（光学工程专业论文）lx150摩托车降噪及消声器优化.pdf

摘要 摩托车发动机排气噪声是摩托车噪声的主要噪声源之一，控制排气噪声的有 效措施就是使用排气消声器。设计高消声性能、低阻力损失的排气消声器已成为 目前排气噪声控制的重要课题。 排气噪声的壳体和气流噪声分离试验可以得到它们各自的贡献度，从而为优 化排气消声器提供方向。排气消声器的传递损失和插入损失试验，可以有效分析 出排气消声器频域的消声量，同时对数值仿真的数学模型进行修正以便在设计消 声器时较准确地计算传递损失和插入损失。安装在发动机上排气消声器进行加速 时的噪声阶次分析试验，能有效分析出排气噪声与发动机旋转激励关系和其它结 构共振产生的噪声。通过这些试验能找出排气消声器存在的问题，确立排气消声 器的设计目标。 本文通过对l x l 5 0 的摩托车排气消声器的壳体和气流噪声分离、传递损失、 插入损失以及发动机台架加速时的噪声阶次分析试验，得出该排气消声器存在较 大的壳体辐射噪声是由结构共振引起的。根据试验结果，对消声器进行了优化设 计和结构改进。利用s y s n o i s e 、g t - p o w e r 等软件各自的优点进行消声器模型 和发动机模型联合仿真计算。通过仿真计算结果，采用了某一方案，并进行了消 声器的试制，通过发动机的性能匹配试验和整车的加速噪声试验，表明该方案达 到了排气消声器的设计目标，使l x l 5 0 摩托车加速噪声符合国家标准要求。 关键字：摩托车排气消声器；排气噪声分离；传递损失；插入损失；g t - p o w e r 、 s y s n o is e a bs t r a c t t h ee x h a u s tn o i o fm o t o r c y c l ee n g i n ei so n eo ft h em a i nn o i s es o u r c e0 f m o t o r c y c l en o i s e ，t h ee a 色c t i v em e a s u r e st oc o n 仃o le x h a u s tn o i s ei su s i n ge x h a u s t m u 用e ri ne x h a u s ts y s t e m d e s i g n i n gam u 御e rw i t hh i g ha n e c h o i cp e r f 0 m 锄c ea n d l o wr c s i s t a n c e1 0 s sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c to ne x h a u s tn o i s ec o n t r 0 1 e ) 【h a u s tn o i s es e p a r a t i o nt e s tc 鲫 g e t t h e i rr c s p e c t i v ec o n t r i b u t i o nf o rt h e o p t i m i z a t i o n o fe x h a u s tm u 用e r t h u sp r 0 v i d ed i r c c t i o n t 1 a n s m i s s i o nl o s sa n d i n s e r t i o nl o s s ，c a ne f f - e c t i v e l y 锄a l y z et h et e s to ff 诧q u e n c yd o m a i no fe x h a u s tm u 用e r a t t e n u a t i o nv o l u m e ，b u tt 0m a t h e m a t i c a lm o d e ii sr e vi s e d ，w h e ni nd e s i g nm u 用e ri s a c c u r a t e l yc a l c u l a t et r 锄s m i s s i o nl o s sa n di n s e r t i o nl o s s n o i o r d e rt i m e s 锄a l y s i so f t e s ti na na c c e l e r a t e de n g i n et e s tb e n c hc a ne 日c t i v e l y 锄a i y z et h ee x h a u s tn o i s ea n d e n g i n er o t a t i n g i n c e n t i v er e l a t o n s 锄do t h e rs t 】r t l c t u r cr c s o n a n c eo ft h en o i s e t h e d e s i g ng o a i so fe x h a u s tm u 御e rw 嬲e s t a b l i s h e d 锄dt h ep r o b l e m so fe x h a u s tm u 用e r w a sf i n db yt h e s et e s t i n g s t