（机械工程专业论文）新型消声器研究与设计.pdf

中文摘要 论文题目：新型消声器研究与设计 专业：机械工程 硕士生：田明( 签名) 指导教师：刘晖( 签名) 单位导师：胡永军( 签名) 摘要 在机动车辆的行驶中，发动机的排气噪音和排放污染是非常高的，为降低噪音和减 少排放污染，在机动车辆上都设置有消声装置。但目前常见的各种原理的消声器效果都 不太理想，而且经过消声处理的气体中还含有大量的粒状物、絮状物、油水混合物以及 一氧化碳等有害物质，这些物质直接危害着生态环境。 重型汽车发动机的排气噪声是汽车噪声的主要噪声源之一，也是整车设计噪声控制 中的难点之一，控制和降低排气噪声最有效的方法是在排气系统上安装和使用排气消声 装置。目前排气噪声控制的重要课题之一就是如何设计高消声性能和低阻力损失的排气 消声器。 一般复杂消声器都是由若干个基本消声单元拼接或组合而成，其消声原理为一种或 多种结合设计。消声器初步设计完成后，运用一维流体力学软件g t p o w e r 对其基本消 声单元及其结构性能进行数值分析和仿真计算。本文首先讨论了基本一级扩张式消声单 元、旋延消声单元、混音消声单元、二级分流消声单元、对抗干涉消声单元等基本消声 单元对消声器性能影响，着重分析了消声器结构参数对消声性能的影响，例如扩张比、 扩张腔长度、旋流板长度及角度、混音室大小、分流管长度、穿孔率等对消声性能的影 响，并分析得出了相应的影响变化规律。 在以上研究规律及相关消声器改进设计理论和原则的基础上，计算了陕汽w p i o 型柴 油发动机排气消声器的传递损失数据，根据消声器的验证消声性能，对消声器进行了优 化设计与结构改进。通过g t p o w e r 软件仿真分析，结果表明经改进设计后的新型消声 器消声性能有较大提高和改善。 本文目的是提供一种新型的重型汽车用消声器设计方案，从而提高现有陕西车辆消 声器性能，减少噪音污染。本文对陕汽w p i o 发动机排气消声器进行j ，理论研究、数值分 析和仿真计算验证，为后续重型汽车消声器的设计优化提供了参考资料，并且为重型汽 车消声器的进一步改进优化提供了切实可行的方法，对提高陕汽重型汽车消声器的设计 和分析验证水平具有一定的实际意义。 关键词：机动车；消声器；噪音；g t p o w e r ； 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ： r e s e a r c ha n dd e s i g nn e wm u f f l e r s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：t i a n m m i n g ( s i g n a t u r e ) 一 i n s t r u c t o r ：l i u h u i ( s i g n a t u r e ) h u y o n g ja n ( s i g n a t u a b s t r a c t ：i nt h ed r i v i n go fam o t o rv e h i c l e ，t h en o i s ea n de m i s s i o n so ft h ee n g i n e e x h a u s tp o l l u t i o ni sv e r yh i g h ，i no r d e rt or e d u c en o i s ea n dr e d u c ep o l l u t i o n ，o nam o t o r v e h i c l ei sp r o v i d e dw i t ham u f t i e rd e v i c e m u f t i e re f f e c to ft h ev a r i o u sp r i n c i p l e so fc o m m o n b u ta r el e s st h a ni d e a l ，a n da l s oc o n t a i n sl a r g ea m o u n t so fp a r t i c u l a t em a t t e ri nt h ep r o c e s s i n g o ft h eg a sa f t e rt h em u f f l e r ，f l o cm i x t u r eo fo i la n dw a t e ra sw e l la sc a r b o nm o n o x i d ea n do t h e r h a r m f u ls u b s t a n c e st h a td i r e c t l ye n d a n g e rt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h eh e a