定，排气噪声是摩托车噪声的主要来源【2 3 1 ，从而减少排气噪 音可有效降低车辆噪音。需要降低排气噪声就需要采用消声器，所以消声器的 设计质量是关键，其确定了摩托车排气噪声的大小【4 1 。 1 1 4 排气噪声的组成 排气噪声主要包括从发动机排气口排出的废气辐射出的噪声和从消声器隔 音墙辐射出的噪声。发动机在工作时通过进气口吸入适量的新鲜的油气混合气， 通过活塞压缩行程、点火行程混合气燃烧，推动活塞作功，最后高温高速高压 的燃烧废气在发动机排气行程里通过发动机排气门排出。发动机通过这四个行 程循环做功【5 1 。 1 1 4 1 排气噪声的主要性质 摩托车排气噪声在通常情况下会随着发动机转速的提高而提高。这是由于 发动机转速的持续升高的同时，所需的可燃混合气量也在增加，因此排出的废 气量也增大，排出废气的流速和压力相应增大，高流速高压力的废气冲击汽缸 和管道内壁产生的共振强度和频率也随之成正比上升。从而导致了摩托车排气 噪声整体加大，最后影响周围环境。 排气管中的高速气流噪声是空气动力噪声最主要成分。发动机在排气门打 开后，通过排气门排出的高压气流具有非常高的能量，并且随着发动机的工作 循环，而产生周期性变化，与此同时在发动机排气门截面处形成剧烈的涡流噪 声。以上是单缸发动机，在多缸发动机中，由于各缸之间的排气口均需要统一 的排气管进行相连，且各缸在燃烧过程中的情况和时刻均不可能作到完全一致， 因此排出的废气在通过排气管时将产生不同压力的脉动，由于发动机在车辆上 安装位置的不同会造成排气管长度的不同，这样就会在排气管内不同压力的脉 动的气体之间产生气柱共振噪声。按照发动机类型来分，柴油机的排气噪声要 高于汽油机。发动机在装有涡轮增压装置的时候，燃烧排出的废气在进入涡轮 增压器后，部分高温高压能量将通过涡轮增压器转化为机械能，从而使得最终 在排气口处废气能量得以减弱，因此噪声也会有所降低。 排气噪声的声压级与发动机的功率、排气量、气缸内的平均有效压力、排 气口出口面积以及转速等因素密切相关，并随着上面的因素增加而提高。排气 噪声一方面在气道内高速移动，而另一方面高速移动的气流冲击气道壁，从而 产生二次噪声。发动机的点火频率是造成排气噪声的基频重要原因，在整个的 排气噪声的频谱中都显现为基频及基频向高次谐波延伸。 排气噪声的频谱组成主要有以下几种噪声无规律的组合而成【6 】： 第一章绪论 ( 1 ) 低频脉动噪声。由发动机工作循环规律性的排气所引起，其主要的频 率成份是 f l = ( n z 6 0 i ) k ( 1 - 1 ) 式中：n 发动机的转速( 单位为r m i n ) ； i - 发动机冲程系数，二冲程为i _ 1 ，四冲程为i - 2 ； k 发动机气缸数； k 谐波序数。 ( 2 ) 气柱噪声。产生于排气管道内，如果将排气管道的一端视为封闭而另 一端视为敞开，管道内的有限波传播的速度有如下公式：c o = c 士u ，这样气柱的 共振频率可以列为： f i = ( 2 k - 1 ) c o 2 l ( 1 - 2 ) 式中：i 广排气管内气柱的共振长度( 单位：m ) ，对于特殊的多缸机，l 则 为所有排气管总长度的平均值： c 排气管中的声音速度( 单位：m s ) ： u 气流在排气管内速度( 单位：m s ) ，当气流速度与声音传播速度方 向相同时，u 前符号取正号，反之为负： l ( - 谐波序数。 当和f l 的数值相等时，也就是发动机转速n = ( 2 k 1 ) ( c 水l ) ( 6 0 i z k ) 时，这 样排气管中气柱共振噪声就会很明显的提升，这时通过上式可以看出：要使最、 不一致，通过改变排气管的长度( 或改变发动机转速n ，没必要) ，可以降低 气柱噪声。 ( 3 ) 赫尔姆霍茨共振噪声。该噪声产生于气缸( 由气体在汽缸内共振生成) ， 但它不随发动机转速变化。