m c t u r e陀s o n a n c cc a u s ei a r g e rs h e l lm d i a t i o nn o i h a db e e nf o u n db y e x p e r i m e n ti n c l u d i n gs e p a r a t i o ne x l l 籼s tn o i 、t r a n s m i s s i o nl o s s 、 i n s e r t i o nl o s s 柚d a n a l y s i s o r d e r t i m e so fa c c e l e 豫t i n gn o i s eo ne x h a u s tm u 用e ro fl xl5 0 m o t o r c y c l e a c c o r d i n gt 0t h et e s tr e s u l t s ，t h ed e s i g no ft h em u 用e rh a sb c c no p t i m i z c d 柚dt h es t r u c t u 他o ft h em u 用e rh 髂b e e ni m p r o v e d u s i n gr e s p e c t i v ea d v 卸t a g eo f s y s n o i s e 锄dg t - p o w c rt om u f n e rm o d e l 锄dt h e 朗g i n em o d e lu n i t e dn u m e r i c a l s i m u l a t e d t h r o u g h t h es i m u l a t i o n r c s u i t s ，、ca d o p t e dap l 锄 鲫dw eh a v e t r i a l - p r o d u c e d t h em u m e r t h ed e s i g n9 0 a i sw e r em e tb y m a t c h i n ge n g i n e p e 雨咖a n c et e s t 锄da c c e l e r a t i n gn o i s et e s t t h en o i s ee m i t t e do fl x 15 0m o t o r c y c l e m e e tl i m i tn o i s eo f n a t i o n a ls t a n d a r d s k e yw o r d s ：m o t o r c y c l ee x h a u s tm u 御e r ；s e p a r a t ee x h a u s tn o i s e ；t 随n s m i s s i o nl o s s ： i n s e r t i o nl o s s ； s y s n o l s e ：g t - p o w e r - n - 第一章引言 1 1 噪声及其危害 第一章引言 噪声污染已经成为一个世界性问题。它与空气污染、水污染和固体废物 污染一起成为当今社会的四大公害。环境噪声来源主要包括各种矿企业产生 的工业噪声、建筑工地产生的施工噪声、火车、汽车、飞机等交通工具产生 的交通噪声以及人为活动产生的各种社会噪声等。 机动车交通噪声使居民心情烦恼，不仅影响生活质量和工作质量，而且 引发多种慢性病，在相当程度上危害人们的健康，噪声对人体的危害主要表 现在以下三个方面： 1 对听觉的损伤 大量的调查和研究证明，一个人如果长期处于强噪声环境之中而没有采 取有效的防护措施就会逐渐造成耳聋。只有噪声级在8 0 分贝以下，才能保证 人长期工作不至耳聋。 2 影响人的生理健康 噪声可引起神经衰弱综合症。 大量心脏病的发展和恶化与噪声有着密切的联系，噪声能引起人体的紧 张反应。噪声使肾上腺素增加，从而导致心率改变和血压升高。 噪声对消化系统也有影响，可引起胃功能食欲不振、紊乱、消瘦等。 3 影响人的心理 噪声使人烦躁不安，产生疲劳感，影响精力集中和工作效率，又由于噪 声的掩蔽效应，往往使人不易察觉危险信号，从而造成事故1 1 l 。 在城市机动车辆噪声中，摩托车和轻便摩托车噪声所占比例虽然不高， 但具有刺耳、脉动大的特点，已属于最令人头疼的噪声之一。这一类车辆大 多行驶在市中心居民拥挤的街区，频繁穿行于街道和小巷，离行人和住宅很 近，其危害更甚于其它车辆类。为使摩托车噪声控制的总体效果大于因在用 车保有量增加而导致的噪声增长，必须每隔数年加严一次噪声限值，并辅以 切实可行的执行措施。为此，噪声控制已成为摩托车生产企业的一项重要工 作。 1 2 摩托车的相关噪声标准 降低摩托车噪声，不仅能减少环境的污染，还能减低对人体的伤害。此 外，噪声水平成了除动力性、经济性和排放之外的重要性能指标，直接影响 第一章引胄 产品在国内外市场的竞争能力。 国外工业发达国家自6 0 年代起就对机动车噪声给予足够的重视，制定 了许多法规和标准来控制，如联合国欧洲经济委员会( e c e ) ，欧盟( e u ) ， 日本、美国等主要国家地区。7 0 年代起他们每3 5 年久修订一次相关的法规 或者标准。 