v ya u t o m o b i l ee n g i n ee x h a u s tn o i s ei so n eo ft h em a i ns o u r c eo fn o i s eo fc a r n o i s e ，i sa l s oo n eo ft h ed i f f i c u l t i e si dt h ev e h i c l ed e s i g nn o i s ec o n t r o l ，c o n t r 0 1 a n dr e d u c et h e e x h a u s tn o i s ei st h em o s te f f e c t i v ew a yi st oi n s t a l la n du s ee x h a u s te x h a u s ts y s t e mm u f t i e r e x h a u s tm u f f l e re x h a u s tn o i s ec o n t r 0 1i s s u ei so n eo fh o wt o d e s i g nah i g hp e r f o r n l a n e e m u f t i e ra n dl o wr e s i s t a n c el o s s u s u a l l yc o m p l e xm u m e ra r ef o r m e db ys e v e r a lb a s i cm u f f i e ru n i ts t i t c h i n go ra c o m b i n a t i o no fi t sm u f f i e rt h e o r yi so n eo rv a r i o u sc o m b i n a t i o n so ft h ed e s i g n w i l lu s ea o n e d i m e n s i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r eg t - p o w e rm u f t i e rp r e l i m i n a r yd e s i g nc o m p l e t ei t s b a s i cm u f t i e ru n i ta n di t ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fn u m e r i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h i s p a p e r f i r s td i s c u s s e st h eb a s i cl e v e le x p a n s i o nm u f f l e ru n i ts p i ne x t e n s i o nm u f f l e ru n i t ，m i x i n g s i l e n c e ru n i t ，t w os h u n tm u f n e ru n i tc o n f r o n t a t i o ni n t e r f e r e n c es i l e n c e ru n i tm u f ! f l e ru n i t a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h em u f f l e rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h em u f t i e rp e r f o r m a n c e m u f f l e r , f o re x a m p l e ，t h ee x p a n s i o nr a t i o ，t h ee x p a n s i o no ft h ec a v i t yl e n g t h ，t h el e n g t ha n d a n g l eo ft h es w i r lp l a t e ，t h em a r r i a g ec h a m b e rt h es i z eo ft h es h u n tt u b el e n g t h ，p e r f o r a t i o n r a t ep e r f o r m a n c em u f n e r , a n da n a l y z e dt h ec o r r e s p o n d i n ga f f e c tc h a n g ei nt h el a w b a s e do nt h ea b o v es t u d y1 a wa n dr e l a t e dm u f f l e ri si m p r o v e dd e s i g nt h e o r ya n d p r i n c i p l eo f , c a l c u l a t i o no fs h a a n x ia u t ow p io t y p ed i e s e le n g i n ee x h a u s tm u f f l e ri st h ep a s s 1 0 s so fd a t a ，m u f t i e rv e r i f ym u f i l e rp e r f o r m a n c e 。