假设气缸为一空的圆柱体，当排气管的长度远远超 出气门半径时，气缸的共振频率可表示为： 2 寺嘉 ( 1 - 3 ) 。2 丌v y 式中，s 一为； v 一汽缸的容积： i 一排气管管道的长度 以上为单缸机公式。由于在多缸机之间各个气缸的互相干扰，再加上较长 的排气支管和总管，因此赫尔姆霍茨共振噪声在多缸机上就显得没有单缸机那 么突出了。 ( 4 ) 高频噪声。包括：涡流噪声、喷柱噪声以及再生噪声。涡流噪声和喷 柱噪声是由发动机排出的高压高速气体在经过排气门间隙以及通过弯曲复杂的 4 第一章绪论 管道时产生的。再生噪声是由于排气系统受到高脉冲的气波激励下产生。之所 以都称为高频噪声是因为它们的频率都达到了1 0 0 0 h z 以上，而且随着流速的 增加而增加。 涡流噪声、喷柱噪声频率峰值可用下式计算： = 昌删 ( 1 - 4 ) 式中：u 发动机气门处的气流速度( 单位m s ) ： n 一发动机气门直径( 单位m ) ； s 广对喷柱噪声取1 5 - 2 0 ，代表斯特劳哈尔数。 通过大量研究结果表明，内燃机的排量、类型、转速、 积和平均有效压力都是直接影响排气噪声强弱的关键。 汽油机( 四冲程) 经验公式如下： 厶= 2 8 l g 时2 0 1 9 0 1 b + l5 l g 玢卜岛 功率、排气口的面 ( 1 5 ) 柴油机( 四冲程) 经验公式如下： 厶= 2 5 l g 时2 0 i g o 1 r + 1 5 l g 即蜀 ( 1 - 6 ) 上面两个式子中： v 广一内燃机排量( 单位l ) ： p 广平均有效压力( 单位m p a ) ； n - 一发动机转速( 单位r m i n ) ； k l ，k 2 ，与内燃机结构有关的常数。 通过以上公式我们可以发现，柴油机的排气噪声要比汽油机的排气噪声大； 二冲程的排气噪声要比冲四程的大。柴油机产生的排气噪声主要集中在基频及 其倍频的范围内因此呈明显的低频性。 1 1 4 2 排气噪声的主要影响因素 虽然发动机排气噪声的频主要集中在低频段，但是中高谱频噪声也是不能 忽略的。排气噪声受以下几个主要因素影响。 1 受发动机的转速的影响 提高转速，则一切过程的运行就变得越快。在发动机的工作循环中，如果 保持可燃混合气的供给量不变，减小发动机转速，可以使发动机的排气噪声往 低频方向变化，而且频谱线会变得越来越密集。这样，在进行测量时，声级计 ( a 计权档) 上的读数会有很明显的变小，排气噪声随转速而变化的关系可以 用( 1 7 ) 公式来表示： 一以一j = 4 0 l g 竺( d b a ) ( 1 7 ) 第一章绪论 式中，n l 发动机的转速l ； n 2 发动机的转速2 ； l n l 在发动机的转速n 1 下对应的噪声值； l n r 在发动机的转速n 2 下对应的噪声值。 2 发动机受负荷的影响 在不改变发动机转速的情况下，排气噪声随着输出功率的降低而降低，但 其汽油机和柴油机的变化规律存在一定的差异。 在汽油机中因为输出功率的降低，所需燃料随着负载的变化而改变，而所 需的新鲜空气也随着负载的变化而改变，因此排出的废气量也相应的减少了。 但是在柴油机中，由于燃烧原理的不同，所需燃料是随着负载的变化而改 变的，而所需的新鲜空气却没有因为负载的变化而变化。因此相同条件下柴油 机排出的废气量没有汽油机的排除量变化明显，所以排气噪声也不如汽油机那 样降低得多【7 j 。 3 发动机受排气管内部结构的影响 从排气门排出的废气要经过一段形状比较复杂的管道才能排入大气中，这 段复杂的管道被称为消声器。消声器是通过改变排气噪声的频率分布和强度而 达到消音的效果的。 在发动机的排气管中都会有一个有自己特定频率的气柱，它起着放大器的 作用。因此消声器应尽量安装在离排气门最近的地方来将还为放大的噪声消去。 