（光学工程专业论文）高温高速下的消声器性能模拟试验台关键技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 实验测试是检测消声器实际性能的最有效方法，而国内的消声器试验台架不 仅功能单一，并且不能很好地模拟高温高速下的消声器实际工作情况，因此围绕 高温高速极端条件下的消声器试验台架展开相关设计技术研究具有重要意义。 本文以消声器各项性能测试为参照，完成了试验台架的初步概念设计，完成 了声源、声源热保护装置以及声源管道的设计工作，搭建了台架流速自动控制系 统，完成了流速的自动控制。 本文对高温高速下消声器试验台架关键技术研究的具体内容包括：( 1 ) 分析 试验台架的基本系统组成及其具体功能，完成了试验台架的整体布置设计；( 2 ) 通过扬声器的合理选型以及音箱的参数设计，完成了试验台架声源的设计制作， 声源的声学性能达到台架要求；( 3 ) 通过对直通式声源和旁支式声源的声学性能 对比分析，确定直通式声源更符合本试验台架要求；( 4 ) 探讨以旁支管( t 型管) 为基础的声源管道性能，研究各参数对管内声波传播的影响，确定合理的旁支管 管道参数，保证声波在管道中的正常传播；( 5 ) 针对声源的防风隔热保护，利用 具有良好耐热、透声性能的聚酰亚胺薄膜，设计了声源保护结构，使声源在高温 高压下的管道中也能正常工作；( 6 ) 搭建流速自动控制系统。完成风机、变频器 与流量计等重要部件的合理选型，利用r s 4 8 5 通讯接口完成变频器、流量计与上 位机之间的数据通讯，以牛顿二分算法为控制算法，利用v b 编写流量控制软件， 实现流速的自动控制。 关键词：消声器试验台，声源设计，防风隔热，串行接口，流量控制系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lt e s ti st h em o s te f f e c t i v ew a yt od e t e c tm u f f l e r s a c t u a lp e r f o r m a n c e d u e t ot h ep o o rc a p a c i t yo fd o m e s t i cm u f f l e rt e s tb e n c h ，t h er e a le x t r e m em u f f e tw o r k i n g s t a t u s ( h i e 出t e m p r e t u r ea n ds p e e d ) c a n tb es i m u l a t e d t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so nt h e m u f f l e rt e s tb e n c hi n v o l v e dw i t he x t r e m es t a t u si so fg r e a ti m p o r t a n c e i nt h i sp a p e r , b a s e do nv a r i e dm u f f l e rp e r f o r m a n c et e s t s ，ap r e l i m i n a r yc o n c e p t u a l p r o t o t y p eo ft h et e s tb e n c hi sc o m p l e t e d s o u n ds o u r c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gt h e r m a l p r o t e c t i v ed e v i c ea r ed e v e l o p e d i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h eh i g h l ye f f e c t i v ec o n t r o lo f f l o ws p e e d ，a l lf l o wa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu p t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h em u f f l e rt e s t b e n c h ( u n d e rh i g ht e m p e r a t u r e a n d h i g h s p e e de x p e r i m e n t a l ) d e s i g ni n c l u d e ：( 1 ) a n a l y z et e s tb e n c h ss p e c i f i cf u n c t i o n ； a c c o m p l i s ht h et o t a ld e p l o y m e n tw o r ko ft h et e s tb e n c h ( 2 ) b ym e a n so fl a u d s p e a k e r s l e c t o t y p ea n dl a u d s p e a k e