（机械工程专业论文）基于gtpower的汽车消声器性能仿真及结构优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车保有量逐年的快速增加，汽车行驶的车外噪声带来了巨大的噪声 污染。同时，车内噪声则严重影响驾驶的安全性和乘坐的舒适性。因此，汽车 的噪声问题受到了越来越多的关注。作为降低汽车噪声的有效方法，汽车消声 器的研发过程也受到越来越多的汽车生产厂家的重视。 利用声学c f d 软件对消声器进行性能仿真和结构优化不受时间和地点的限 制，也不需要过多的人力资源，可以节约大量的试验的人力和物力投入，缩短 消声器的研发时间，节约研发成本，提高研发效率。 本文利用g t - p o w e r 软件对汽车消声器进行仿真分析，主要研究了以下两点 内容： 一、针对单孔的共振腔只在共振频率附近有良好的消声效果，偏离共振频率 之后，其消声效果迅速下降的现象，研究了消声器共振腔隔板开孔对共振腔消 声性能的影响机理，发现在隔板开孔之后形成了两个共振型消声单元的并联结 构，使得整体的消声频带变宽，同时发现随着隔板开孔直径的增大，消声器的 消声频带向高频方向移动。在上述研究的基础上，对某国产车型车内噪声进行 改善，通过声源识别确定车内的轰鸣声是由排气系统噪声引起的，通过分析， 在排气系统整改的过程中，设计了一个共振腔隔板开孔的消声器结构代替原排 气系统的后消声器，最终消除了车内的轰鸣声，改善了车内的n v h 性能。 二、基于对声学四端网络的研究，提出了消声单元串联结构的串联顺序对 消声性能存在影响的假设，其影响机理为不同串联顺序的消声单元串联结构其 声学四端网络传递矩阵不同导致其消声性能不同。并分别通过声学四端网络和 g t - p o w e r 验证了该假设的正确性。在此基础上，对某一型号发动机进气系统进 行设计，通过对未安装消声元件前的发动机加速过程中的进气噪声进行阶次分 析以及发动机额定转速下的频谱分析，为该发动机进气系统设计了四个声学元 件，一个空滤器，一个四分之一波长管和两个共振腔，并确定了其尺寸。最后 通过计算四个声学元件的2 4 种不同安装方式下的进气噪声并相互比较，确定了 一个最优的声学元件安装顺序，达到了进气系统目标噪声控制线的要求。 关键词：汽车消声器，g t - p o w e r ，共振腔，消声顺序 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h en u m b e ro fc a ri n c r e a s e sy e a rb yy e a r , e x t e m a lv e h i c l en o i s ep o l l u t i o nh a s a l s oi n c r e a s e dn o t i c e a b l y i na d d i t i o n ，v e h i c l ei n t e r n a ln o i s ea f f e c t sd r i v i n gs a f e t ya n d r i d i n gc o m f o r t v e h i c l en o i s eh a sb e c o m ea l li n c r e a s i n g l yh o ti s s u et h e s ed a y sa n d d e v e l o p m e n t o fa u t om u f f l e r , a ne f f e c t i v e t o o l f o r r e d u c i n g v e h i c l e n o i s e ， c o n s e q u e n t l yr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o ma u t op r o d u c e r s p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n ds 仃u c t l l r eo p t i m i z a t i o no fam u f f l e ru s i n ga c o u s t i c c f ds o f t w a r ea r ei n d e p e n d e n to nt i m ea n dp l a c ea n dr e q u i r el i m i t e dh u m a na n d c a p i t a li n p u t , s h o r t e n i n gd e v e l o p m e n tt i m ea n di m p r o v i n ge f f i c i e n c y g t - p o w e rs o f t w a r ei su s e di nt h i sa r t i c l ef o rs i m u l a t i o na n a l y s i so fa u t o m u f f l e r t h er e s e a r c hf o c u s e so i l f o l l o w i n gt w os u b j e c t s ： 1 a ss i n g l e h o l er e s o n a