但是由于发动机工作过程中，对发动机扫气和排气过程有利的压力会因为消声 器离排气门的距离缩短而消失，因此将消声器紧靠的安装在排气门一起，这样 虽然对噪声的限制达到最好的效果，但这样却不利于发动机正常燃烧。 4 其它相关因素的影响 气缸数目对排气噪声也有一定影响。气缸越多，发动机燃烧越均衡，则排 气噪声的基频也就越低。对于排气的过程，六缸机和四缸机都较为均衡，所以 相对单缸机和二缸机而言其低频噪声就比小。 1 1 5 研究的意义 在现代城市，机动车辆噪声是辐射最强、影响面最广的污染源。在机动车 辆噪声中，最重要的组成部分来自排气噪声，它通常要比其它噪声高1 0 2 0 d b ( a ) 。机动车辆加装排气消声器控制排气噪声是切实有效的降噪措施【8 一。 发动机在安装消声器后主要有两个方面的影响。第一，有利的方面是降低 了排气噪声；第二。不利的方面是增大了发动机的排气阻力和排气背压，从而 使发动机的动力性和经济性受到了影响。通常情况下，消声器的消声性能越好， 6 第一章绪论 其结构肯定就越复杂，相应造成的功率损失就会越大。现在国家标准规定的消 声器功率损失应s 5 。小功率发动机在要求提高消声器的消声性能同时也要有 较低的功率损失【1 0 】。 我国的摩托车产量和销售量逐年递增，人们对摩托车的要求也越来越高， 在车量的节能减排、降噪、外观和舒适性方面提出了更高的要求【】。另外，国 家对于新噪声法规的出台和强调控制日益加剧的能源危机，对非再生资源的保 护、对地球环境的破坏、对城市污染较重的机动车辆尾气及噪声等社会问题已 经成为全社会甚至全人类关注的重点，因此更好的研究、改进消声器有着非常 重要的意义：第一，机动车排放法规中规定的一氧化碳的排放量限值越来越严 格，这就要求发动机和消声器的匹配要让功率损失比不超过百分之几。所以， 消声器在有效的降低噪声声压级的同时，也要注意功率损失，只有两者达到最 佳状态才有实际意义。第二，排气噪声作为机动车辆主要噪声源，国家已经对 机动车辆的噪声污染日趋重视，并且还在不断严格加强对的汽车、摩托车噪声 的控制，这对于消声器的消声性能有了更高的要求，从而减少噪声污染。 1 2 设计消声器的要点 1 2 1 消声器内部结构种类 1 按消声器结构外形可分为筒式、盒式消声器两种： ( 1 ) 简式消声器 筒式消声器多为抗性结构或阻抗复合结构，多用于骑式型摩托车，如宗申 z s l 2 5 - 2 、隆鑫l x l5 0 等摩托车都采用这类消声器。本节以l x l 5 0 的摩托车消声 器为例简单分析一下简式消声器的内部构造及消音原理。如下图1 - l 所示，筒式 消声器由排气管、排气催化转化器、消声筒( 主要的消音部分) 等几部分组成。 发动机排出的高温高压气体高速通过排气门进入消声器，气流来到消声筒部分 时，由于截面积突然增大使得气流得以迅速扩张、降低了气流流速，使得排气 噪声衰减。在排气筒内部，因为消声筒内的隔板阻挡大量的能量，气流只能通 过隔板上的开孔进入下一个腔室，而消声筒内可能会有不只一个消声腔，因此 气流被这样反复的分流，膨胀、分流，能量得到了大大的释放，噪声的能量也 就被大大的降低，从而就起到了降噪的作用。 7 第一章绪论 j 简体 i 辅板 潲，i f 简 厂j j 厂一 ，7t 。l 、 圮稍嘶 图1 1 简式消声器 ( 2 ) 盒式消声器 轻便摩托车、踏板摩托车，由于外行设计和安装位置的原因，多采用盒式 消声器。隆鑫l x l 2 5 t 、宗申z s l 2 5 n 等踏板摩托车都采用这种盒式消声器。如 下图1 2 所示是隆鑫l x l 2 5 t 型摩托车采用的盒式消声器，它由外壳、吸声填料、 内插管、膨胀室等组成。发动机排出的废气通过排气管被引入第一膨胀室，因 为膨胀室横截面、容积的突然增大，气流通过膨胀后压力、速度都得以减小， 能量也被部分减弱，吸声材料也同时起到吸声的作用。