r b o x sp a r a m e t e rd e s i g n ，t h es o u n ds o u r c ei ad e v e l o p e dw h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n t so ft e s tb e n c h ( 3 ) b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fc u t t h r o u g ha n d c o l l a t e r a ls o u n ds o u r c e s ，t h el a t t e ri sf i tf o rt h et e s tb e n c h ( 4 ) i n v e s t i g a t et h ee f f e c to f c o l l a t e r a ls o u r c ep i p e sd i f f e r e n tp a r a m e t e r st oi t sa c o u s t i cp e r f o r m a n c e ( 5 ) u t i l i z et h e p o l y i m i d ef i l mw h i c hc a na l l o ws t r o n gs o u n dt r a n s m i s s i o na n dr e s i s th i g ht e m p r e t u r e a n dp r e s s u r et od e v e l o pt h es o u n ds o u r c eh e r m a lp r o t e c t i v ed e v i c e ，w h i c hm a k e st h e s o u n ds o u r c e ss m o o t hr u n n i n g ( 6 ) b u i l tu pt h ef l o wa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a c c o m p l i s hl e c t o t y p ew o r ko fb l o w e r , 丘e q u e n c yc o n v e n e ra n df l o w m e t e r ，r e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o na m o n gt h e mb a s e do nr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b ym e a n so f n e w t o nd i c h o t o m ya l g o r i t h ma n dv b p l a t f o r m ，t h ef l o wc o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e d k e y w o r d s ：m u f f l e rt e s tb e n c h ，s o u n ds o u r c ed e s i g n ，a n t i w i n d h e a t ，s e r i a li n t e r f a c e ， f l o wc o n t r o ls y s t e m i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出和研究意义 进入2 1 世纪以来，汽车所带来的噪声问题已经成为环境污染的重要问题之 一，由它引起的噪声污染日益受到重视【1 】【2 1 。国家不断加严的排放法规、噪声允 许法规和安全性法规对汽车的设计生产带来了越来越严重的影响。这就要求设计 生产者在不过大影响发动机的动力性、经济性的基础上尽量降低汽车的噪声等 级。汽车排气消声器是现代汽车广泛采用的消声装置，是降低发动机噪声的简单 而有效的手段。由于消声器理论设计的复杂性，许多企业将大部分精力用于消声 器的实验测试和改进之中，然而目前国内的消声器试验台架由于普遍缺乏大功率 风机设备以及空气加热设备，不能模拟消声器的实际工作情况，造成试验台架功 能单一，仅能进行单独的传声损失、压力损失等消声器冷态性能测试【3 】。此外由于 消声器性能参数较多、工作状况复杂多变，而各项测试工作都需要人工进行，这 大大降低了测试效率。由于国内消声器综合试验台架研制工作的滞后，对于高温 高速情况下试验台架声源以及声源热保护装置的设计、声学管道性能分析等方面 的工作还是空白，因此针对能模拟消声器各种工作情况的试验台架进行相关的技 术研究工作，为研制该种试验台架奠定技术基础，这对于消声器的实验技术以及 提高企业的产品实验开发效率有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 消声器研究的国内外现状 排气消声器是一种阻止声传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声 的主要技术措施【4 j 。