m u f t i e rc a r r yo u tt h eo p t i m i z a t i o no fd e s i g n a n ds t r u c t u r a li m p r o v e m e n t s g t - p o w e rs o f t w a r es i m u l a t i o na n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i m p r o v e dd e s i g nn e wm u f f l e rp e r f o r m a n c eh a si m p r o v e dg r e a t l ya n di m p r o v e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r o v i d ean e wt y p eo fh e a v y - d u t ya u t o m o b i l em u f f l e r d e s i g n t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe x i s t i n gs h a a n x iv e h i c l em u f f i e rt or e d u c en o i s e p o l l u t i o n s h a a n x ia u t o m o b i l ew p 10e n g i n ee x h a u s tm u m e ri st h e o r e t i c a lr e s e a r c h n u m e r i c a l a n a l y s i sa n ds i n m l a t i o nc a l c u l a t i o nt ov e r i f ys u b s e q u e n th e a v y d u t ya u t o m o b i l em u f t i e ri st h e d e s i g no p t i m i z e dt op r o v i d ear e f e r e n c em a t e r i a l a n df o rh e a v y d u t yv e h i c l e sm u f t i e ri st h e f u r t h e ri m p r o v e m e n to fo p t i m i z a t i o nt op r o v i d ear e a l i s t i ca n dp r a c t i c a la p p r o a c h ，s h a a n x i a u t oh e a v y d u t ya u t o m o b i l em u f f l e rd e s i g na n da n a l y s i so fv e r i f i c a t i o nh a sc e r t a i np r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：m o t o rv e h i c l e ；m u f f l e rn o i s e ；g t - p o w e r ； t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 第一章绪论 第一章绪论 噪声污染己经成为一个世界性的问题。它与空气污染、水污染及固体废物污染一起 被列为当今社会的四大公害。环境的主要噪声源包括汽车、摩托车、火车、飞机和其他 交通工具所产生噪声，各种工矿企业所产生的工业类噪声，建筑工地产生的建筑噪音和 人类活动产生的各种社会噪声。 随着城镇建设和交通的飞速发展，各种交通工具的数量是越来越多，产生的环境污 染已成为一个干扰和破坏国民生活的重大问题。特别是在人k 1 稠密的城市，汽车噪音污 染渗透到城市的每一个角落，无时不在破坏城市的和谐氛围，危害居民身体和精神的健 康。