通过第一膨胀室的气流 又内插管进入到第二膨胀室这样重复第一膨胀室的功用，最终使得从尾管排出 的噪声达到预先设定的目标值范围。 尾 第 - 一 膨 胀 宝 第 二 吸 内膨声 播隔胀填外 管板置抖 壳 图1 2 盒式消声器 2 摩托车消声器根据消声原理的不同又可以分为阻性消声器、抗性和阻抗性消 声器三种。设计( 基本的因素：结构设计、材料选择、尺寸设计) 、加工及安装 使用等多个方面的原因影响着消声器的消声性能。现在按照不同的消声原理分 述如下： ( 1 ) 阻性消声器 通过改变消声器内部气流通过的几何形状有以下同有多种型式( 见图1 3 ) 。 在不同几何形状的通道内敷设特定的吸声材料来吸收声能，加上机构上的变化 产生声阻，在这两者的共同作用下，沿消声通道传播的气流能量随着管道长度 第一章绪论 的增加而变弱，以达到消声的作用。吸声材料及几何结构的设计决定了吸声的 效果。目前国内常用的吸声材料有：低碳钢丝网、毛毡、玻璃纤维丝等，然后 在通过将它们按特定的排列顺序固定在消声管道内壁上。这样，发动机排出的 废气在进入消声器后，废气中的部分能量被吸声材料吸收再排入空气中。阻性 消声器的吸声性能主要表现在中、高频范围内，而对于低频消声效果却不理想。 由于单一的阻性消声器的体积比较大，且吸声材料容易受到发动机排出的高温 高压气体熔化、烧结，从而失去原有的作用，故很少被采用。 一 l 匹 声流型 迷宫型 直管型片型蜂窝型 图l - 3 消声器阻性分类 影响阻性消声器性能的因素有以下几点： 1 ) 结构影响。阻性消声器如果用片式、管式等较为简单的结构，这样消声 器形成的阻力较小，消声效果一般，但是对于低频噪声的影响就差一些。如果 采用折板式、多室式的结构，虽然消声效果比较好，但是产生的阻力也会相对 增大。 2 ) 材料影响。吸声材料的类型、密度、尺寸都会影响吸声效果。如果吸声 材料的密度越大、通过面积越广，当然吸声的能力就越理想。 3 ) 几何外形、尺寸影响。相对于图1 3 内各种类型，扁形通道有利于p s 值的提高，可以更好的改善消声性能。 4 ) 消声通道长度的影响。消声长度的增加可以敷设更多的吸声材料，因此 可以吸收更多噪声。 ( 2 ) 抗性消声器 抗性消声器的设计原理来自声波的滤波性能，设计合理的几何外形、尺寸 能够更好的起到消声的作用。在消声管道内通过不同截面的突张及收缩，反射 部分特定频率且沿消声管道传播的声波，两者相互抵消以达到消声的作用。 抗性消声器按照结构的不同分为：扩张型、共振型和干涉型( 见图1 4 ) 。 抗性消声器的优点是由于用金属制成，因此耐冲击、耐高温高压的能力得到提 升，再加上其结构简单、加工方便，因此很容易进行生产。但是这类型的消声 9 第一章绪论 器能够消声的频带很窄，仅对低中频的噪声有一定的消声效果，对高频噪声基 本上无影响，这是其显著的缺点。 nn 厂 f 一= 工丁= - 亡丁一 几丁工工工丁 扩张型 共振型 ， 干涉型 图1 4 消声器抗性分类 影响抗性消声器性能的因素有以下几点： 1 ) 扩张比( m 值) 。扩张比决定了抗性消声器消声量的大小。 2 ) 扩张室的长度、插入管的长度。这两点决定了抗性消声器的消声频率。 3 ) 扩张室的长径比。扩张室的长径比直接影响消声器的消声频率。长径比 与低频成正比，而与高频则成反比。 4 ) 结构布置。多个扩张室的串联以及让各个插入管错位造成气流流动越复 杂可以提高消声器对高频的消声能力。 ( 3 ) 阻抗复合式消声器 通过分别对阻性消声器和抗性消声器原理的分析研究，两种单一的消声器 各自有各自的优点，但是均同时不能满足发动机输出动力、有效降低各种频率 范围的噪声，因此结合两者的优点而产生了阻抗复合式消声器。该种消声器兼 顾了以上两种消声器的优点，能够对低、中、高的广大频率范围内的噪声起到 很好的消声效果，并对发动机排出的高温高压气流有很好抗击能力，因此现在 被广泛运用在发动机消声领域里。 