按照消声机理不同，可将消声器分为阻性消声器、抗性消声 器、阻抗复合式消声器和主动消声器四大类【5 j 。主要应用于各种风机、内燃机、 空气压缩机、燃气轮机及其他高速气流排放的噪声控制中。使用消声器是降低汽 车排气噪声的最基本手段，而且与其他控制噪声的方法相比，也是最有效最经济 的手段。经过理论工作者及工程师的不断完善，消声器的设计及评价方法研究都 得到了很大的发展。 汽车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【6 j 。到目前为止，对于消声器的设计有如下几种方 法：传递矩阵法、传递参数法、摄动法、有限元法和边界元法等【_ 7 | 。1 9 2 2 年，美 国学者s t e w a r t 率先用声滤波器理论指导抗性消声器设计，拉开了消声器设计理论 研究的序幕【8 j 。2 0 世纪5 0 年代起d a v i s 、c r o c k e r 、i g a r a s h i 等人采用一维波动方 重庆大学硕士学位论文1 绪论 程，利用截面突变处声压和体积速度连续条件和等效电路方法，对消声器消声单 元的四极参数矩阵进行了研究，建立了无气体流动条件下各种消声结构声波传递 特性的理论公式 9 1 1 0 】【1 1 。7 0 年代c r o c k e r 和t h a w a n i 提出了存在气流影响时的声 波传播理论【j2 | ，才逐步建立起考虑气流的声波传递特性的理论计算问题，但仍然 没有考虑温度梯度的影响。此后，随着对气流和温度的研究进一步深入，对利用 传递矩阵法计算设计消声器才有较全面的论述。与此同时，数值方法随着计算机 的发展而发展起来。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 分析引，y o u n g 和c r o c k e r 最先使用有限元法预测了膨胀腔消声器的传递损失 u 4 j i l5 | 。在消声器设计理论方面，目前已建立了一维平面波理论、非声波法和特性 线理论，并用声学边界元法建立了二维声学边界元消声器设计模型 1 6 】【1 7 】。由于一 维声波理论在工程实践中往往难以满足要求，常常会出现较大偏差，所以边界元 法与有限元法受到越来越多的重视，期问出现了大量运用三维声学、流体力学分 析软件进行消声器性能分析与设计的研究和论文【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 。国内对排气噪声的研究 起步比较晚，直到1 9 7 9 年我国颁布执行机动车辆噪声标准后才开始进行，国内学 者对消声器的理论研究主要集中在各消声单元传递矩阵的修正和优化2 1 】【2 2 1 ，进入 2 1 世纪，国内大部分学者也开始采用有限元、边界元等方法做数值模拟计算，但 基本上是模仿国外的技术，通常只做定性分析，定量分析的较少，而且精度还不 够高口3 1 1 2 4 1 【2 ”。使用国际先进的设计理念进行消声器的设计更是鲜有报道。 1 2 2 消声器试验台架设计研究的国内外现状 2 0 0 1 年，d e s a n t e s 等建立了常温下消声器噪声研究的试验装置，该装置主要包 由罗茨压缩机、电控气动阀、稳压箱和反射墙等组成，气流源由罗茨压缩机提供， 稳压箱用来消除从压缩机出来气流的压力波动，电控气动阀用来控制和调节出口 气流速度，气流速度的测量使用热线风速仪【26 | 。2 0 0 3 年，s c h u m a c h e r 等人通过对 声源特性以及测试系统的相关研究，搭建了汽车用内燃机排气消声器试验台，通 过将发动机设定在不同的工作状态，研究了多种消声器的各项消声性能，由于该 试验台能真实模拟消声器的实际工作状态，因此极大提高了实验的准确性【2 7 | 。2 0 0 5 年，j e b a s i n s k i 等分别建立了气流条件下消声器气流再生噪声的测量装置和无气流 条件下消声器传声损失的测量装置。在气流条件下，消声器气流再生噪声试验的 气体流速可在2 3 m s 到8 0 m s 内变化，测量位置是在出口管下方2 0 0 m m ，与轴线 成4 5 。处：无气流条件下，消声器传声损失的测量根据双传声器法原理，通过入射 声压和反射声压的分离，从而获得消声器的传声损失1 2 引。 上个世纪8 0 年代开始，国内的科研工作者也开始对消声器的试验台架进行了 设计研究。1 9 9 1 年蔡超、宫镇等人根据管内测试和双传声器随机激励技术设计了 冷态消声器性能试验台，设备包括风机、储气罐、音箱、末端消声器和测试仪器 重庆大学硕士学位论文1 绪论 等，具有较好的测试精度，可以完成有流和无流条件下多种型号消声器的试验研 究。但该台架没有有效模拟发动机排气噪声的噪声源，只能用于管内测试( 传递损 失的测量) 2 9 1 ；1 9 9 8 年上海交通大学的张猛等建立了常温脉动气流声学试验装置， 该装置在常温稳态气流声学试验装置基础上增加了气流源脉动产生装置，通过该 装置叮以获得消声器内部不同脉动频率和脉动振幅的流动状态，用来模拟内燃机 进排气口处的流动条件，以研究在不同脉动频率和脉动振幅的流动条件下消声器 的气动和声学性能【3 0 1 。