t o ro n l yp r o v i d e se f f e c t i v en o i s er e d u c t i o nn e a rt h e r e s o n a n c ef r e q u e n c y , r e s e a r c hi sd o n eo nh o wah o l ei nt h em u m e r sr e s o n a t o rb a 儡e a 虢c t sn o i s er e d u c t i o n , w h i c hr e v e a l st h a tah o l ee x i s t i n gi nt h eb a f f l ew i l lf o r mt w o p a r a l l e lr e s o n a n c en o i s er e d u c t i o nu n i t s ，e x p a n d i n gt h em u f f l e r so v e r a l le f f e c t i v e f r e q u e n c yb a n d i ti sa l s or e v e a l e dt h a tal a r g e rh o l ew i l ls h i f tt h ef r e q u e n c yb a n d u p w a r d b a s e do na b o v er e s e a r c h , i n t e r i o rn o i s eo p t i m i z a t i o nw a sc o n d u c t e do na d o m e s t i cc a l t h r o u g hs o u r c ei d e n t i f i c a t i o n , t h es o u r c eo fi n t e r i o rb o o m i n gn o i s ei s f o u n dt ob et h ee x h a u s tn o i s e a i d e ra n a l y s i s ，am u f f l e rw i t hah o l ei nr e s o n a t o rb a f f l e w a su s e dt or e p l a c et h ep r e v i o u so n ea n de f f e c t i v e l ye l i m i n a t e dt h ei n t e r i o rb o o m i n g n o i s e ，t h e r e b yi m p r o v i n g n v h p e r f o r m a n c eo ft h ec a r 2 b a s e do nr e s e a r c ho nt h ea c o u s t i cf o u r - t e r m i n a ln e t w o r k , i ti sa s s u m e d d i f f e r e n ti n l i n eo r d e r so fn o i s er e d u c t i o nu n i t sw i l la f f e c tt h e i rp e r f o r m a n c e ，i nt h a t e a c ho r d e rh a sad i f f e r e n ta c o u s t i cf o u r - t e r m i n a ln e t w o r kt r a n s f e rm a t r i x t h e a s s u m p t i o ni sf u r t h e rp r o v e nb yt h ea c o u s t i cf o u r - t e r m i n a ln e t w o r ka n dg t - p o w e r o nt h i sb a s i s ，a ni n t a k es y s t e mw a sd e s i g n e df o ra ne n g i n e f o u ra c o u s t i cc o m p o n e n t s w e r ed e s i g n e df o rt h ei n t a k es y s t e mb a s e do no r d e ra n a l y s i so ft h ee n g i n e si n t a k e n o i s ew h e nt h ee n g i n ei sa c c e l e r a t i n ga n dn on o i s er e d u c t i o nc o m p o n e n t sa l ei n s t a l l e d ， a sw e l la ss p e c t r a la n a l y s i so ft h ee n g i n er u n n i n ga tr a t e ds p e e d t h ef o u rc o m p o n e n t s a r e ：a na i rf i l t e r , aq u a r t e rw a v e l e n g