2 0 11 年通过监控中国的2 1 4 个大中型城市道路交通噪声发现，8 9 的城市污染严 重，2 2 4 的城市是一个中度污染，5 3 3 的轻度污染，只有不到1 5 4 的城市声音环 境较好。机动车辆总功率比其他类型的动力( 飞机，船舶，电厂等) 总和要高出尽2 0 倍以上左右，机动车辐射的噪声约占整个环境噪声的7 5 ，是目前环境中最主要的噪声 源。因此，降低机动车辆本身的噪声是减少城市环境噪声最主要最根本的途径，无论是 车内噪声还是车外噪声，汽车噪声的控制都已成为重要的研究课题。 考虑汽车噪音的产生机制理，汽车的车辆噪声主要包括：发动机的噪声、进排气噪 声、冷却风扇噪声、动力传动系统和轮胎的噪声，其中的排气噪声足最重要的噪声来源， 占总噪声3 0 以上，这比任何其他的噪声要高1 0 1 5 分贝，控制排气噪声对汽车整体噪 声有重大贡献。因此，为了降低汽车噪声首先要降低排气噪声。尽管存在全球经济危机 的影响，中国的汽车业仍是蓬勃发展，中国的汽车销量2 0 0 7 年为8 7 9 1 5 万辆，2 0 0 8 年 中国的汽车销量为9 3 8 万辆，2 0 0 9 年为1 0 1 9 万辆，预计后期年增长8 6 ，这种增长趋 势也必然带动消声器使用，国内汽车消声器的市场规模在2 0 1 0 年达到约1 7 2 0 万件。预 计随着汽车生产和销售的增长，2 0 1 1 达到约2 3 7 0 万件左右的市场规模。 汽车消声器与其他消声器相比，可以相应的对峰值噪声制定针对性的消声器策略， 其实际效果随着消声器的设计技术的成熟和日益改进而显著变化。但是消音器在减少噪 声的同时也增加排气阻力，增加了压力损失，从而有发动机动力性和经济上的影响。因 此，汽车排气消声器的研究和优化设计，提高消声器消声量和降低功率损耗将具有重要 的社会意义和市场价值，这也正是本文所研究的主要内容。 由于我国目前对消音器的设计，还没有统一的标准规范及标准可以遵照执行，大多 数厂家均根据自己的经验来设计制作，且技术又相对保密的。因此本消音器的设计，经 查阅大量资料，采用多项相关噪声及其控制理论，采用分流旋转、离心甩尘、对撞消音 等消音的原理结合现场实际情况来设计解决噪声问题。本文主要针对目前陕西重型汽车 有限公司重型汽车消声控制中存在的问题，我们经过长期的研究，建立了对该类噪声进 行有效控制的理论及性能良好的消声器，验证性地应用于噪声较大而排气阻力要求严格 的汽车发动机噪声的控制中，并在实际中逐步推广应用，性能良好。 西安石油大学工程硕士学位论文 1 1 汽车噪声危害 噪声通常是由不同振幅和频率组成的杂乱无章的嘈杂声，是指人们不需要并希望用 一定措施加以控制和消除掉的声音总称。噪声属于声波( 在可听范围内的声波，频率为 2 0 h z 2 0 0 0 0 h z ) ，具有声波的一切特征。 城市环境噪声主要来源有交通噪声、生产噪声、建筑噪声和生活噪声等。按声强随 时间分布可分为稳定噪声和非稳定噪声，对城市环境噪声影响最大的是非稳态噪声。交 通噪声是主要的非稳态噪声，可高达城市噪声的7 5 左右。交通噪声的主要声源是机动 车辆( 汽车、电车、摩托车等) ，其中以汽车噪声影响最大。汽车噪声主要来自发动机排 气噪声、机械噪声和轮胎与地面摩擦噪声；此外，还有车辆行驶空气阻力噪声、车体振 动、传动系噪声及, lj j , ) t 声等。交通噪声的大小不仅与时间、车型、车辆流量、行驶速度 和鸣笛有关，也与街道宽度、路面条件、两旁建筑物高度有关。 噪声对人类和环境危害是严重的，白天室外5 0 d b ( a ) ，夜间室外3 5 4 0 d b ( a ) 会 使人产生烦躁感。如长时间在噪声很大的环境中会使人激动、发怒，甚至失去理智；高 于7 0 d b ( a ) 的噪声还会使人易疲劳，影响工作效率，增加工作失误率；产生头晕、头 痛、失眠、记忆力下降等各种病症。噪声对儿童身心健康和智力发展的影响尤其严重。 调查发现，心脏病和溃疡病的发展和恶化与噪声有着密切联系。有试验证明，5 0 7 0 d b ( a ) 会引起交感神经的紧张反应和内分泌系统失调，导致心率加快、血压升高和消 化系统机能变坏。下表是国际和我国的环境噪声标准。 表卜1 环境噪声允许值d b ( a ) i s o 规定的环境噪声允许值 g b 规定的保证健康安宁的环境噪声允许值 适用范围 噪声值 适用范围理想值极限值 寝室 2 0 5 0睡眠3 55 0 生活室 3 0 6 0 交谈5 0 7 0 办公室2 5 6 0听力保护7 59 0 机动车噪声一般是7 0 8 5 d b 的中等强度的噪声，重型车会超过9 0 d b ，由于影响时 间长，危害很大。试验结果表明：在8 8 d b 时，驾驶员的注意力下降1 0 ：在9 0 d b 时， 下降2 0 0 4 。因此，汽车的高噪声不仅会影响周围环境，还会使驾驶员工作效率下降，反 应时间加长，交通事故趋向增加。 