2 0 0 1 年山东大学的刘丽萍、王祝炜等人通过白行设计的试 验台进行了消声器的消声性能研究，该系统由于采用传统的鼓风机，并且以白噪 声作为其唯一声源，因此仅能研究流速对小型消声器性能的影响规律p l j ；2 0 0 4 年 重庆大学的阮登芳等人对排气消声器热态试验台进行了设计与分析，该台架可较 好地模拟车用小型发动机的排气环境【3 2 j ，但是由于热源采用电热丝加热，温度响 应比较迟缓，并且该系统没有实现对气流温度和流量的自动控制，实验工作量较 大，降低了工作效率；2 0 0 6 年武汉理工大学的颜伏伍等人搭建了对气体流速能进 行自动控制的消声器压力损失试验台，通过v b 编写的软件控制程序以及相应的硬 件，实现了对整个试验台架的闭环控制，该系统还能进行流量控制任务的批量处 理，提高了实验的效率，但是该台架仍然只能模拟常温下消声器的性能，此外系 统的流量自动控制策略比较简单，因此流量控制的精度和效率还不够高 3 3 1 ； 2 0 0 6 年哈尔滨工程大学的王雪仁、张文平等人设计了船用柴油机排气消声器性能试验 台，该系统不仅实现了气流流速的自动调节控制，也实现了气流流量的自动控制， 并且将所有系统参数控制和显示集中于控制台，大大提高了操作的便捷性，但是 由于该试验台研究对象是船用柴油机消声器，因此热源采用的是航空用燃气轮机 燃烧室，这对于汽车用消声器的研究显然是不合适的3 4 】【3 5 】【3 6 】。综上所述，在国内 外还没有既能模拟消声器在高温高压下的真实工作环境，又能对消声器试验工况 进行高效控制的试验台架系统，因此为研制该种系统进行相关技术的研究探索是 十分必要的。 1 3 本文的研究内容 本课题来源于某汽车企业，是基于该企业汽车排气系统开发与测试的实际需 求展开的。其研究目标是建立一套高温高速气流下的消声器综合性能测试平台， 用以测试消声器在模拟工况下的各项性能参数。本文针对该平台的设计需要对其 关键系统及部件进行研究设计，主要研究内容如下： 1 ) 以汽车排气消声器的主要性能测试内容为参照，分析总结试验台架的系统 组成，并对系统的总体布置形式进行深入研究，最终建立满足设计要求的试验台 架框架模型； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 ) 对平台中的关键零部件进行设计，主要包括声源和声源防风隔热装置的设 计； 3 ) 参照试验台架的基本设计指标，完成气源、热源、流量计等重要部件的选 型工作； 4 ) 分析试验台重要声学管道的声学性能，确定其合理的几何参数； 5 ) 搭建流速自动控制系统，利用串行通讯技术完成该系统各执行机构的数据 通讯以及流速控制软件的开发，最终实现流速的自动控制。 重庆大学硕士学位论文 2 试验台架整体设计 2 试验台架整体设计 消声器的实际工作条件复杂多变，其内部气流处于高温、高压、高速等极端状 态，因此试验台架应该最大限度的模拟消声器的这种实际工作状态，为其各项性 能的精确测试提供可靠的保证。该台架的设计不仅涉及到声学、空气动力学、热 学以及控制学等基础学科的理论知识，也包含机械设计、加工工艺、安全防护等 方面的工程实践知识，因此这是一个需要不断分析和改进的过程。 由于本试验台架需要完成冷热态环境下的消声器性能测试，因此不仅需要确定 声源的基本设计要求，还需要对台架加热系统的加热温度以及供气系统的流量进 行初步设定。结合厂家实际需要，试验台架的声源系统、加热系统以及供气系统 应该满足以下基本要求： 1 ) 声源系统基本要求：在1 0 0 h z 3 0 0 0 h z 的频率范围内，有较为平稳的声压 输出并有较高灵敏度； 2 ) 加热系统基本要求：空气加热最高温度不低于5 0 0 0 c ； 3 ) 供气系统基本要求：最大供气量不低于4 0 0 m 3 h ( 2 5o c ) ，最大供气压力 不低于2 5 k p a 。 2 1 试验台架的组成 试验台的系统组成应该以消声器实验测试内容为参照，而一般消声器的性能 测试包括：传声损失测试、插入损失测试、压力损失测试以及气流再生噪声测 试。此外本试验台由于添加了热源，因此在高温条件下上述测试项目也应该可以 完成。 消声器的传声损失测试和插入损失测试都需要试验台架提供良好的声源，因此 声源系统是台架进行声学测试的基础。此外在热态下进行各种消声器性能实验时， 声源管道内为高温高速的气体，因此还需要相应的防风隔热装置来保护声源，使 其能正常工作。 消声器的压力损失测试以及气流再生噪声测试都需要试验台架提供各种流速 和压力的稳定气流，因此风机系统也是试验台架的重要组成部分。此外传统的风 机流速控制都是由人工完成，工作效率较低，特别当管道内流速较高时，流速的 精确调节变得更加困难，因此风机系统需要对流速进行自动控制，已达到流速的 快速精确控制。 消声器在实际工作时内部为高温高速的气体，为模拟消声器的这种工作状态， 试验台架需要对风机系统的排气进行加热，因此还需要空气加热系统。同风机系 统类似，为了提高其工作效率，同样需要相应的温度自动控制系统。 重庆大学硕士学位论文 2 试验台架整体设计 为了完成消声器各项性能的测试，各种测试设备也是必须的。由于试验台需要 完成冷热态下消声器的各种性能测试，因此不仅需要传统的传声损失、压力损失 等测试设备，而且还需要能耐高温、高压的特殊测试设备。在消声器实验过程中， 试验台的本底噪声对测量结果的影响很大。其主要本底噪声主要有：风机和空气 加热器工作时的交变电流声、高速气流流经风机叶片和空气加热棒产生的气流再 生噪声以及各种异型管道产生的噪声。