t ht u b ea n dt w or e s o n a t o r t h e i rs i z e sa r ea l s o i i 武汉理工大学硕士学位论文 d e t e r m i n e d c o m p a r i s o nh a sb e e nm a d ef o rt h e2 4i n l i n eo r d e r so ft h ef o u ra c o u s t i c c o m p o n e n t st os e l e c tt h eb e s ti n s t a l l a t i o no r d e r , w h i c hh a sm e tt h en o i s ec o n t r o l t a r g e t k e y w o r d s ：a u t om u f f l e r , g t - p o w e r , r e s o n a t o r , n o i s er e d u c t i o no r d e r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 消声器研究背景及意义 随着当今社会的飞速发展，人们生活水平迅速提高，城市交通也变得越来 越繁华，交通工具的种类和数量均日渐增多。近5 年来全国机动车保有量和汽 车保有量数据如图卜1 所示。由图可知，近5 年来机动车保有量从2 0 0 7 年的1 6 亿辆增加到2 0 1 1 年的2 0 7 亿辆，其中汽车保有量从0 5 7 亿辆增加到1 0 6 亿 辆，而且年增长率也越来越高。 2 5 2 厂、 掣1 5 v 梨 1 0 5 0 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 2 0 1 1 年份 图1 - 1 近5 年全国机动车保有量 由于汽车保有量逐年的快速增加，汽车使用给环境噪声带来的压力也日益 扩大。根据外国的统计数据，汽车所辐射的噪声大约占整个环境噪声能量的7 5 n 1 。此外，大量的调研以及测试数据显示，城市交通噪声是当前城市环境中最 主要的噪声源，造成了非常大的噪声污染盥，。 城市交通中的汽车噪声对交通干道沿途的居民区居民的生活、学校师生的 学习、医院病人的治病休养等都会造成巨大的影响，因此( g b1 4 9 5 - 2 0 0 2 汽车 加速行驶车外噪声限制及测量方法对汽车加速行驶车外噪声限值作出规定， 如表1 - 1 所示。其中，汽车所属的m l 类车辆( 包括驾驶员座位在内，座位数不 超过九座的载客车辆) 加速行驶车外噪声不得超过7 4d b 。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 汽车加速行驶车外噪声限制 汽车分类噪声限$ i j d b ( a ) m 17 4 m 2 ( g v m 3 5t ) 或n l ( g v m 3 5t ) ： g v m 2t7 6 2t g 3 5t7 7 m 2 ( 3 5t 5t ) ： p 2t 时： 如果p 1 4 0k w ，p g v m 之比大于 7 5k w t ，并且用第三档测试时，其尾端出线的速度大于6 1k m h ，则其限值增 加1d b ( a ) 。 同时，随着人们生活水平的提高，汽车的车内噪声作为车内n v h ( n o i s e 、 v i b r a t i o n 和h a r s h n e s s ) 性能的重要组成部分，对汽车的驾驶安全性和乘坐舒 适性有重大的影响，受到消费者越来越多的关注。车内噪声过大将严重影响汽 车的舒适性和语言交流的清晰度，使司机情绪变得急躁，乘客容易感到疲劳。司 机长时间驾驶车内噪声较大的车辆会导致其听觉损失，甚至会造成司机对各种 信号的识别能力变低从而导致车祸。所以近年来，由于汽车噪声对消费者的购 车选择的影响逐渐增大，众多汽车企业都视汽车噪声为评价汽车品质的一个主 2 武汉理工大学硕士学位论文 要指标，在降低汽车噪声方面逐渐加大了研究力度。 汽车噪声包括发动机噪声、传动系统噪声、轮胎噪声、制动噪声和车体产 生的空气动力噪声等口1 ，其中，发动机排气噪声是汽车噪声的主要组成部分，约 占3 0 ，发动机进气噪声也是汽车噪声的主要组成部分之一。因此，降低汽车进 排气噪声是降低汽车噪声的首选目标。为了降低进排气噪声，可以对噪声源进 行控制，但这往往会影响发动机的动力性和经济性等参数。所以目前普遍采用 的方法就是安装具有优良性能的进气消声器和排气消声器。 将消声器装车之后，会对汽车发动机产生两个方面的影响。一方面，降低 了进排气噪声，使得车内外感受到的噪声的影响有所减小，达到降噪的要求； 另一方面，由于消声器安装之后使得发动机排气不顺畅，增加了排气的阻力， 排气背压会有所增高，这会影响到发动机的输出扭矩和增加发动机耗油量，使 发动机的动力性和经济性变差。一般来讲，消声器内部结构复杂程度越高，消 声器的降噪效果就会越好，但是随之而来的功率损失越大，经济性也就越差。 因此在设计消声器的过程中要兼顾声学性能和动力性能两个方面，简单来说， 就是消声器的降噪性能要好，但是内部结构要尽量简化。 