我国从1 9 9 6 年发布了摩托车加速噪声限值。随着时间的推移，标准中的 噪声限值越来越严格，目前实施的标准限值( g b1 6 1 6 旺2 0 0 5 1 2 】) 为： 表1 1 摩托车型式核准试验加速行驶噪声限值 发动机排量( v - )噪声限值d b ( a ) m l 第一阶段第二阶段 2 0 0 5 年7 月1 日前2 0 0 5 年7 月1 日起 两轮摩托车三轮摩托车两轮摩托车三轮摩托车 5 0 且8 07 78 27 58 0 8 0 且1 7 58 07 7 1 7 58 28 0 表1 2 轻便摩托车型式核准试验加速行驶噪声限值 设计最高车速i v m ) 噪声限值d b ( a ) 觚 第一阶段 第二阶段 2 0 0 5 年7 月1 日前 2 0 0 5 年7 月1 日起 两轮摩托车三轮摩托车两轮摩托车三轮摩托车 2 5 且5 0 7 37 6 7 l7 6 2 5 且5 0 7 06 6 目前正在报批的标准其限值更严格，而且方法更能模拟实际使用情况。限值 如下： 表1 3 两轮摩托车型式核准行驶噪声试验限值 车辆比功率p m r噪声限值d b ( a ) i 类车 p m r 2 57 4 i i 类车 2 5 5 07 8 第一章引吉 1 3 消声器研究的国内、外现状 1 3 1国内现状 由于我国消声器研究起步比较晚，对消声器的设计以及空气动力性能， 缺乏设计理论和严密的科学方法，导致我国消声器的研制水平相对于国外来 说还是比较落后的，特别是在消声器的动态特性和消声器内部流场上的研究 【3 】。国内企业大多是以一维平面波理论为指导和流体力学简单阻力系数计算 方法，根据相关样品和设计者的经验试制出几种消声器的成品，通过试验的 结果来对消声器评价。这种方法简单直接，但是有时难以满足要求。所以用 二维和三维的分析方法越来越受到关注。 八十年代后期开始，国内很多专家学者对消声器进行了深入研究。赵松 龄、盛胜我重点研究了同轴穿孔管在管道结构中时的声传播特性，并进一步 分析了主管道垂直交叉与穿孔管时的声传播特性，得到了在结构传递矩阵中 比较准确的计算公式【4 】【5 】。 在排气消声器传递矩阵分析基础上，蔡超、宫镇经过分析提出了1 2 种抗 性消声器声学子结构的声传递矩阵，并且通过传递损失作为评价指标，以实 验验证了消声器的声学性制6 1 。 黄其柏等考虑到对消声器性能有重要影响的温度、气流速度，提出了关 于计及气流和线性温度梯度的内燃机穿孔声管的排气消声器的传递矩阵计 算公式，使得传递损失的理论计算结果与试验结果比较接近，但是这里有个 问题就是凭经验设定来确定速度、温度【7 1 。而对于实际消声器，特别是复杂 结构的消声器，其内部流动往往二维或者三维并且有可能是非定常的，那么 对于采用有限元方法进行求解计算相对来说准确些。在发动机排气消声器传 声特性的有限元方法求解计算上有蓝军、郝志勇等在内燃机学报上发表过文 耄【8 1 。 在预估消声器性能上，陆森林、刘红光首先用二维有限元法，通过计算 得出消声器的四端子参数，再利用所求得的四端子参数来进行预估。这样克 服了二维有限元法在对非对称结构消声器不适用的缺陷，并且取得了在计算 结果、理论分析以及试验数据相吻合的良好效果9 1 。 由于目前声传递矩阵法的使用范围仍限于一维平面波传播，但排气消声 器内部的声波本质是三维的，有限元分析方法就显示出其重要作用。王耀前， 陆森林对抗性消声器作了一些合理的假设并建立了抗性消声器的数学模型 和有限元计算模型。通过a n s y s 分析计算，求解出了的消声器声场分布与消 声器内部各点的声压随频率变化的关系i 1 0 1 第一章引言 袁兆成，丁万龙，方华，高峥利用边界元方法，使声模态和声压分布图 相结合，这样就可以准确分析消声结构产生消声低谷的原因，对改进工作做 到有据可依【i l j 。 1 3 2国外现状 消声器的理论涉及流体力学、空气动力学、传热学、振动学、声学以及 内燃机学等多个学科，具有一定的复杂性【1 2 1 。消声器理论最早可以追溯到。 生在美国的s t e w a r t ，1 9 2 2 年，第一个应用声学滤波器的理论对抗性消声器 进行了研究，主要采用集中参数单元近似消声单元，不过这种理论仅在声波 波长远大于消声器尺寸时才成立。后人进一步发展这一声学滤波器理论并得 到了广泛的应用。 d a v i s 【1 3 】等人在五十年代中期采用一维波动方程，利用截面突变处的声 压和体积振动的速度的连续性，对单级、多级膨胀腔以及旁支共振腔进了计 算。 i g a r a s h i 等人在五十年代后期采用等效电路方法对消声器的传递矩阵 进行了计算【m 】。在d a v i s 和i g a r a s h i 的基础上，后来经过大量学者的努力， 使用声传播法计算消声器的传递损失以及利用传递矩阵法计算消声器的传 递损失和插入损失方面有了较成熟的计算方法。 七十年代中期以后，消声器理论研究不仅仅基于基本消声单元。p a n i c k e 等人【1 5 】研究了具有内插管膨胀腔的消声器的声学特性，s u l l i v a n 【16 】等人在考 虑流速的情况下，研究了带穿孔管消声器元件的声学特性以及四极子参数。 