此外由于实验时会产牛高温高压的尾气， 因此需要尾气处理装置对尾气进行处理，避免其对实验环境的影响。 综上分析可知，本试验台架主要由六大系统组成( 如图2 1 ) ，分别是风机系统、 加热系统、声源系统、测试系统、消声系统以及废气处理系统。 风 机 试验台架 风机 系统 加热 系统 蓁 l 蒌i 蓁li 耋l | 薹| 嘉 声源 系统 测试 系统 箬l 吲| 笑 损| l 损| l 损 失 l 失| l 失 测il 测l 测 试 l 试| 试 图2 1 试验台架系统组成 f i g 2 1s t r u c t r u eo ft e s tb e n c h 消声 系统 熊 废气处 理系统 捧 气 扇 风机系统主要由风机、变频器以及流量控制系统组成。它通过流量控制系统对 气体流速进行实时检测，并以此为基础实现对变频器的精确控制，从而获得实验 所需的气体流速。加热系统与风机系统类似，同样由三大部件组成，分别是空气 加热器、变频器以及温度控制系统。温度控制系统的工作原理与流量控制系统相 似，也是通过对变频器的调节来实现空气的温度改变。声源系统包括音箱、功放、 接口箱等。对声源的基本要求是在比较宽的频段内有较为平坦的声压输出，具体 的它应该有较高信噪比、较低失真度、较低声音重放下限以及较高截止频率。测 试系统由于要实现冷热态下消声器传声损失、压力损失以及插入损失的测试，因 此其部件较多，主要包括各种特制的取样管、密封装置以及测试仪表，特别是能 耐高温传声器等。由于试验台本底噪声成分复杂，因此需要对各噪声源进行特性 分析以研制不同的消声装置。废弃处理系统主要由排气扇和排气管道组成，用于 重庆大学硕士学位论文 2 试验台架整体设计 管道尾气的收集和排放，以保证整个实验环境的稳定。 2 2 试验台架布置设计 试验台总体布置研究的目的是将各部件合理的进行布置和安装，使整个系统结 构紧凑，台架各项功能达到最佳。在具体设计时，应将整个台架进行分块隔离， 以避免各部件之间的各种干扰，包括风机与测试设备的隔离以消除风机噪声对测 试系统的干扰，热源与测试设备的隔离以消除热源工作时对测试系统的干扰等。 此外需要正确地确定动力源之间、动力源与消声装置之间的布置顺序。基于以上 因素对试验台架进行了布置设计，如图2 2 所示。 1 风机2 前进气消声器3 加热器4 后进气消声器5 旁支式声源6 前取样管7 消声器试件 8 后取样管9 吸声尾端1 0 废气回收端11 信号采集端1 2 操作台1 3 隔墙 图2 2 台架整体布置图 f i g 2 2t o t a ll a y o u tp l a no f t e s tb e n c h 整个试验台在空问上被隔墙分成五块隔间，即风机与加热器隔间、声源隔问、 消声器测试隔间、尾管隔间以及控制台隔间，这最大限度地降低了各模块相互之 间的干扰，保证了测试结果的准确性。 2 3 试验台架关键部件选型 2 3 1 风机选型 风机的选型主要考虑两个因素，即风机排气背压的最大值以及此时对应的风机 流量，此外为了使消声器的声学性能测试更加准确，风机的气流噪声也应该较小。 本试验台架选用漩涡气泵作为风力来源。漩涡气泵同传统的离心风机相比，其 中心压力高，功率也较大，能提供高达l o o k p a 的排气压力。更重要的是，由于该 重庆大学硕士学位论文 2 试验台架整体设计 气泵采用流阻较低的小型叶片，其气流噪声与离心风机相比有很大下降，并且绝 大多数漩涡气泵都自带进出口消声器，因此其更适合作为本试验台的风力源。 漩涡气泵的工作原理如图2 3 所示： 铡通道2 时轮3 ；j 气口 送气口 图2 3 漩涡气泵工作原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fw h i r l p o o lp u m p 漩涡气泵叶轮由数十片叶片组成，叶轮直接安装在电机转子上，是完全地无 接触压缩，由于泵轴承安装在压缩腔外，所以即便工作在最大的压差下，也能确 保机器的工作可靠性。气体由进气口1 吸入，当它进入侧通道2 以后，旋转叶轮3 在旋转方向上给气体一个速度，同时叶片上的离心力使气体向外加速并且压力增 加，随着旋转的进行，气体的动能增加，使得沿侧通道的气体压力进一步上升， 最后随着侧通道在排气口处变窄，气体被挤出叶片并通过排气口排出泵体。 本文风机的基本参数如表2 1 所示，其最大供气压力以及最大供气量都满足系 统的基本要求。 表2 1 漩涡气泵的主要性能参数 t a b l e 2 1m a i nf e a t u r eo fw h i r l p o o lp u m p 参数名数值 额定功率 最大压差 最大压差下的流量 最大输入频率 1 2 5 k w 2 7 l ( p a 6 8 0 m 3 h 6 0 h z 重庆大学硕士学位论文2 试验台架整体设计 2 3 2 热源选型 工业生产中对空气进行加热通常采用的是电阻式空气加热器，其加热元件为 不锈钢加热管，是在无缝钢管内装入电热丝，空隙部分填满有良好导热性的氧化 镁粉后缩管而成的。当电流通过高温电阻丝时，产生的热通过结晶氧化镁粉向加 热管表面扩散，再传递到被加热空气中去，以达到加热的目的。该种加热器能量 转换效率高，能达到9 0 以上，并且其结构简单便于维护，使用寿命长。 