一般汽车消声器的设计步骤如下： ( 1 ) 查阅汽车使用地区有关汽车噪声的标准和测量方法； ( 2 ) 分析汽车发动机的进排气噪声频谱，根据相关标准确定进排气消声器 所要达到的降噪量和频率区间； ( 3 ) 根据消声器需要达到的降噪指标以及装配需要，参照同等车型消声器 的结构和相关试验数据，采用相应理论计算模型对消声器的降噪量和压力损失 进行计算，从而得到消声器的结构和尺寸，并生产少量消声器用于试验； ( 4 ) 按照相关测试标准进行消声器安装后的台架试验和整车试验： ( 5 ) 根据试验结果对消声器结构进行优化，确保最终测试结果满足相关测 试标准要求。 目前国内很多的中小型消声器生产厂家，其在进行消声器设计过程中，在上 述第三步中多采用参照以往的设计经验或者借鉴国内外同等排量发动机的消声 器结构，然后在第四步过程中进行大量反复的消声器的发动机台架试验，以此 来对消声器结构进行改进和完善，这样导致消声器的开发时间偏长，效率低， 研发和制造成本提高，也延长了整体车型的研发时间。 随着计算流体力学( c f d ) 的发展，利用c f d 软件来仿真分析工程实际中的 流场问题越来越普遍。汽车进排气系统涉及到的流场有声场、温度场和压力场 武汉理工大学硕士学位论文 等，利用相应的c f d 软件可以对这些流场的分布情况进行分析，并可以依据分 析结果进行优化设计。如利用一些声学c f d 软件不仅可以对单个消声器的结构 进行设计和优化，还可以进行发动机台架试验和整车噪声试验的模拟。这样利 用计算机进行的仿真分析不受时间和地点的限制，也不需要过多的人力资源， 因此可以节约大量的试验的人力和物力的投入，缩短消声器的设计和试验的时 间，进而缩短消声器乃至整体车型的研制时间，节约研发成本，提高研发效率。 1 2 消声器的研究现状 国外在消声器方面的研究开始的比较早，1 9 2 2 年，美国的s t e w a r t h l 率先把 电子滤波器应用到消声器的研究领域中，使用电子滤波器来滤掉声波，并以此 为基础建立了声滤波器理论。1 9 5 4 年，d a v i s 璐3 等人发表了有关消声器理论研究 论文，以一维波动方程为基础，分析了无气体流动条件下的单级和多级扩张腔 以及旁支共振式消声器的声学性能。1 9 5 8 年，i g a r a s h i 等人以四极子参数为基 础，忽略流速和温度梯度对声波造成的影响，将整个声波内部的传播简化为等 效电路，以此来分析消声器的传递矩阵。之后又陆续有学者研究了气体流动和 温度影响下的消声器声学性能拍 引。正是由于上世纪2 0 年代到9 0 年代大量的 对消声器的消声机理、流场和温度场方面的研究，加之现代计算机技术的飞速 提升和大量数值计算方法的广泛应用，让使用计算机模拟仿真消声器的声学特 性以及其他特性成为可能。随着国外研发的多种可用于声学特性模拟软件的推 出，利用相关模拟软件对汽车进排气系统及消声器结构和性能方面进行的研究 也日渐增多。 日本的t a k a s h iy a s u d a 膪3 利用一维声学软件g t p o w e r 计算了排气尾管噪声， 并通过试验验证了模拟的准确性，同时提出了一种消声器的简化计算模型，可 以大幅缩短软件的计算时间。h i r o s h ih o r i k a w a 则利用一维声学软件w a v e 计 算了发动机进气噪声和动力性能，并进行了试验验证。而m o t o h i k on i s h i m u r a u 等人利用了w a v e 和s t a r - c d 对两种不同结构的摩托车消声器进行了比较和分 析。 在三维c f d 软件方面，f l u e n t 的应用比较广泛，l ul i r o n g n 幻等人利用f l u e n t 对汽车排气消声器的内部流场进行分析，并对消声器结构进行了优化。j i a n h u a f a n g n 3 1 等人利用f l u e n t 分析了不同气流速度下的消声器内部压力损失，并进行 了试验验证。x i a n j u nh o u n 们等人利用f l u e n t 分析了消声器内部的温度场和压 4 武汉理工大学硕士学位论文 力场，并在此基础上对消声器结构进行改进。 g m o n t e n e g r o 和a o n o r a t i u5 1 6 3 采用了一维c f d 和三维c f d 软件耦合分析 的方法对汽车消声器进行分析。此外，还有一些学者n 7 1 鲫利用f l o w m a s t e r 和s c t e t r a 对消声器声学性能进行分析和研究。 在国内方面，国内学者利用不同的仿真软件对一些基本的消声单元，如扩张 腔、穿孔管、共振腔等的声学性能也作了不少研究。白云通过g t p o w e r 软件 研究了扩张式消声器的扩张比以及插入管的长度和位置对消声性能的影响；邓 兆祥啪1 通过a n s y s 分析了扩张比对扩张式消声器压力损失的影响；毕嵘隆利用 s y s n o i s e 研究了多个共振腔串并联对其消声性能的影响；季振林乜2 3 研究了直通 穿孔管消声器的穿孔率对其消声性能的影响。对复杂消声器的声学性能进行模 拟的研究也慢慢出现，刘晨通过g t - p o w e r 分析了温度和气流速度对消声器声 学性能的影响以及复杂消声器结构形式对压力损失的影响；曹玉煌乜铂利用 s y s n o i s e 研究了消声器隔板上进口管、出口管以及开孔的布置位置对消声器消 声性能的影响；赵骞瞵3 利用g t - p o w e r 研究了阻性消声器穿孔率和吸声材料填充 密度对发动机性能的影响。