1 2 汽车噪声的法规标准 如果没有很好的控制，车辆所造成的噪声往往会超过8 0 d b 。汽车本身的噪声的减少， 不仅能减少对环境的污染，而且也减少噪声对人体的损害。此外，随着汽车市场目益激 烈的竞争，低噪音已经成为乘坐舒适性的一个重要组成部分，因此，现在汽车质量评价， 除了功率，经济性和排放，噪声己列为另一个重要的性能指标。汽车和汽车噪音及其控 第一章绪论 制已引起大家广泛关注。 自2 0 世纪6 0 年代以来，国外工业发达国家的机动车辆噪声控制已经给予了足够的 重视，制定了一些法规和标准进行控制，如联合国欧洲经济委员会( e c e 欧洲经委会) ， 欧洲联盟( e u ) ，日本，美国 美国和其他主要国家和地区2 0 世纪7 0 年代以来，每3 5 年修订一次相关的法规或 标准，已经大幅减少车辆的噪音限制，英国早在1 9 6 0 年就制定了防止噪声法。纽约、芝 加哥、洛杉矶等城市也颁布了的噪声预防及控制法规，1 9 9 5 年欧洲共同体噪声限值从 1 9 7 0 年的8 2d b ( a ) 调整为7 4d b ( a ) ，降低了8d b ( a ) 。 中国从1 9 7 9 年颁布了机动车噪声限值及测试方法国家标准g b l 4 9 5 7 9 和 g b l 4 9 6 7 9 h i 。随着时间的推移，噪声限制标准将更严格，中国的加入世界贸易组织后， 为了适应激烈的市场竞争，增强国内和国外竞争力，于2 0 0 2 年1 0 月1 日，颁布了更严 格的汽车加速行驶车外噪声限值g b l 4 9 5 2 0 0 2 。 1 3 国外现状 汽车消声器的理论涉及到许多学科如气体流量、振动、热传递、声学和发动机的性 能等很多学科，具有一定的复杂性1 。美国斯图尔特首次应用的声学滤波器的理论研究 消声器，消声器理论最早诞生于约1 9 2 2 年，主要采用集中参数单元近似消声器单元法。 这种声学滤波器的理论，后来得到进一步发展和应用。 五十年代，戴维斯( d a v i s ) 哺1 ，使用一维的波动方程，利用截面突变的声压和体积振 动速度的连续性，分别计算单级、多级膨胀室及分支共振腔。五十年代末，五十岚 ( i g a r a s h i ) ”和其他人采用的等效电路方法计算消声器的传递矩阵。在戴维斯和五十岚 基础上，通过大量工作者的努力，在用声传播法计算消声器的传递损失i n 币, j 用传递矩阵 法计算消声器的插入损失和传递损失方面，有了较为成熟的计算公式。 七十年代中期的理论研究基本局限于消声器组件，消音器研究都是有限的。后来 p a n i c k e 1 分析了插管膨胀腔声学特性，s u l l i v a n 1 等分析了穿孔管消声器组件的四极 参数和声学特性，他们的研究的考虑了流量的影响。七十年代后期，e l s h a r k a w y 和 n e y f e h 共同补充了对称膨胀腔的二维分析理论，研究了具有简单膨胀腔的圆形管道中的 声音传播，并在不同腔长比和膨胀比下讨论了膨胀腔的主要作用，把实验结果及解柝结 果进行了比较，结论是二者很相符。 埃里克森( e r i k s s o n ) 实验研究了进口与出口位置的高次模波管和膨胀室消声器模 式波。建议消声器的设计充分考虑高次模波影响对消声器的声学特性的重要影响。i h 和 l e e 对循环膨胀室中高次模的波效应具有的平均流量进一步研究，获得的傅立叶级数表 达式n ，使用推导出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、平均流的对流效应、腔长等对声学特性的影响。 八十年代初，p r a s a d 和c r o c k e 1 2 吲推导出直管四极杆线性温度梯度和平均流量 西安石油大学工程硕士学位论文 的四极子参数。他们两人对多缸体内燃机排气消声系统的声学性能预测结果与实测结果 有很高一致性。 p e a t “引从流体力学的基本方程，推导出了直管段的四极参数表达式。他们对四极参 数的直线部段的插入损耗和一个简单的膨胀室进行了计算，取的线性温度梯度差与对应 的平均温度四极参数的计算结果差别是比较表明，并且插入损耗的差异是小的。p e a t 从 而得出结论：一系列恒定温度单位可以使用的时候，需要考虑的排气系统的温度的变化， 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。 一些学者还尝试用时域方法计算消声器消声器性能司n 引。外国消声器的研究和多侧 重的声场和流场和消声器机理的研究，并重点讨论的消声器内部声场和流场的分布对消 声器性能的影响，目前已建立了相关的二维和三维的有限元法，边界元计算模型等用于 计算的。 1 4 国内现状 相对国外消声器开发，国内消声器是比较落后的，特别是在消声器和消声器内部流 场的动态特性研究。我们的消声器起步较晚，消声器的设计，气动性能，缺乏严格的科学 方法和设计理论“。