p r a s a d 和c r o c k e r 【1 7 】在八十年代初研究了具有平均气流以及具有线性温 度梯度的直管段的四极子参数。这种理论对多缸内燃机排气消声系统具有较 少参考价值。 九十年代，国外有人研究了具有平均流的圆形膨胀腔中的高次模式波效 应，可以用傅里叶级数形式来表达声压，利用推导的四极参数来定量分析传 递损失，而且分别研究了进出口的腔长、位置以及平均流的对流效应对声学 特性的影响。 2 1 世纪，随着计算机技术以及各种数值计算方法的不断发展，使计算机 模拟消声器性能成为了可能，同时各种各样的专业软件也不断产生。在声学 方面，消声器的数值模拟代表软件为比利时l m s 公司的s y s n o i s e 软件和美 国a n s y s 公司的a n s y s 软件。对于流体动力学( c f d ) 方面，是以p h o e n i c e 、 g t p o w e r 等c f d 软件为代表，对分析消声器内部的流场和温度场来说，能准 确地计算出消声器内部气流的流动情况以及压力温度分布情况，使消声器的 空气动力性能和声学性能互相结果从而计算出消声器的最优参数。 第一章引育 与此同时，相关的测试设备以及软件也得到了发展。 - 5 - 第二章摩托车噪声的物理度蹙、评价标准和测量 第二章摩托车噪声的物理度量、评价标准和测量 2 1 噪声的物理度量 噪声作为一种物理现象，可用若干物理量来度量其大小和描述其物理性 质。这些物理量往往与人们的主观感觉无关。利用这些物理量来度量和描述 噪声，我们叫做对噪声的客观评价。当时，噪声的大小又通过人耳被感知的， 人的感觉量与客观的物理量可能不完全一致，因此有必要从人们感受的角度 来度最噪声，这就是我们通常说的噪声的主观评价。 振动是声音的源泉，通常有声源振动体同时有声音发出，但声音传播时 必须要有传声媒质的存在。一定频率和强度的声波通过作用于人耳，这便产 生声音的感觉，声波它是一种机械波。 2 1 1 声压和声压级 在声学测量中，目前直接测量声音的强弱是较为困难的，通常采用声压 来衡量声音的强弱。把某一瞬时介质中的压强相对于无声波时的压强的改变 量我们称为声压。用符号p 表示，单位玩。 声音在传播过程中，声压是随时间迅速起伏变化的，人耳感受到的实际 效果只是迅速变化的声压( 瞬时声压) ，一段时间内瞬时声压的能量平均值 称为有效声压。因为瞬时声压有正负之分，所以有效声压取瞬时声压对时间 t 的均方根值，即： p = 厮 ( 2 - 1 ) 其中：p ，丁时间内的有效声压，儿； p ( ，) ，某一时间t 的瞬时声压，见； 丁，时间，s 。 对于正弦波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以2 。通常所说的声压， 若未加说明，即指有效声压。 正常入耳刚刚能听到的声压( 听阈声压) 是2 lo 5 见( 1 0 0 0 h z ) ，使入 耳产生疼痛感觉的声压( 痛阈声压) 是2 0 见( 1 0 0 0 h z ) ，我们可以看出，从 听阈到痛阙声压绝对值数量之比是1 0 6 ：l ，所以用声压绝对值表示声音强弱 很不方便后来，在声学中我们采用对数标度，即用“级”来度量声压称为声 压级。声压级印定义为： 第二章摩托车噪声的物理文量、评价标准和测蜃 印：2 0 l g 旦 p 6 ( 2 2 ) 其中：助，声压级，d b ； 风，基准声压，取2 1 0 啼p 4 。 由于把声压值相差1 0 0 万倍的变化范围，用声压级表示，就变成了0 1 2 0 d b 的变化范围，而让人方便。 2 1 2 声强和声强级 声音听起来有的响亮，有的轻微，我们通常把这种现象称为响度的不同。 响度是主观感觉到的声音的大小，对于一定频率声音的响度来说，由声音强 弱来决定。衡量声音强弱的物理量我们称为声强。声强是在垂直于声波传播 方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能。声强通常用i 表示，单位为 飞| 磕， 声强实质是声场中某点声波能量的量度，为一个矢量，方向就是声能传 播的方向。通常，距声源越远的点声强越小，是由于声音传播时发生了声波 的衰减、反射、折射等现象的缘故。若不考虑介质对声能的吸收，点声源在 自由声场中向四周均匀辐射生能是，距声源r 处的声强为： ，= 专 ( 2 3 ) ，r r 其中：，距点声源r 处的声强，w m 2 ； 形，点声源声功率，w ； ，距点声源的距离，m 。 声强通常也用声强级表示，声强级定义为： 厶= l o l g ( 2 - 4 ) o 其中：厶，声强级，d b ； j ，声强，w m 2 ； 厶，基准声强，1 0 叫2 w 开。 2 1 3 声功率与声功率级 声压级或者声强只反映空间某点的声学特性，是不能代表声源本身的大 小的，由于离声源远近不同，或者声源所在的空间条件不一样，它的值也不 第二章摩托车噪声的物理度量、评价标准和测屠 相同。当时某一声源在单位时间内辐射的总声能即声功率是一定的。因此， 反映一个声源大小特性主要用声功率来表示。 声源在单位时间内辐射的总声能称为声功率，常用w 表示，单位为w 。声 功率是表示声源特性的一个物理量，声功率越大，表示声源单位时间内发射 的声能越多，引起的噪声越强。