此外，侯献军、颜伏武口7 确1 、江洪汹3 等人均利用 g t p o w e r 对汽车或摩托车消声器做过优化设计。 1 3 课题来源及本文的主要研究内容 本课题来源于与湖北通达股份有限公司有关汽车排气系统性能优化及理论 研究方面的合作项目。主要是希望在试验的基础上，通过g t - p o w e r 软件对汽车 消声器的内部结构进行分析和优化，找到一些对消声器设计和开发有帮助的结 论和规律。 本文的主要研究内容有两点： 一、针对单孔的共振腔只在共振频率附近有良好的消声效果，偏离共振频率 之后，其消声效果迅速下降的现象，研究了消声器共振腔隔板开孔对共振腔消 声性能的影响机理，并以上述研究为基础，在某国产s u v 车型的排气系统改进 中使用共振腔隔板开孔消声器对排气系统进行改善。 二、基于对声学四端网络的研究，发现了消声元件串联结构的串联顺序对 消声性能的影响机理。利用g t p o w e r 对某一型号发动机的进气系统声学元件进 行尺寸设计和安装顺序优化，证明了消声元件串联结构的串联顺序对消声性能 的影响，同时得到了该发动机进气系统的声学元件的最优安装顺序。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车消声器设计基本理论 2 1 汽车消声器的设计与评价啪一1 1 消声器是一种能够阻碍声波传递同时能够保证气流通过的产品，是消除空 气动力性噪声的重要装置。在空气动力设备的气流通道上或者发动机进、排气 系统中装上消声器后，能够有效地减小噪声。一个结构得到合理设计的消声器， 能够达到气流噪声减小2 卜4 0d b 的效果，可以使响度降低7 5 以上。因此，消 声器在噪声控制领域应用十分广泛，特别是在汽车发动机的迸排气系统中。 2 1 1 汽车消声器的设计要求和评价指标 ( 1 ) 声学性能。汽车消声器的首要目的就是消除噪声，因此消声器要求具有 较高的消声值和较宽的消声频率范围，同时还要避免产生气流再生噪声。消声 器声学性能的评价指标一般有三个，即插入损失( i n s e r t i o nl o s s ) ，传递损 失( t r a n s m i s s i o nl o s s ) 和降噪量( n o i s er e d u c t i o n ) 。 插入损失是汽车进排气系统中安装消声器之前和之后，在气流出口测量点 测量到的声压级之间的差值。如图2 1 所示，安装消声器前，用一段直管代替 消声器测得排气管出口声压级为l p ，安装消声器后测得排气管出口声压级为 l p 2 ，则消声器的插入损失为： i l = l p l 一l p 2 ( 2 - 1 ) 插入损失体现的是整个进排气系统包括发动机在内的声学特性，因此是描 述整个系统消声效果的最佳表达方式。同时由于其现场测量比较简单，也是排 气系统厂家最容易获取，使用也最广泛的一个特征量。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 插入损失计算示意图 l p l l p 2 传递损失是指消声器入口处的入射声功率级与出1 ：3 处的透射声功率级之 差。如图2 2 所示消声器入口处的声功率级为w 。，出口处的声功率级为w 2 ，则 消声器的传递损失为： t l = i o l g ( w ，w 2 )( 2 - 2 ) 传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特征，它只与消声器自身的结 构有关。适合用来作一些理论分析，也用来评价单个消声元件的消声效果或者 初步评估系统的消声性能。 图2 2 传递损失计算示意图 7 武汉理工大学硕士学位论文 降噪量是指消声器前后的声压级的差值。如图2 3 所示消声器入口处的声压 级为l p 。，出口处的声压级为l p 4 ，则消声器的降噪量为： ( 2 - 3 ) 消声器的降噪量计算中包含了反射声的影响，容易受到环境的影响，一般 用来在试验台上对消声器性能进行测量分析，在现场测量中则很少用到。 图2 - 3 降噪量计算示意图 ( 2 ) 空气动力性能。气流流经消声器时，会受到阻力，这样消声器中的流体 压力会上升。如果消声器入口处和出口处的压力差值太大，气流流通的阻力会 增加，使得发动机能量损耗增加，同时在气体流速很高时，摩擦引起的噪声会 很大。因此消声器对气流的阻力要小，安装消声器后所增加的阻力损失要控制 在实际允许的范围内。常用的消声器空气动力性能评价指标有两个：压力损失 和功率损失。压力损失一般用消声器入口处和出口处的全压之差来表示，功率 损失用消声器安装前后的发动机功率之差与安装消声器之前的发动机功率的比 值来表示。 ( 3 ) 机械结构性能。消声器的材料应该坚固耐用，要具备耐高温、耐腐蚀性 能，工作要可靠，使用寿命要长。此外，消声器壳体及内部隔板刚度要好，以 防激发强烈振动，辐射出噪声。 ( 4 ) 外形和尺寸要求。消声器的外形尺寸应与整车协调，汽车进气消声器受 到汽车发动机罩的空间限制，一般由简单声学原件组成，如空滤器，共振腔， 囝 武汉理工大学硕士学位论文 ， 四分之一波长管等，排气消声器尺寸则受到汽车底盘空间限制，很多排气消声 器都设计成又扁又平的椭圆形。 ( 5 ) 工艺性要求。汽车消声器应该尽可能结构简单，具有良好的工艺性，制 造成本要低。 