加热器的性能参数主要包括气体流量和加热功率，因此在选型前需要确定加 热器的这两个设计参数。本试验台架的空气最大流量为4 0 0 m 3 h ，加热器出口气 体最高温度为5 0 0 0 c ，由下式可计算得到该空气加热器的设计功率约为8 0 k w 。 p = ( 正一互) c q 9 3 6 0 0 r k w ( 2 1 ) 式中： p 一加热器设计功率( k w ) ； 死一加热器出口温度( o c ) ； n 一加热器进口温度( o c ) ； c - 一空气的等压比热容( k j k g o c ) ； 9 一气体体积流量( m 3 m ) ； p 空气密度( k g m 3 ) ； 刁一加热器效率。 加热元件 1 5 02 0 02 3 0 0 n 2 h 1塑l虽l 可 i i l幂l 卜 莹l 一一 0 ， 旷。崔 l t l 孽 嘣f 蠕上1 堂塑 上 h 苫 i 目 星 l i _ 矿一f 1 j 。掣 l 。出i 一 斗广置 n 1 b 2 5 0 2 0 0 02 , 5 0 n 1 进气口n 2 排气口n 3 连接口n 4 排污口 图2 4 空气加热器结构图 f i g 2 4 c n h eo fa i rh e a t e r 重庆大学硕士学位论文2 试验台架整体设计 根据计算所得的加热功率以及要求的空气流量即可对其进行选型，图2 4 为 某公司h w 3 8 0 9 0 型空气加热器，其最大空气加热气量为4 0 0 m 3 h ，最高加热温度 为5 0 0 0 c 。该加热器功率大、排气温度高，为了延长其使用寿命，采用了两个加 热层对空气进行加热。此外由于加热管道中气流流速高，为了减少空气和加热棒 之间的摩擦，加热管中的加热棒的布置方向和气流流向一致。 2 3 3 传声器选型 噪声测量用传声器为噪声测量中的核心设备，由于其技术水平和精密程度都 较高，目前国内外只有少数厂商能进行生产，其中丹麦的b & k 公司在传声器制造 业中一致处于领先地位，该公司生产的传声器精度高、稳定性好，并且品种齐 全，因此受到各企业和科研院校的亲睐，本实验室从事汽车噪声研究以来也一直 采用b & k 公司的各种设备，因此本台架也采用该公司的传声器。由于需要测试消 声器在冷热两种状态下的各项声学性能，因此与之相对应的传声器也应该有两 种。在常温下可选用b & k 4 1 8 7 型传声器，而在高温下可选用b & k 4 1 8 2 型传感 器。下面主要对耐高温的b & k 4 1 8 2 传感器进行介绍。 图2 5b & k 4 1 8 2 型传声器内部结构及其幅频特性曲线 f i g 2 5i n t e r i o rs t r u c t u r ea n da m p l i t u d e - 行e q u e n c yc u r v eo rb & k 4 18 3m i c r o p h o n e 重庆大学硕士学位论文2 试验台架整体设计 b & k 4 1 8 2 型传声器内部结构及其幅频特性图2 5 所示，在厂家所提供的各种长 度的探管中，长度为5 0 m m 时其特性最佳。此外由表2 2 可以看出，该传声器能在 7 0 0 0 c 的高温环境下工作，并且其工作频率范围大。由于探针的直径十分小，不受 消声器内部高速气流的影响，非常适合测量高温高速流场内部的声压。 表2 2b & k 418 2 型传声器主要性能参数 t a b l e 2 2m a i nf e a t u r eo f b & k 4 18 2m i c r o p h o n e 参数名参数值 频率范围 探头最高温度 探头直径 壳体最高工作温度 质量 由于该型传声器在极高温的环境下工作，因此其安装和工作方式也与常规的传 声器不一样，图2 6 展示了该传声器在汽车排气管道内部进行声压测量的方法。在 测量时，将引管插入排气管道内部，此时排气管道内部的声波便进入引管，再将 探管传声器插入引管，调节好波导管的长度以及将压力平衡口与引管连接后就可 进行测量。 图2 6b & k 4 1 8 2 型传声器安装测试图 f i g 2 6i n s t a l l a t i o nt e s t i n gs k e t c ho fb & k 418 2 口敞开 猢批 m 此 一舭 吡 魄 重庆大学硕士学位论文2 试验台架整体设计 2 4 试验台架设计的关键技术 根据消声器试验台架的基本功能需求以及台架设计的实际条件，本消声器试 验台架设计关键技术的研究重点主要有： 1 ) 声源的设计。声源、气源和热源是试验台架系统的三大基本动力源，其中 气源和热源的设计技术已经较为成熟，工业上该类设备也得到广泛应用，可以方 便的获得。但是由于消声器试验台架对声源声学性能和结构设计有较高要求，目 前还没有出现比较合适的声源成品，因此为了保证消声器的声学性能测试需要进 行声源的设计。 2 ) 声学管道设计。由于试验台架系统组成较为复杂，相应的管道结构也较多， 当声波在其中的异型管道内( 如旁支管、渐缩管等) 传播时会发生突变，这就改 变了声源的声压输出特性，因此为了降低异型管道结构对声源的不利影响，需要 对管道进行声学性能分析，最终确定合适的管道尺寸。 3 ) 声源的防风隔热设计。当试验台进行热态下的消声器性能测试时，管道内 充满高温高速气体，为了保证声源的正常工作，需要设计相应的声源防风隔热结 构。 