1 2 2 各种消声器的设计要点 1 阻性消声器的设计要点 1 ) 结构形式。在保证整车外观美观的同时需要正确合理的设计。 2 ) 吸声材料的选择。由于发动机排出的废气为高温高压的气体，因此吸声 材料的耐高温高压、耐冲击以及防水防潮的能力决定了消声器的寿命。在阻性 消声器中被采用最多的是离心玻璃纤维。 l o 第一章绪论 3 ) 吸声材料的厚度及密度。吸声材料的布置不是一味的越多越好，过多布 置会导致消声器排气阻力增大，这样会对发动机的性能有着很大的影响，因此 吸声材料的厚度及密度需要进行合理、科学的设计。 4 ) 通道断面的尺寸。消声器的断面尺寸关系着气流从消声管冲出而膨胀扩 张，能量减小，声能也就随之减小。 5 ) 长度。消声器的消声性能会随着长度增加而改变，过长的消声器使得车 辆外观的美观度下降，同时气流在消声器内部的再生噪声也会加重，反而使得 消声器的消声效果减弱，这就需要我们在兼顾车辆外观要求的同时合理分配消 声器的有效消声长度。 2 抗性消声器的设计要点 1 ) 以发动机排气噪声为例的空气动力性、低中频类别的噪声采用该种消声 器比较合适。 2 ) 膨胀比。跟阻性消声器相似，气流在消声管内膨胀扩张，能量减小，声 能也就随之减小。 3 ) 膨胀室、插入管的长度。通过对膨胀室和插入管的合理设计，可以提高 消声器对低频噪声的吸收作用，从而改善消声特性【1 2 】。 4 ) 结构设计。多个截面较小的膨胀室串联起来与一个截面较大的膨胀室相 比，气流所受到的变化量增加，能量损失更大，提高了失效频率，因此更能够 起到降噪的作用。 5 ) 插入管的布局和设计。如果将插入管两头穿孔( 其穿孔率 2 0 、每个 孔径在0 5 1c m ) ，这样增加了截面，从而减小了气流从管道连接处通过时 的阻力【l3 1 ，降低了共振噪声，但原有的消声性能并不会受到影响。 1 2 3 消声器设计的关键参数 消声器设计时主要有两个关键参数需要确认：l 、大消声量，2 、低功率损 失。我们在进行消声器降噪的同时又需要降低功率损失。但是发动机的工作原 理又使得这两个问题成为对立的两点，并且相辅相成。 发动机排气背压是在发动机连接消声器正常运转工作后，距离排气门 2 5 m m 处的排气管通过钻孔安装测量装置测得的气压。发动机连接消声器后测 得压力比发动机没有连接消声器时测得压力有所提高【6 1 。 功率损失。发动机在连接消声器后测得输出功率比发动机没有连接消声器 测得输出功率要低，这就是该消声器增加了发动机排气背压造成发动机输出功 率的降低。 由于消声器内部腔室的变化以及管路之间交错，使得发动机排出的高温高 第一章绪论 压高速气流在通过这些障碍物时改变了部分气流的方向，使得消声器气流的排 出不畅，因而产生了排气背压。随着排气背压的增加，发动机排出的气流受到 的阻力越大，因此克服这部分能量损耗的功率越大，从而使得发动机的输出功 率降低1 6 】。但是为了减少功率损失而通过增加排气管空气流通的顺畅度来减小 排气背压，这样反而会使得消声器的消声性能降低。因此我们在消声器的设计 时就会遇到一个现实且矛盾的问题：怎样才能在减少发动机功率损失的同时采 用高吸音性能的消声器，是我们研究的目标 1 3 国内研究现状 随着国际上对车辆噪声和排放法规的日趋严格，在与消声器相关的各种声 学、流体力学、材料学、结构力学等各方面的理论研究都得到了迅猛发展，并 运用到实际工作中，并形成了一整套完整的消声器设计、开发理论( 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5 1 6 j ) 。到后来计算机领域运用到消声器的设计开发中，使得消声器的设计 办法更上一层台阶。 在消声器初期的开发设计之中，通过大量、反复的试验得出最终优化后的 相对比较理想的结果。