声功率的大小，只与声源本身有关。声功率 通常也用对数标度，即用声功率级表示。数学表达式为： 圳0 l g 鲁 ( 2 - 5 ) 其中：l ，声功率级，d b ： 矿，声功率，w ； ，基准声功率，1 0 。1 2 w 。 2 1 4 频率、相位和波长 通常声压、声波是周期变化的，若经过一个周期需要r 秒钟，哪个1 秒钟 内的重复次数为： = ( 2 - 6 ) 这个厂就是频率。声波在区间内沿x 方向。以c 的速度向前传播，一般以 t = o ，x = o 为起点，声波沿x 方向辐射到x 点处，经x c 秒时的状态为： 尸= 己s i n w o x c ) = 巴s i n ( w ，一h )( 2 - 7 ) 己为声压振幅最大值，w 为角频率。式中： 七：竺：堕：望 cca ( 2 8 ) 七被称为波数或者波长常数，五为波长。 2 1 5 噪声频谱 噪声一般都是由多种频率组成的，我们把某一信号中所包含的频率成分， 按其幅值( 或者分贝值) 或相位作为频率的函数做出的分布图，称为该信号 的频谱图。由于一般噪声的频率分布较宽，在实际的频谱分析中，不会对每 个频率成分进行分析。一般正常人的可听范围为2 0 一2 0 0 0 0 h z ，低于2 0 h z 的声 音称为次声，高于2 0 0 0 0 h z 的声音称为超声，入耳对超声和次声都无法感知。 为了测定和研究的方便，人们把可听声分成许多小段，对其进行分析，以满 第二章摩托车噪声的物理文量、评价标准和测量 足设计计算的需要。划分的每一个具有一定频率范围的段落，称为频带或频 程。在划分频程时，往往不是把整个频率范围等分，而是使每一个频率段的 下限频率段与上限频率的比值为确定的常数。可简单表示为： 五：2 一 - ，2 ( 2 9 ) z 为下限频率，h z ；正为上限频率， 倍频程；n = 2 时，称为2 倍频程；n = 1 3 时， 频率z 表达式为： h z ，n 为正实数。当n = 1 时，称为 称为1 3 倍频程。各倍频程的中心 f 一再7 。 jc nj 、j 2 ( 2 - 1 0 ) 其中： 石为下限频率，h z ； 石为上限频率，h z 。 国际上规定的，我们常用的倍频程和l 3 倍频程中心频率见表2 一l 所示： 表2 1 常用中心频率 倍频程( h z )l 3 倍频程( h z ) 6 3 5 0 ，6 3 ，8 0 1 2 51 0 0 ，1 2 5 ，1 6 0 2 5 02 0 0 ，2 5 0 ，3 1 5 5 0 04 0 0 ，5 0 0 ，6 3 0 1 0 0 08 0 0 ，1 0 0 0 ，1 2 5 0 2 0 0 01 6 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 4 0 0 03 1 5 0 ，4 0 0 0 ，5 0 0 0 8 0 0 0 6 3 0 0 ，8 0 0 0 ， 1 0 0 0 0 噪声危害的大小不仅与声音的强度、频率成分及作用时间有关，还与人 的听觉特性及接受噪声者的情绪有关。因而，仅对声音做出客观的计量，并 不能判断某一噪声的危害大小。为此，还需要根据人对噪声的感受程度，对 噪声做出主观评价。 所谓对噪声的主观评价包括两个方面：一个是根据噪声的客观强度、频 率分布、作用时间长短等因素，从人接受该噪声后的主观感受出发，对噪声 第二章摩托车噪声的物理度量、评价标准和测量 状况进行计量与分析；二个是研究与判断噪声对人和环境方面造成哪些危 害，以及危害的程度如何进行分析。 2 1 6 响度级和等响曲线 在噪声物理评价中，声压和声压级是衡量声音强度的量。但人耳对声音 的感受不仅和声压有关，而且也和频率有关，对高频声音感觉灵敏，对低频 声音感觉迟钝。声压级相同而频率不同的声音，听起来可能不一样响。这就 是说，不同频率的声音要使其听起来一样响，应就有不同的声压级。 考虑到人耳的频率特性，依照声压级的概念，引入一个与频率有关的物 理量即响度级，响度级的单位是p h o n ( 方) 。以1 0 0 0 h z 的纯音为基准声音， 其它频率的纯音和1 0 0 0 h z 的纯音相比较，调整前者的声压级，使试听者判断 两个纯音一样响，则称该纯音的响度级( 方值) 在数值上等于那个等响的 1 0 0 0 h z 纯音的声压级。 利用与基准声音比较的方法，就能够测量出整个可听范围的纯音响度级， 得到等响曲线。曲线表示响度级与声压级频率的关系，反应了人耳对个频率 的灵敏度。 号 窘 出 t 1 2 0 。、| |、一1 2 0 p h o n 。l 钐、i 、l 蕊 、 1 一 钐 、 。 - 、l- 、 心蕊s _ l， 么 、 心 、 一 、 心蕊 - j r 钐 、卯i 弋 - - r | 钐 、钳 - 一 一、 _ 一 、。 2 0 、 形 心 、 、 - 、。 、 m a f 一、。 3 1 5i & 3 1 2 52 5 05 l o2 0 4 0 8 0 鞭率h z ) 图2 一l 自由场中等响曲线 加 0 第_ 章摩托午噪卢的物理度肇、评价标准和测最 分析等响曲线可知： 1 人耳对低频声音，特别是1 0 0 h z 以下的低频声音不敏感，而对于高频声 音，特别是2 0 0 0 5 0 0 0 h 在的声音敏感。 