4 ) 流量控制系统的设计。在传统的消声器实验测试过程中，需要对风机进行 多次人工调节以满足各种流速下的消声器性能测试，特别是当流速较高时，人工 调节也变得更加困难，调节精度也较低。为了提高实验精度和效率，需要研制流 量控制系统，实现管内流速的自动高效调节。 2 5 小结 本章首先明确了本试验台架的基本技术要求，对试验台进行了功能分析，以 此为基础确定了其系统组成，即风机系统、加热系统、声源系统、测试系统、消 声系统以及废气处理系统，进而完成了试验台架的整体布局设计。完成了风机、 空气加热器以及高温传声器的选型，最后基于消声器试验台架的基本功能需求以 及台架设计的实际条件确定了本消声器试验台架设计关键技术的研究重点。 重庆大学硕士学位论文3 声源的设计 3 声源的设计 声源作为汽车消声器试验台架的重要组成部分，是消声器声学性能测试的基 础。为保证测试结果的准确性，声源应该具有良好的声学特性，即较高的信噪 比、较好的瞬态响应等，并且在实验测试要求频率段( 1 0 0 h z 3 0 0 0 h z ) 都有比较 稳定的信号输出。针对消声器试验台架而言，声源还应该有良好的密封性以保证 较低的环境噪声。 现代高保真音箱系统主要由扬声器、分频器、衰减器和功率放大器组成，而 在本篇的音箱制作过程中，由于声源所要求的声压输出频带较窄并且声压不是很 高，故单只扬声器就能满足要求，而不需要分频器和衰减器，因此音箱的设计工 作只涉及扬声器的选型以及音箱本体结构的设计。 3 1 扬声器工作原理 扬声器根据驱动方式( 即换能公式) 的不同，可以分为电动式、压电式、电 磁式和数字式等；按其振膜形状可分为锥盆式、球顶式和带式扬声器。其中电动 锥盆式扬声器具有结构简单、能量转换效率高、声学性能突出的特点，因此被广 泛应用，而b & k 4 2 0 6 阻抗管采用的也是该种扬声器。 电动锥盆式扬声器的结构如图3 - 1 所示，主要由磁路系统、振动系统和辅助 系统等组成。 磁路系统由磁体、上下夹板和导磁芯组成。磁体的作用是在扬声器磁气隙中 产生一个具有一定磁感应密度的恒磁场。上下夹板和导磁芯的作用是给磁体所产 生的磁场提供一个磁回路，并在上夹板和导磁芯( 通常与下夹板为一体) 之间形 成一个均匀的环形磁气隙。电动式扬声器的磁路系统主要分为磁结构、外磁结 构、双磁路结构和屏蔽式磁路结构等几种，内磁结构的磁体位于工作气隙内，其 优点是磁漏比较小。外磁结构的永磁体位于气隙之外，可满足工作气隙直径较大 的要求，但是其磁漏比较大。双磁路结构由磁极相反的两个部分组成，它可以提 高磁间隙的磁通量和扬声器的灵敏度，还可以减少漏磁。屏蔽式磁路结构是对外 磁和双磁路等结构的磁体进行磁屏蔽等防磁处理，使磁漏最小。 振动系统由振膜、音圈、定位支片、防尘罩和折环等组成。音圈是扬声器的 驱动部件，大多数是用漆包线在外圆柱形骨架( 有纸质、铝镁合金和高分子材料 等) 上绕制而成。但音频电流通过音圈时，音圈产生随音频电流而变化的磁场， 这一变化的磁场与扬声器磁体的磁体发生相吸或者相排斥的的作用，导致音圈产 生机械振动，从而带动振膜振动而发出声音。定位支片的外端与扬声器支架相 连，内孑l 与音圈和锥盆相互粘接在一起，它用来保持音圈在扬声器磁气隙中的正 重庆大学硕士学位论文 3 声源的设计 确位置，还可以防止灰尘进入磁气隙内。防尘罩除防尘外，还可以改善扬声器的 高频特性，同时也起到保护振膜的作用。 图3 1 扬声器结构原理图 f i g 3 1s t r u c t u r eo fs p e a k e r 3 2 扬声器的基本参数 扬声器的基本参数主要有额定阻抗、谐振频率、额定功率、频率特性、灵敏 度、失真度、总品质因素、等效质量、等效顺性等【3 6 1 。 1 ) 额定阻抗乙 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 声源的设计 z ，q z m 。 jbj ；h z 图3 2 扬声器阻抗特性曲线 f i g 3 2i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fs p e a k e r 扬声器并不是一个纯电阻，而是一个复杂的阻抗。扬声器音圈既有阻抗值， 也有感抗值。其阻抗值是随着工作频率( 音频信号频率) 的改变而变化的。这种 规律即是扬声器的阻抗特性。如图3 2 所示，随着音频信号频率的增大，阻抗曲 线很快达到峰值，随后衰减至极小值，此时对应的阻抗即为扬声器的额定阻抗值 乙。 2 ) 谐振频率尼 谐振频率是指扬声器所能重放的最低频率，扬声器阻抗特性曲线中对应 的频率即为其谐振频率，它是决定扬声器低频特性的重要参数。 3 ) 扬声器功率 扬声器的功率分为额定功率、最大功率、最小功率和瞬间功率。额定功率是 指能长时问正常连续工作且无明显失真的输入平均功率；最大功率是指扬声器长 时间连续工作时能承受的最大输入功率，一般为额定功率的1 倍至3 倍；最小功 率是指扬声器能被推动工作的基准电功率值；瞬时功率是指扬声器在短时间内所 能承受的最大功率，一般为额定功率的8 倍至3 0 倍。 4 ) 频率特性 扬声器的频率特性是指当输入扬声器的信号电压恒定不变时，扬声器在参考 轴上的输出声压随输入信号的变化而变化的规律。它反映了扬声器对不同频率声 波的辐射能力。 5 ) 灵敏度 灵敏度用来反映扬声器的电一声转化效率，也称为输出声压级。