2 1 2 消声器的分类3 2 1 消声器可以分为主动消声器、半主动消声器和被动消声器。主动消声器有 一套电子控制系统，可以通过对噪声源的分析后产生一个与声源声波幅值相等 而相位相反的声波，这样两个声波相互抵消从而达到消声效果。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，消声器的消声效果可以由气 流来调节。由于主动消声器成本太高，在汽车进排气系统中应用很少，绝大部 分都是不含电子控制系统的被动消声器。 被动消声器按照消声机理，可以分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合 式消声器三类。 ( 1 ) 阻性消声器 阻性消声器是利用在管道内适当地布置多孔性吸声材料，部分地吸收管道 中传播的声能，类似电路中电阻的作用。阻性消声器的特点是在中、高频范围 内具有良好的消声效果。但是多孔性吸声材料耐高温、耐腐蚀性较差，且其微 孔容易被废气中的炭灰和油泥阻塞，从而失去其消声效果。因此在国外市场， 阻性消声器在汽车进排气系统中很少应用，而在国内市场，由于消声器设计水 平的相对落后，发动机高频处的排气噪声没有更好的办法解决，因而阻性消声 器的应用相对要多一些。 ( 2 ) 抗性消声器 抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道和腔体的适当组合，造成声波在 系统中传播时阻抗失配，使声波在管道或腔体内发生反射和干涉，从而降低了 声波输出的声能。和阻性消声器的消声频段不同，抗性消声器的消声频带较窄， 在中、低频消声效果较好，高频时则较差。抗性消声器可以加工成全金属结构， 其结构简单，耐高温性和耐腐蚀性好，对气流冲击的承受能力也好，成本低， 寿命长，因而在汽车进排气系统中得到了广泛的应用。 汽车进排气系统中的抗性消声器内部结构形式多样，但其基本单元只有两 种：扩张式消声器和共振式消声器。扩张式消声器结构如图2 - 4 ( a ) 所示，当 9 武汉理工大学硕士学位论文 气流通过时得到突然扩张，从而消耗掉一部分声能，当气流再次收拢时，一部 分声波和气流又会反射回来，如此进行下去，总有一部分气流和声波作往复运 动，使相当一部分声能被消耗掉，从而使噪声得到衰减。共振式消声器结构如 图2 4 ( b ) 所示，在气流管路中设置一个与其相通的封闭空腔，二者通过一段 孔道连接。当气流经过小孔时，小孔孔颈中的气体在声压作用下像活塞一样往 复运动，使声波与孔颈壁面相互摩擦，一部分声能转化为热能，当气流声波频 率与封闭空腔自振频率相同时，将发生共振，此时消耗声能最多，噪声衰减最 大。 ( a ) 扩张式消声器( b ) 共振式消声器 图2 - 4 抗性消声器结构 ( 3 ) 阻抗复合式消声器 阻抗复合式消声器是把阻性消声器和抗性消声器结合起来，故从低频、中 频到高频均具有良好的消声效果。由于阻抗复合式消声器仍具有阻性消声器的 缺点，其在汽车进排气消声器上的应用也受到限制。 2 2 消声器中声传播过程的数学物理描述3 2 2 1 波动方程 作为一种宏观的物理现象，声传播过程同样遵守物理学的一些基本定律， 如质量守恒定律、牛顿第二定律和物态方程等。参考上述基本定律，我们就能 够用数学表达式定量地对声压p 、质点速度v 与密度p 三者之间的关系进行描述， 从而得到声压随着空间和时间的变化关系，建立波动方程。 1 ) 连续性方程 假设有一个微元体，其长、宽、高分别为d x 、d y 、d z ，微元体的体积d v = d x d y d z ， 单位时间内从x 方向流入到微元体的质量为p u ，d y d z ，单位时间内从x 方向流出 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 微元体的质量为( 刖，+ 堕譬出) 方出，其中，u x 是流体在x 方向的速度。这样， o x 净流入到微元体的质量为 ，d y d z 一( p u ，+ 塑譬立出) 方出】_ 一亟譬尘出咖出。 o xc 箔 流体的流入和流出使得微元体内的密度发生变化，由于密度变化而引起的 质量变化为粤出砂出，根据质量守恒定律，介质单位时间内流入和流出微元体 的质量之差等于该微元体的质量变化，则有微元体在x 方向的连续性方程： 粤+ p 警= 0 ( 2 _ 4 ) a ta x 2 ) 运动方程 一个长、宽、高分别为d x 、d y 、d z 的微元体，其质量为d m = pd x d y d z 。假 设微元体沿方向的两侧受到的力分别为胀和( p + 害出) 咖出，则根据牛顿 第二定律，得到微元体在x 方向的动力学方程为： 舭等= p d y d z 七+ 塞撇 ( 2 - 5 ) 简化后得到： p 挚：一呈( 2 - 6 ) p i 一言 从该方程中我们可以看出，声压对于空间位置的梯度等于介质密度和质点 振动加速度乘积的负值。 3 ) 物态方程 听力频率范围内的声波在理想气体中传播时，其波长远大于分子间的距离。 声波在介质中不断的拉伸和压缩，因波动过程很快，拉伸和压缩的周期远小于 热传导所需的时间，质点还来不及与邻近部分进行热交换。