然而这样的开发设计流程却需要很长的试验以及消声器 反复修改后再试验的周期，也大量消耗了人力物力，延长了企业新产品投放市 场的时间，另外这种设计办法在有效的兼顾消声器的消声性能和发动机的功率 损失方面不尽如人意。在进行更高要求的对消声器的频率、波形传播方面更是 无能为力，因此在对于消声器内部更为复杂的结构设计、材料装配上也就无从 下手了。 计算机软件运用到消声器的设计中，通过几十年的发展已经日益成熟。目 前国内外对消声器进行数值模拟的方法主要有：有限元法和边界元法【1 7 1 。如 g t - p o w e 刚s y s n o i s e ，已经能够采用边界元和有限元等多种方法对同一问题 进行分析处理。 总结上面两种设计方法，采用计算机软件的设计方法更具有科学性，能够 兼顾消声器消声和发动机功率损失两个矛盾问题，缩短消声器开发时间、减少 了企业在反复制作、实验造成的开发成本增加。因此，这种方法更能准确地对 排气消声器性能进行分析，更能适应当今内燃机高速发展以及越加严格的标准、 法规对消声器的要求i l 引。 1 2 第一章绪论 1 4 课题的主要研究内容 在初步了解消声器内部构造以及消声原理的前提下，本文主要针对隆鑫 l x l 2 5 或l x l 5 0 这一特定的摩托车消声器的消声性能进行了分析研究，并提出 了切实可行的改进方案。主要内容如下： 1 掌握消声器单体性能指标的要求和降噪方面理论知识，对与发动机在安 装消声器后相关的功率损失和降噪方面的矛盾问题进行学习，掌握消声器的相 关分析方法及理论。 2 根据g b 厂r4 7 5 9 2 0 0 9 内燃机排气消声器测量方法和q c 厂r2 3 5 2 0 0 8 摩托车和轻便摩托车排气消声器技术要求和试验方法的相关要求，对隆鑫 l x l 2 5 或l x l 5 0 这一特定的摩托车进行测量，得到该消声器在其匹配的发动机 正常运转过程中造成的功率损失，利用相关的声学测量仪器记录下该消声器的 声级分布，按照相关国家标准和企业标准的要求判断该消声器是否合格，并为 进一步改进提供有力的依据。 3 根据试验采得的数据，再利用相关计算机软件对消声器进行建模，通过 软件的分析得出相应的数值，然后再与试验所得的结果进行对比，确认软件在 实际操作中的可行性，为以后的持续改进提供保证。 4 用同样的方法对隆鑫l x l 2 5 或l x l 5 0 的消声器进行研究分析，采用 a n s y s 软件进行建模，并对相关数据进行求解，得出消声量。试验方面按照相 关标准实际测量出隆鑫l x l 2 5 或l x l 5 0 的消声器功率损失和插入损失。两者 进行对比，找出两种方法得出结果的差距，判断该消声器是否存在设计上问题， 分析其消声性能，并最终得出结论。 第二章摩托车消声器理论分析 第二章摩托车消声器理论分析 2 1 消声器的排气特性分析 为了对排气消声器的内部气流进行了解，查阅了大量的相关资料，相关资料 中通过以两种不同结构的典型消声器i 和i i 进行内部流场模拟从而进一步了解 到管内气流对排气消声器的影响。文献中对消声器l 中产生的内部流场与消声器 i i 中产生的内部流场进行了较为仔细的对比分析。消声器结构不同，在其内部就 会产生不同的旋涡，当气流经过消声器i 时，气流经过消声器i 的内插管后，进 入第二个腔室，在第二腔室内就会出现两个大的气流旋涡；而排气消声器i i 中 则出现了4 个大旋涡，对应涡流强度也比消声器i 的大得多。通过商用计算软件 对消声器的入口绝对压力进行模拟计算，在优化设计消声器结构时，其压力计算 结果可以作为消声器管内流动阻力大小的可靠依据。另外穿孔尾管消声器可有效 衰减消声器出口处的再生噪声，但随着再生噪声的衰减，流动阻力反而会有所增 加。 在消声器研究的早期阶段，对消声器的参数进行集中处理分析时，主要是采 用平面波理论作为依据，并在此基础上，开发出了消声器内部性能仿真分析用的 的四极声传递矩阵法【1 9 】。