2 当声压级小、频率低时，对某一声音来说声压级( 分贝值) 和响度级( 方 值) 的差别不大。 3 当声压级高于1 0 0 d b 时，等响曲线逐渐拉平，说明当声音强度达到一定 程度( 高于l o o d b ) 时，人耳已分辨不出高低频率的声音，声音的响度只 取决于声压级，而与频率关系不大【1 8 1 。 2 1 7 频率计权网络 从等响度曲线出发，在测量仪器上通过采用某些滤波器网络，对不同频 率的声音信号实行不同程度的衰减，使得仪器的读数能近似地表达人对声音 的响应，这种网络称为频率计权网络。就声级计而言，设立了a 、b 、c 三种 计权网络，它们的频率特性如图： 裒1 0 藿o d b 一2 0 柏4 0 一6 0 1i l l c 坤 暑咎 、每 。 ec 。 i i f 9 7 j l f l2 ( 15 01 0 02 ( o5 0 01k2 k5 kl o k ：；：j k ( z ) a ，b ，c 计权网络的衰减曲线 图2 2 记权网络曲线 从a ，b ，c 计权网络的衰减曲线所示得出： 1 a 计权网络是效仿倍频程等响曲线中的4 0 方曲线而设计的，它较好地模 仿了人耳对低频段( 5 0 0 h z 以下) 不敏感，而对于lo o o 5 0 0 0 h z 声敏感的特 点，用a 计权测量的声级来代表噪声的大小，叫做a 声级，单位是分贝( a ) 或d b ( a ) 。因为a 声级是单一数值，容易直接测量，并且是噪声的所有频率 第一章摩托车噪声的物理度量、评价标准和测量 成分的综合反映，与主观反映接近，所以在噪声测量中得到广泛的应用， 并做为评价噪声的标准。但是a 声级代替不了用倍频程声压级表示其它噪 声标准，因为a 声级不能全面地反应噪声的频谱特点，相同的a 声级其频谱 特性可能有很大差异。 2 b 计权网络是效仿7 0 方等响曲线，对低频有衰减。 3 c 计权网络是效仿1 0 0 方等响曲线，在整个可听频率范围内近于平直，它 让所用频率的声音近于一样程度的通过，基本上不衰减，因此c 计权网络 表示总声压级。 经过计权网络测得的声压级分别为a 声级( l a ) 、b 声级( l b ) 和c 声级( l c ) ， 其分贝数分别标为d b ( a ) 、d b ( b ) 、d b ( c ) 。 利用a 、b 、c 三档声级读数可初步了解噪声频谱特性，由图中各种计权网 络的衰减曲线可以看出：当l a = l b = l c 时，表明噪声的高频成份较突出；当 l a _ l b l c 时，表明噪声的中频成份较多；当l a l b l c 时，表明噪声是低频特 性【19 1 。 2 2 噪声的测量 噪声的测量是用相宜的声学测量手段，以获得描写环境噪声或噪声源特 性参量的技术过程。 2 2 1声级计 在测量噪声中，使用最广泛的是声级计。目前使用的有两种声级计，脉 冲声级计和积分声级计。脉冲声级计能测量脉冲噪声，这种声级计符合人 耳对脉冲声的响应及人耳对脉冲声反应的平均时间。积分声级计，能测 量等效连续声级。声级计具有体积小、重量轻、操作简单、便于携带等特点， 适用于测量工矿企业、城市交通及环境噪声。 2 2 2频率分析仪 测量噪声有时需要分析噪声的频率成分，即将噪声的声压级按一列相邻 频带的分布表示出来。这就需要在噪声测量系统中使用对频带具有选择特性 的仪器，这就是频率分析仪。频率分析仪不仅可用于频率分析，而且具有精 密声级计的功能，与其它仪器配合能完成混响时间、吸声材料的吸声系数、 隔声材料的隔声性能以及消声器的消声性能等测量工作。一般噪声测量使用 的滤波仪，通常按频带宽分类，如倍频带滤波仪、1 3 倍频带滤波仪和窄频 带滤波仪等。 第三章摩托车的排气噪卢及消声器性能评价 第三章摩托车的排气噪声及消声器性能评价 3 1排气噪声 发动机排气过程通常分为只有自由排气阶段和强制排气阶段。发动机在 全负荷工作时，汽缸内燃气温度在排气开始时高达8 0 0 1 0 0 0 ，气缸压力在 3 1 0 。一4 1 0 5 p a 之间。这时由于气缸内的压力为排气管内压力的两倍以上， 排气成为超临界流动，通过排气门的气体速度等同于燃气中的声速，一般可 达5 0 0 一7 0 0 m s 。在自由排气阶段，排出废气量可达6 0 以上。这时废气从排 气门以高速冲出，然后沿着排气歧管进入消声器，最后从尾管排入大气，这 样就产生了宽频带的排气噪声 2 0 】。 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有关联，并随着上述因素的增加而提高。排 气噪声会产生二次噪声，这是因为气流通过气道内的传播以及激励气道壁振 动。 排气噪声的频谱包含以下频率成分：以排气次数为基频的排气噪声、排 气歧管处的气流吹气声、管道内气柱共振的噪声、废气喷注和冲击噪声、气 缸亥姆霍兹共振噪声、气门杆背部的卡门涡流噪声和排气道管道内壁面处的 紊流噪声等【2 1 1 。 1 周期性排气的低频脉动噪声。其主要的频率成分是： r n z l 2 丽七 ( 3 1 ) 其中：n ，发动机转速，r m i n ： z ，发动机气缸数； i ，冲程数，四冲程i _ 2 ，二冲程i = l ； k ，谐波序数。 