灵敏度高的扬 声器，用较小的电功率即可推动它。扬声器的灵敏度主要采用特性灵敏度表示， 它表示在扬声器的额定范围内，用粉红噪声( 指一种在任何相对带宽内功率相等 重庆大学硕士学位论文 3 声源的设计 的无规律噪声) 信号对扬声器进行测试所得到的声压级大小，单位是d b m w 。 6 ) 失真度 失真度主要表征重放声音与原始声音的差异程度。扬声器的失真主要有谐波 失真、瞬态失真和相位失真。 7 ) 总品质因数q 捃 总品质因数主要反映了扬声器振动系统消耗能量的快慢，即表现了振动系统 的阻尼特性。扬声器的级要适当，否则会出现放音失真增大或瞬态响应变差，还 会影响到音箱的箱体大小和低频响应。 8 ) 等效质量m d 扬声器振动部分的质量( 纸盆和音圈的质量) ，以及鼓动空气发声时产生的附 加质量，这些质量加起来统称为振动系统的等效质量。 9 ) 等效顺性岛 等效顺性表示扬声器悬置系统的松紧度( 即折环和定位支片的柔软程度) 。 高顺性的扬声器，说明其折环和定位支片相对较柔软，振膜受力后的位移较大， 在相同振膜质量的情况下，其谐振频率也较低。顺性的单位是m n 。 3 3 音箱的类型 不同的箱体结构会对声音的辐射和传播产生直接的影响，为了适应不同场合 的需要，音箱结构也演变出了多种样式，其中常见的有密闭式、倒相式、迷宫式 三种音箱。下面就对这三种音箱结构分别进行介绍： a 封闭音箱b 倒相式音箱c 迷宫式音箱 图3 3 不同的音箱结构 f i g 3 3l o u d s p e a k e rb o x e s 重庆大学硕士学位论文 3 声源的设计 密闭式音箱如图3 3 中口所示，它是在封闭的箱体中装入喇叭单元，其结构特 点是扬声器的振膜前后被分隔，可有效避免声短路和相互干涉现象。其瞬态响应 和低频力度较好，但要求箱体的刚性要强，扬声器的谐振频率要低，吸声材料的 吸声系数也较大。密闭箱中扬声器振膜背部的声波不能得到利用，其放音效率相 对较低。 倒相式音箱的箱体如图3 3 中b 所示，它是在密闭箱的前( 或后) 面板上开设 一个倒相出音孔，并在倒相孔上安装一段倒相管而成。它利用音箱内容积与倒相 管的关系来调节扬声器背部辐射的声音，在调谐频率上产生共振，使这部分声音 从倒相管中辐射出去以加强低频下潜和声辐射。倒相箱的特点是低频下潜深，非 线性失真小，承受功率较大，灵敏度高，但是容易产生共振，并且制作和调校相 对比较复杂。 迷宫式音箱也称传输线式音箱，如图3 3 中c 所示，它是将扬声器背后的箱体 制作成声学导管。其扬声器振膜后面辐射的声波经过迷宫式共振腔共振后，反馈 给振膜背面一个声压负载，再经下部的开口处发射出去。迷宫式音箱的特点是频 带较宽，低频下限的振膜有所提升，但速度感和瞬态响应较差。 3 4 扬声器的选型 经历了近一个世纪的飞速发展，扬声器的生产和设计已日趋成熟，其间涌现 出了一大批著名的生产商，其中比较有代表性的是美国的j b l 、博士，英国的天 朗、b & w 以及丹麦的尊宝、丹拿等。国内比较著名的有惠威、漫步者等，其中 惠威作为国内第一家专业的扬声器生产厂家，在经历十多年的高速发展后现已成 为世界顶级扬声器制造商，它的产品几乎覆盖了所有的扬声器类型，由于采用了 最新的设计理念和领先的制造技术，惠威扬声器具有很高的重放品质。此外，惠 威扬声器性价比高、购买和维修都很方便，本文中的音箱采用的就是该种扬声 器。 常用惠威扬声器如表3 1 所示，其种类繁多，包含超低频、低频、中低频、中 频、中高频、高频和全频7 种类型。在选择扬声器时，其尺寸和性能参数应该满 足以下要求3 7 】【3 8 儿3 9 j ： 1 ) 在满足谐振频率的条件上，扬声器的振膜表面积应该尽量与管道截面积相 当，最小不能低于管道截面积的2 3 ； 2 ) 在1 0 0 h z 3 0 0 0 h z 频率范围内，扬声器有比较平稳的频响曲线，较高的灵 敏度以及较低的失真。 需要指出的是，若扬声器的振膜面积与管道截面积相等，振膜在振动时振速 轴对称，在这种理想情况下管道中是平面声波传播，并且不会存在截止频率，这 重庆大学硕士学位论文 3 声源的设计 对于整个声源系统的设计是十分有利的。此外，在扬声器性能满足要求的情况 下，应该尽量选择尺寸较小的扬声器，若选择较大的扬声器，一方面会使音箱与 管道连接困难，需要增加过渡段，影响声源质量。还会导致音箱体积过大，隔音 困难，使背景噪声增大，甚至还能引起管道的有害振动影响测量的精确性。 表3 1 惠威扬声器性能参数 s 5 4 76 09 0 1 0 2 5 s s 6 5 s 6 5 b g 5 n d 6 g d 5 g f 5 b n f 5 b a f 6 n f 5 n f 6 f 5 m 5 a m 6 n m 5 n m 4 n m 3 n s 6 n s 5 n s 4 n s 5 r s 6 5 r s s 5 r 6 a 9 9 2 7 3 1 7 3 0 5 8 0 5 7 1 8 2 4 8 6 3 8 2 9 8 6 5 6 5 8 8 2 8 1 0 3 8 8 7 l 1 0 5 1 1 0 8 0 1 1 7 2 9 3 1 1 0 0 0 1 0 4 3 7 8 0 9 2 3 1 0 7 7 8 1 1 0 3 3 0 3 9 0 4 2 o 3 3 0 3 8 0 3 8 o 3