大多数国内汽车企业的指导和流体力学，简单的风阻系数计算方法 是一维平面波理论的基础上，根据样品和设计经验，试验完成了数个消声器，然后评估 这些消声器的测试结果。虽然这种方法是简单而直接，但在工程实践中往往不能满足实 际的需要，往往会出现较大的偏差。因此，二维和三维的方法的分析得到了越来越多的 关注。 八十年代，国内许多专家和学者对消声器进行深入研究。赵松龄、盛胜我踟n 朝专注 于声音的传播特性，以及管道的结构，包含同轴穿孔管和主管道垂直交叉声音的传播特 性进行了深入分析，并提出了相应的结构声传递矩阵精确的计算公式。 蔡超、宫镇瞳伽两人以消声器传递矩阵分析方法为基础，得出1 2 种拖拉机的抗性消声 器声学子结构的声传递矩阵，以传递损失参数为评价指标，实验验证了两个消声器的声 学性能。 同时考虑到空气流速、温度等对消声器重要影响，黄其柏等人所提出的气流和温度 的变化对消声器性能的影响。并列出矩阵公式，以便理论计算与实验结果更接近的。但 测定的速度，温度只是凭经验设定心”心引。实际消声器是一个复杂的结构，其内部的流动 是二维的。蓝军、史绍熙的发动机排气消声器传声特性的研究中，采用了有限元方法计 算解决晗3 1 。 土林，柳宏光首先使用二维有限元方法，通过使用四端子参数估算消声器的性能， 以克服由于一维理论公式得到计算在高频率区域的高阶波不准确的缺陷，同事也克服了 二维有限元方法并不适用于非对称结构消声器的缺陷，计算结果的理论分析与实验结果 相一致。在此基础上，膨胀消音器的最高有效上限的频率和膨胀室的长度在消音器的性 第一章绪论 能设计上的的影响有较高参考值心“。 张旭、董一身、黎苏采用二维坐标将声压作为未知参数，分析汽车内燃机排气消声 器内二维声场。描述并建立了排气消声器二维有限元模型的，实测结果与计算的插入损 失具有很好的一致性，表明了二维有限元模型是分析排气消声器的有效方法之一并且具 有较高的精度皑。 王均瑶从抗性消声器的实际情况出发提出了一些合理的假设，并且建立了一个消声 器的数学模型，并利用a n s y s 软件建立了消声器有限元模型，根据该模型，在消音器入 口端的负载，声压被施加到获得的消声器的出口端的声压，然后得到的传输损耗的消音 器比汹1 。 马强、季振林、章之滑采用边界元法计算消声器组件四极参数，内燃机四极参数的 整个排气系统的不稳定流动过程中的转移矩阵方法相结合，以及使用的方法的特点，依 靠双重负荷确定声源阻抗和实力的发动机，内燃机排气噪声预测和声学消声性能分析业引。 随着各种数值计算方法和计算机技术的不断发展以及计算能力和计算机容量的不断 提高，为计算机模拟分析消声器性能提供了工具，各种各样的专业软件不断推出并投放 市场，使得消声器的数值模拟成为可能。在声学方面，a n s y s 公司的a n s y s 软件和比利 时l m ss y s n o i s e 软件。 a n s y s 是有限元分析的专业软件，是使用最广泛的有限元分析 软件之一。计算流体动力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a l f l u i d 动力学) ，计算流体力学也越来 越多地在消声器的内部流动和温度场的分析中得到应用，并可以准确获得的消声器的内 部空气流，以及压力和温度分布，使用空气动力学和消声器性能彼此结合声学性能的消 音器，以获得最佳的参数。在过去的十年中，计算流体动力学得到了很大发展，替代经 典的流体力学的近似计算方法和图形方法。所有的问题涉及热交换流体流动，分子的传 输现象，可以通过计算流体动力学分析和仿真的方法。自1 9 8 1 年以来，已经有出现了如 c f d 、p h o e n i c s 、f l u e n t 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、g t p o w e r 等很多商业软件。 经过几十年的发展和理论方法的积累，使用专门的软件来模拟的消声器的声学性能 和空气动力学性能己成为消声器模拟在一个方向上。许多国内和国际知名企业和科研部 门己做了很多的尝试。消声器的主要性能指标是如何真实直观地反映和消声器的设计和 改进的指导，己成为一个关键的许多研究学者的关注。 1 5 研究汽车消声器的目的 随着汽车工业的发展和城市交通的发展，城市汽车保有量不断增加。噪音和废气污 染的范围也迅速扩大，严重地影响人们的工作，学习和生活，过度的噪音和废气排放伤 害人们的生理和心理健康。汽车噪音的方面，人们能够承受的噪音约6 5 分贝。噪音超过 7 0 分贝，会让人感觉不舒服，如果长期暴露在噪音达到或超过9 0 分贝的环境中，会有 烦躁不安，头晕目眩甚至导致噪音心血管疾病的发生。在城市噪声的主要来源有三个主 要组成部分：运输、工厂的生产和建筑施工，交通噪声源是最重要的。各种调查和测量 西安石油大学工程硕士学位论文 结果表明，城市噪音，交通噪音约占7 5 ，其中车辆的影响面最广泛的，而汽车是最重 要的因素。