因此这些拉伸和压 缩过程可以看成是绝热过程，则有： 器p = 常数 7 ， ( j d + ) k 武汉理工大学硕士学位论文 将上式对时间求导，则有： ( p + p j - 百嘲p 脚) 詈= o ( 2 - 8 ) 根据假设，有p p ，p p _ ，得到最终的物态方程为： 鱼：盟型 ( 2 9 ) a t p a t 式中，k 为绝热指数。在理想介质中，声速可以表示为c ：，塾，则物态 vp 方程可以写成： 望：c z 型 ( 2 1 0 ) a ta t 4 ) 波动方程 根据以上的连续、运动和物态方程，可导出在x 方向的一维声学波动方程： 警= 吉粤a t a 矿c 1 1 同样，我们可以沿着y 方向和z 方向建立各自的一维方程。同时考虑x 、y 和z 三个方向的声波运动，就可以得到三维空间的声波波动方程，表达式如下： 窘+ 窘+ 窘= 吉睾 c 2 m ， 缸2 加2 。昆2c 2 西2 2 2 2 一维平面波理论 平面波是指波阵面为平面，且在传播的过程中各波阵面彼此平行，其声线 为一簇平行线。上面的方程式在三维空间上求解是比较难的，在实际应用中常 可以将方向尺寸为主的结构模型简化为一维平面波。 ( 1 ) 一维波动方程 对于汽车进排气系统中的消声器，其轴向尺寸比径向尺寸大的多，因此为 了便于分析往往将其内部声波近似简化为平面波，即声压p 只和x 有关，一维 波动方程如式2 一1 7 所示。 ( 2 ) 声电类比 声和电都具有波动性，故有类似处。对于平面波有： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 p = 缈= - - 。- 肛u ( 2 1 3 ) 式中s 表示面积，u = v s 称为体积速度。受声压p 而产生体积速度u 的形 态关系与受电压作用而产生电流的电路类似，因此叫做声线路。构成声线路的 基本声学参数如下： 1 ) 声阻：类似电路中的电阻，即式2 - 1 9 中的譬。 2 ) 声质量：在声线路中，声质量表征形成整体振动的介质惯性，当截面积 为s 、长度为，的管子内介质密度为p 时，其质量是p l s ，在力筇作用下产生速 度v ，则有： 茚= 筇去 ( 2 _ 1 4 ) p ：型型 ( 2 一1 5 ) sm 令朋：譬，即为声质量，它类似电路中的电感。 o 3 ) 声容：声容表征着有限容积内的介质的弹性，它类似电路中的电容。依 据类似的推理，当体积v 被声压p 压缩时，声容可以表示为g c ：三( 2 1 6 ) p c 声压类似电路中的电压，体积速度则类似电流，可见声学参数和电学参数 存在着对应关系。根据这种类比，就可以用相对比较熟悉的电路基本理论来研 究声学问题。 ( 3 ) 声学四端网络 在电学中有一个术语叫四端网络，就是将电路的整体或一部分用它们的相 应的外特性参数来表示，而不用考虑其内部的具体情况，这样被表示的电路就 成为具有一组特殊性质的“黑箱，因此可以抽象化电路的物理组成，进行简化 分析。 在声学中，同样为了计算方便，采用与电学中的四端网络法相同的原理， 在消声器声线路的入口管处施加声压p l 之后产生体积速度u l ，然后出口管处产 生声压p 2 和体积速度u 2 ，如图2 5 所示，即构成了声学四端网络。 武汉理工大学硕士学位论文 翰一一：”? 一4 7 一。渤 图2 - 5 声学四端网络模型 根琚心瑞删络计算原理，可以得到上述参数之间的相互关系如下： 雕u 答：b d 参u 【l = c b + 2 一7 转换成矩阵形式有： 阡 罢老 式中，a 、b 、c 、d 即为四端网络参数，这四个参数只与网络内部结构以及 元件参数有关，因此我们可以用包含a 、b 、c 、d 的这样一个传递矩阵i 罢三i 来 表征和计算消声器的消声件能。 2 3g i p o w e r 软件简介 g t p o w e r 软件是美国的g t i 公司开发的用于发动机及其进气系统和排气系 统性能模拟与仿真的维计算流体力学分析软件，g t - p o w e r 可以用来作发动机 稳态工作过程的模拟，比如进排气歧管的设计和调整，气门升程曲线和正时的 优化，涡轮增压器和废气旁通阀的匹配，排气再循环系统管道内的流动，汽缸 部件的熟分析，歧管壁面温度计算，燃烧分析以及污染物的排放分析等等。 g t p o w e r 用来进行发动机瞬态工作模拟时可以完成汽缸部件和排气歧管的温度 变化分析，瞬态空燃比计算，增压器的响应分析，消声器的结构分析和设计， 进气系统和排气系统的噪声计算以及压力损失分析等等。此外，g t p o w e r 还可 以与f l u e n t 、s t a r c d 等三维流体仿真软件进行耦合分析，综合利用g t p o w e r 强大的发动机建模分析功能和三维流体仿真软件对复杂零部件单元( 如进排气 歧管、消声器等) 的精细的建模功能，使得对发动机及其进排气系统的仿真分 析精度进一步提高。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 g t p o w e r 采用的是一维流体动力学模型，以时域分析为基础，采用有限体 积法将计算区域划分为一系列控制体积，这些体积单元之间依靠边界相连，通 过假设每一个体积单元内的标量参数( 如压力、温度、密度、内能、焓等等) 是均匀不变的，来计算上述标量参数以及体积单元相连的边界处的矢量参数， 如质量流量、速度等。g t p o w e r 中涉及到的相关守恒方程有：连续方程、能量 守恒方程、焓守恒方程和动量守恒方程。 