2 排气管道内的气柱噪声。如将排气管视为一段封闭，一段开口，则气柱 共振频率为： 以= 兰产 岛= c 甜 ( 3 - 2 ) 第三章_ | 搴l 托车的排气噪声及消声器性能评价 其中：l ，管道中共振气柱的长度( m ) ，多缸机可取各缸排气管总厂的 平均长度； ，管道中有限波的传播速度，m s ； c ，管道中的声速，m s ： 甜，管道内的气流速度，m s ，当气流速度与声速方向一致时， 前符号位正号，反之为负号： k ，谐波序数。 当正= z 时，即转速 州2 ) 击等 ( 3 - 3 ) 时，管道的气柱共振噪声将显著增加，可以通过调整排气管的长度，使 石、石不一致来降低噪声。 3 气缸亥姆霍兹共振噪声。发动机转速对该噪声没有影响。改噪声源于气 缸内的气体共振。设气缸为一圆柱形的空腔，容积为v ，排气管长度为l ， 气门半径为r ，气缸腔的共振频率为： c 雨 石2 芴、万 ( 3 4 ) 其中：c ，管道内的声速，m s ； s ，排气管截面积，m 2 4 高速气流通过排气门环隙以及曲折的管道时所产生的喷柱噪声、涡流噪 声。频率均在1 0 0 0 h z 以上，随气流速度增加，频率会显著提高。喷柱噪声 和涡流噪声峰值频率可用下式估计： 工= 罟 其中：“，气门流通截面处的流速，m s ； d ，气门直径，m ： s ，斯特劳哈尔数，对喷柱噪声取母= 1 5 2 0 。 ( 3 - 5 ) 第三章摩托车的排气噪声及消声器性能评价 经过大量实验表明，排气噪声的强弱同内燃机的类型、排量、功率、转 速、平均有效压力和排气口的面积是由直接关系的。四冲程汽油机有如下经 验公式： l = 2 8 l g 刀+ 2 0 l g o 1 e + 1 5 l g k + 墨 ( 3 - 6 ) 其中：刀，发动机转速，r m i n ； ，平均有效压力，m p a ； 形，内燃机排量，l ； 墨，与内燃机结构有关的常数。 3 2消声器的种类和性能评价 3 2 1消声器的种类 消声器是一种既允许气流通过又能有效衰减或阻碍声音传播的装置。它 控制空气动力性排气噪声简便又有效。 消声器分为被动消声器、主动消声器和半主动消声器。被动式消声器一 半分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、扩 散式消声器等。在被动消声器里，由于声能会被反射或吸收，从而达到消声 目的。 半主动消声器内有一套被动控制装置。当空气流动状况改变时，通过气 流来调节消声器的消声效果。在摩托车进、排气系统中，绝大多数采用被动 消声器。很少采用半主动消声器。 主动消声器是有一套电子控制系统，它会产生一个与声源声波幅值相等 但相位相反的次声波，通过两个波相互抵消来达到消声效果。由于主动消声 器的成本较高，所以在摩托车上基本不采用，工程实践中也较少采用，仅限 于理论研究【2 2 1 。 摩托车用消声器主要有三类，阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消 声器。抗性消声器又主要分为扩张室消声器和共振腔消声器两种。 3 2 2消声器性能的评价 评价消声器的性能的同时，应考虑声学性能、空气动力性能和结构性能 等方面。 1 声学性能 消声器的声学性能用消声量来表征，消声量有下列四种量度，但通常我 们使用的传递损失和插入损失。 a ) 传递损失k ( 或称透射损失) ：是指消声器进口的噪声能量( 入射声能) 第三章摩托车的排气噪声及消声器性能评价 与消声器出口的噪声能量( 透射声能) 之差。表达式为 k = 1 0 l g 詈= 岛l 一岛2 2 ( 3 7 ) 其中：形，进口声功率，w ： 职，出口声功率，w ； k 。，进口声功率级，d b ； 工，出口声功率级d b ； 消声器的传递损失属于消声器本身所具有的特性，它不包括反射声 的影响在内，受声源和环境影响较小。 b ) 插入损失肛：在系统之外某定点分别测量系统中接入消声器前后的 声级，二者之差为插入损失。 气= & 厶一跳2( 3 9 ) 其中：跳，空管测量的声压级，d b ； s ：尸厶，消声器测量的声压级，d b 。 对于阻性消声器，“插入损失 与“传递损失 相近，而对于抗性消 声器来说，“插入损失，一般要比“传递损失”稍低。插入损失的测量对 现场环境要求不严，适应各种现场测量，所以，用这种方法评价消声器 效果容易被人接受。插入损失值并不单纯反映消声器本身的效果，而是 反映声源、消声器及消声器末端三者的声学特性的综合效果。 2 空气动力性能 排气消声器工作中有几百度高温的高速脉动气流。因此，消声器的 另一项重要指标就是空气动力性能的评价，空气动力性能直接影响到发 动机的性能，以及发动机匹配的问题。如果消声器的阻力过大，会使发 动机的功率损失过大，从而影响到摩托车的动力性和燃油经济性。一般 可以通过消声器与发动机的性能匹配试验来评判消声器空气动力性能的 好坏，它反映了消声器对发动机气流阻力的大小，也即在安装消声器后 发动机排气是否通畅，对风量有无影响，风压有无变化掣2 3 1 。通常以功 率损失比、压力损失和阻力系数作为衡量指标。 a ) 功率损失比 功率损失比是指发动机在最大净功率转速下气门全开时，空管测 量和排气消声器测量的功率差值与空管测量时功率的比值，用百分比表 示，符号：1 ，。 