对于消声器，主要是高频成分的排气噪声，这就使得平 面波的假设是难以成立，为此人们随之就会向更深层次去研究和计算排气噪声的 形成，便开始采用三维理论来研究消声器的消声原理【2 0 】。采用三维声学理论进行 模拟计算时应用最为广泛的是有限元法和边界元法【2 1 砣】。目前采用三维声学理 论对消声器进行模拟计算时，往往不会对气流和温度对消声性能的影响引起重视 【2 3 】。这就导致了排气消声器的实际情况和计算所得到的结果间出现了差异。有研 究表明，排气流量速度的大小对消声量有一定的影响，气流速度增加时会使消声 器的消声量随之不断减小，当管内气体流速达到临界值时，排气消声器的消声量 就会变成负数，反而增加了噪音f 2 4 】。所以，我们在设计排气消声器时，必须考虑 到管内流场的分布，因为不但消声器管内的阻力损失会受到内部流场好坏的影 响，而且消声量也会受到内部流场的影响。在对应文献中，首先采用c a d 确定 消声器的模型，然后对不同的消声器结构和流动性能进行比较分析，研究排气流 量和压力场。 1 4 第二章摩托车消声器理论分析 2 1 1数值模拟 ( 1 ) 几何模型的建立 考虑到复杂的排气消声器内部结构，我们使用三维c a d 软件进行消声器实体 造型。创建了如图2 - 1a ) 消声器l 和如图2 1b ) 消声器i l 所示的排气消声结构示意 图。为了方便进一步观察消声器i 的结构示意图，另外还对其做了如图所示的a a 剖面图。对消声器l 和消声器i i 进行内部结构对比：消声器l 和消声器i i 的入口端均 设置在左端，消声器的管径和长度完全相同，并且内部均设有的前后两个腔室的 尺寸也完全相同，两消声器的前面腔室从结构上对比为完全相同。如图所示，出 口尾管布置和结构的不同是消声器i 和i i 间存在的最大的差异。消声器l i 的入口 管、内插管和尾部的出气尾管相互平行，而消声器i 的入口管、内插管和尾端的 出气尾管相互垂直，且在出口管上设置有通气孔。 a 1 尹 【一 _ j f q 叟q 殳呈2 旦殳殳殳呈旦小 o o 拍c沁殳殳殳 5 云6 5 云5 5 6 5 石5 5 w o o 吣弘6 6 石 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ 一 、 fu a ) 消声器i + 一_ + 鬟嚣器号擞鲁 oooooooooooo _ 。l 。j l 斗卜 t 入口管内插管尾管 b ) 消声器i i 图2 1 消声器实体图 ( 2 ) 网格划分 为考虑到分析计算的准确性和工作效率的提高，一般要求更为细致的网格划 分。越高要求的计算精度就需要越细致的网格划分。但是当计算精度达到某一个 数值后，网格的继续细分已经再也体现不出明显的改善效果，而计算的工作量则 会大大的增加，进而使得计算效率也会随网格数量的增加而骤然降低。为了划分 更合理的网格。特别提出对关键区域进行单独分析处理。所以，将前面我们已经 建立好的几何模型，将主体网格定位结构性网格，非结构性网格作为过渡处网格 第二章摩托车消声器理论分析 的划分方法，最后生成流动区域贴体网格。 ( 3 ) 数学模型 描述基本的流动方程是一个连续性，动量，能量方程组。目前，对于求解平 稳的湍流流场时，工程上最常采用的是时均法求解，而采用微分方程来求解则难 以实现。由于波动值的出现，方程数的个数比未知数的个数少。方程组就无法封 闭，所以，本文为了三维数值模拟消声器内部的气体流动特引入关于湍流脉动动 能耗散率及湍流脉动动能后的两个方程，组成双方程模型。从而结合双方程模型进 行数值模拟。 ( 4 ) 边界条件和初始条件的设定 由于模拟稳定状态下，初始条件与边界条件等同，所以这里只需要将边界条 件输入。但是，在稳态条件下，曲轴转角将使废气循环程周期性