和常用的计算流体力学分析软件一样，g t - p o w e r 的仿真分析分为以下步骤： 建立模型，设置边界条件和运行参数，求解和分析。在g t - p o w e r 中，发动机以 及进排气系统的各个零部件，如汽缸、曲轴、气门、管道、催化转化器等等都 被模块化处理，即在软件中已经有设定好的零部件模板，这些模板可以直接在 g t p o w e r 的求解组件g t i s e 中选取，用户只需要在模板中输入这些零部件的结 构参数和性能参数，如各个零部件的尺寸，材料种类等等，然后将这些零部件 按照实际的安装情况连接起来就可以完成发动机及其进排气系统模型的建立。 g t p o w e r 中的边界条件，如声源、端口环境等等也都有相应的模板。 g t p o w e r 中的消声器可以采用实体建模，在g t - p o w e r 的前处理组件g e m 3 d 中可以建立消声器的三维实体模型，然后通过离散化处理，将消声器离散成一 个个微小的体积单元，然后将离散后的模型导入到g t - i s e 中进行计算，其计算 结果可以在后处理组件g t p o s t 中进行分析。 2 5 本章小结 本章对汽车消声器设计的基本知识和理论做了一个总结，包括汽车消声器 的分类和评价，消声器中声传播过程的数学物理描述，最后对本课题所用 g t p o w e r 软件的计算原理和应用做了一个简单介绍。在消声器设计过程中则必 须要了解不同消声器的结构性能和评价指标，消声器中声传播的相关理论和方 程则是消声器结构设计和改进的依据，也是计算机仿真软件分析的核心基础。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章消声器共振腔隔板开孑l 对消声性能的影响 3 1 共振型元件消声性能分析 共振型元件一般结构如图3 - 1 所示，在气流管路中设置一个与其相通的封 闭空腔，二者通过一段孔道连接。当气流经过小孔时，小孔孔颈中的气体在声 压作用下像活塞一样往复运动，使声波与孔颈壁面相互摩擦，一部分声能转化 为热能，当气流声波频率与封闭空腔自振频率相同时，将发生共振，此时消耗 声能最多，噪声衰减最大。共振型元件的共振频率与声速c ，空腔的体积v ，连 接孔道的长度l 以及横截面积s 有关，汽车排气系统噪声与消声器设计一书 中根据声电类比得出共振型元件的共振频率如下： 卜去焉 ( 3 - 1 ) 陈达亮1 等人参考直管内驻波频率计算的修正公式，提出了共振腔修正的 共振频率理论计算公式为f = 圭 z 万 ，其中r 为连接孔道的半径。此 外，阮登芳嘲汹3 等人也对共振腔的共振频率做了修正。 图3 - 1 共振型元件结构 共振型元件的传递损失一般如图3 2 所示，由图可知，单孔的共振腔只对 单一声频有效，在共振频率附近的插入损失很大，但偏离共振频率之后，其插 入损失则迅速下降。因为在共振频率附近的消声量大，共振型元件一般用来消 除汽车发动机噪声中的低频的噪声尖峰，但是当噪声尖峰频带较宽时，单孔的 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 共振腔则不能满足消声要求。因此在实际的消声器设计中，经常采用一些亥姆 霍兹共振体，比如穿孔管和穿孔板，其结构如图3 - 3 所示，其中穿孔管( 穿孔 率较低时) 的传递损失曲线一般如图3 - 4 所示。由于在气流通路上开有许多小 孔，因此使消声频带拉得比较宽。但是受限于汽车底盘空间和消声器的内部尺 寸空间，穿孔管和穿孔板结构只能在一部分汽车消声器中使用，当消声器结构 受限必须采用单孔的共振腔时，如何对既有的结构作进一步改进，使得共振腔 的消声频带能够加大，是值得我们去研究和探讨的问题。 图3 2 共振型元件传递损失 ( a ) 穿孔管 l i l ： i l i ( b ) 穿孔板 图3 - 3 亥姆霍兹共振体结构 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4 穿孔管传递损失 3 2 消声器共振腔隔板开孔对消声性能的影响机理分析 图3 - 5 是一个典型的带共振腔的两腔消声器结构，中间的隔板将消声器分 为两个腔体，q 1 和q 2 。气流从左侧进入经过穿孔管l l ，然后经右侧的出口管 l 2 流出消声器。l l 左侧的穿孔起到一个扩张消声的作用，l 1 穿孔右侧的半截管 道和腔体q 2 组成了一个共振型消声单元，将其命名为g 1 。该消声器尺寸如下： 截面为圆形，直径1 6 8m m ，左侧腔体长1 1 8m m ，右侧腔体长2 4 0m i l l 。 g 1 图3 - 5 典型两腔消声器 为了计算该消声器的传递损失，首先在g t - p o w e r 组件中的前处理模块g e m 3 d 中绘制出该消声器的模型如图3 - 6 所示。同时对消声器进行离散，取管道的离 散长度为2 5i n t o ，腔体x 、y 、z 方向的离散长度均为3 5m i l l ，得到消声器的离散 模型如图3 7 所示。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 6 消声器的g e m 3 d 模型 图3 - 7 消声器的离散模型 然后将消声器的离散模型导入到g t p o w e r 组件中的计算模块g t - i s e 中的 非线性传