第三章摩托车的排气噪声及消声器性能评价 ，= 1 兰1 0 0 ( 3 1 0 ) 7 = 土_ ；三l u u 垧 ( 3 一1 0 ) 其中： y ，功率损失比； 只，空管测量时的发动机功率，七形； 只，排气消声器测量时的发动机功率，七形。 功率损失比反映了消声器的阻力损失对发动机性能的影响，由于功 率损失比测量的方便性，因此常被用来评价消声器空气动力性能的好坏。 b ) 压力损失 压力损失又称阻损，指当消声器内存在给定的平稳气流时，消声器 进口端与出口端平均全压之差，单位：p a 。阻损主要分为两大类，一类 是管壁沿程摩擦阻力损失，另一类是局部阻力损失摩擦阻损是由于气 流与消声器各壁面之间的摩擦而产生的阻力损失，大小受局部结构形式、 管道直径和气流速度等因素影响。局部阻损表示气流在消声器的结构突 然变化处( 收缩、扩张等截面) 所产生的阻力损失【2 4 】【2 5 】。 通常，阻性消声器中是以摩擦阻损为主，抗性消声器中是以局部阻 损为主。气流的阻力损失( 无论是摩擦阻损还是局部阻损) 都与动压、 速度成正比，也就是与气流速度的平方成正比。当气流速度增加时，阻 损的增加要比气流速度的增加快得多。因此，如果采用较高的气流速度， 会使阻损增大，这样消声器的空气动力性能变坏。那么在设计消声器时， 从消声器的声学性能和空气动力性能两方面来考虑，应采用较低的气流 速度。 c ) 阻力系数 阻力系数孝的定义为： 善：竺( 3 1 1 )。 只 其中，p ，消声器阻力损失，以； ，通道内气流平均动压，见。 阻力系数是由于消声器内壁面和气流的摩擦、管道弯头、穿孔板、 管道截面突变所引起的。通常，对于确定的消声器，阻力系数一般为定 值，由于测量手段相对复杂，一般只在专用设备上才能测得。 3 结构性能 排气消声器工作在高温、有气流冲击和振动等相对严酷的环境中。 因此，好的消声器除通常具有较好的声学性能、空气动力性能和良好的 机械性能。排气消声器在机械性能方面应尽可能满足以下要求： 第三章摩托车的排气噪声及消声器性能评价 a ) 消声器的材料应坚固耐用，应具有耐高温、抗腐蚀、耐潮湿、耐粉 尘的特性，尤其应注意材质和结构的选择。另外，消声器要体积小、重 量轻、结构简单、便于加工、安装、维修。 b ) 除消声器几何尺寸和外形应符合实际安装空间的允许外，消声器的外 形应美观大方，表面装饰应与车体相协调，体现环保产品的特点； c ) 选材、加工等要考虑减少材料损耗，在具有一定消声量的同时，消声 器价格便宜，使用寿命长。 上述消声器性能评价的三个方面，即相互联系又相互制约，在实际运 用中对这几个方面的性能要求，应根据具体情况做具体分析，并有所侧 重。 第四章1 5 0 摩托车及消声器的相笑噪声测试 第四章15 0 摩托车及消声器的相关噪声测试 4 1 加速噪声测试 4 1 1 测量环境 1 测量场地的声场条件为： 在场地测量区域的中心d 点放置一个无指向的小声源时，以d 点为 球心的半球面上各个方向的声级偏差不超过1 d b ( a ) 。当满足下列条件 时，可以认为测量场地达到了这一声场条件： a ) 在以d 点为基点、半径为5 0 m 的范围内没有大的声反射物，如：建筑 物、围栏、树木、岩石、桥梁、停放的车辆等。 b ) 测量场地表面由混凝土、沥青或类似的坚实材料构成，场地应基本 水平、平整、表面干燥，应无雪、高草、尘土或类似的吸声物覆盖。 囡最小的标准试验路面o 传声嚣( 高度i 2 o 1 ) 图4 1 行驶噪声测量场地、测量区域及传声器布置 i | l 通过测量区域的试验跑道应有1 0 0m 以上的平直混凝土或沥青路面， 路面纵向坡度不大于1 ，跑道路面纹理不应导致过大的轮胎噪声。 试验时除测量人员及驾驶员外，在测量区域内不应有其他人员站立。 | 第p 1 1 章1 5 0 摩托车及消声器的相关噪声测试 测量人员应站在不致影响声级计读数的位置。 2 气象 测量应在无雨、无雪且风速不大于3 m s 的气候条件下进行。测量时应排 除阵风对声级计读数的影响。 3 背景噪声 测量过程中，背景噪声( a 计权声级) 至少应比受试摩托车噪声低1 0 d b ( a ) 。如果背景噪声与受试摩托车噪声之差在1 0 1 6 d b ( a ) 之间，受试摩托 车噪声测量值应减去图2 所示的修正值。 o t 蕾 目 o 受试车嗓声与霄景黑声之整曲( ) 图4 2 背景噪声的修正 4 1 2测量区域及传声器的放置 加速噪声测量区域如图4 - 2 所示。o 点为测量区域的中心，从7 线为加 速始端线，b b7 线为加速终端线，c c 线为行驶中心线。 声级计传声器应放置在d 点两侧，传声器头部端面中心离地高1 2m 0 1 m ，各距c c 线7 5m 0 2m ( 沿c c 线的垂直线测量) 。传声器参考轴 与地面平行，并垂直指向c c 线。 4 1 3档位及进线车速的选择 档位：受试车变速器前进挡位为5 个或5 个以上，用第三挡测量。 接近从线的速度： 第四章1 5 0 摩托车及消声器的相戈噪声测试 受试车接近从线时的v 为： 3 4 s ( s 为发动机最大功率转速) 所对应的车速，如果此车速超过5 0 k m h ， 则取v =