目前世界的噪音控制己经引起人们的高度重视，越来越严格的控制标准和法 规己经制定和颁布，用来控制噪音污染。 自2 0 世纪6 0 年代以来，国外工业发达国家的机动车辆噪声给予足够的重视，制定 了一些法规和标准来控制。自1 9 7 9 年以来，中国的国家标准，发出机动车辆噪声限值及 测试方法g b l 4 9 5 7 9 ，g b l 4 9 6 - 7 9 h 1 。随着的快速发展，社会进步的标准噪音限制日益严 格的，中国的加入世界贸易组织后，为满足国内和国际市场激烈的竞争，提高市场竞争 力，中国在，二o o 二年1 0 月1 日，颁布了更严格的车外加速噪音限制g b l 4 9 5 2 0 0 2 。 来控制与日益严重的汽车尾气污染，汽车尾气排放也推出了一系列的法律和法规，世界 各国早在六十年代和七十年代的汽车尾气排放系统的法规，通过严格的规定，以促进汽 车排放控制技术，车辆排放控制技术的不断提高，汽车排放标准逐步提高。欧洲( e c e ) 和欧洲经济共同体( e e c ) 的排放指令，欧共体( e e c ) 即是现在的欧盟( e u ) 的排放法 规欧洲标准。排放法规由e c e 参与国自愿认可排放指令e e c 或e u 参与国强制执行。汽车 排放的欧洲法规( 指令) 标准，直到1 9 9 2 年实施的一些阶段。欧洲从1 9 9 2 年起开始实 施欧i ( 欧t 型式核准排放限值) 。自1 9 9 6 年以来，欧i i ( 欧洲型号认证和生产一致性 排放限值) ，从2 0 0 0 年实施欧i i ( 欧i i i 型式认证和生产一致性排放限值) 。2 0 0 5 年生效 欧( 欧型式认证和生产一致性排放限值) 。2 0 0 9 年自实施欧v 标准，2 0 1 4 年实施的 欧v i 标准。与国外先进国家，中国的汽车排放法规开始较晚，水平较低，根据中国的实 际情况，开始从八十年代初采取第一个分阶段实施的具体方案，汽车排放国标与欧洲标 准是基本是相同的。欧洲标准是略高于国家标准。 考虑汽车噪音的产生机制理，汽车的车辆噪声主要包括：发动机的噪声、进排气噪 声、冷却风扇噪声、动力传动系统和轮胎的噪声，其中的排气噪声是最重要的噪声来源， 占总噪声3 0 以上，这比任何其他的噪声要高1 0 1 5 分贝，控制排气噪声对汽车整体噪 声有重大贡献。因此，为了降低汽车噪声首先要降低排气噪声。同时，面对日益严格的 排放标准，以及增加重点汽车噪音污染，汽车的n v h ( 噪音，振动，平顺性) 已经成为 一个重要的指标衡量产品的质量，在制造商开始越来越重视n v h 问题。因此，研究汽车 消声器并进行优化设计，降低了整车的噪音和减少噪音污染具有重要的社会意义和应用 价值。 安装消声器后，发动机会产生两方面的影响，首先，降低排气噪音，二是增加排气 阻力，提高了排气背压，从而影响发动机的动力性和经济性。消声器的消声在正常情况 下，更好的性能和它的组合物是更复杂的，并且相应的功率损失更大。一般的功率损失 的消声器中的3 至8 ，和在消音器允许有较大的功率损耗大。匹配的小功率发动机， 但在消声器必须具有较低的功率损耗。 随着科学和技术的进步，车辆噪音和废气排放水平己成为一个重要的指标，以衡量 汽车性能质量。消声器的设计和开发在近几年汽车行业的广泛关注，并直接影响国内外 第一章绪论 市场的竞争力。因此，研究汽车消声器进行优化设计，降低了整车的噪音和减少噪音污 染具有重要的社会意义和应用价值。 首先，噪声对环境的污染及车辆噪声排放法规已经得到人们的不断关注，汽车排气 噪声是主要噪声源，必须进行严格控制，为了减少对环境的污染要进一步改善消声器的 消声性能。 第二排放法规要求降低二氧化碳的排放量，要尽量减少发动机的能量损失，这就需 要降低的消声器的功率损耗，但只要是在发动机运行就会有能量损失，这部分是必要的 交换，但其长长期积累的结果不能被忽略，因此，在消音器的功率损失应该是尽可能少， 以减少能量损失。 第三，陕西重型汽车有限责任公司是重型卡车生产的主力厂家之一，预计年产1 0 1 5 万量，在未来几年将大幅增长。作为主机生产企业，响应国家低碳经济的号召，应发挥 主导作用。如果突破噪声和低排放的控制，将有助于公司成长并成为新的增长点。 1 6 研究汽车消声器的意义 车辆总的噪声随类型、车速和载重量变化而不同。在正常情况下，在没有进气和排 气消声器的情况下，排气噪声是发动机的最大噪声源，第二是进气噪声，风扇噪声与其 噪声是非常小的噪声。近年来，随着制造技术和加工手段的提高，发动机的燃烧噪声及 机械噪声己被有效地控制业。发动机噪声的主要组成，据统计，排气噪声约占总噪声3 0 左右，排气噪声往往高于其他的发动机噪音1 0 1 5 分贝( a ) 瞳圳，用排气消声器控制汽 车的排气噪声是切实有效的降噪措施。 重型汽车排气污染是指汽车排放的有害气体引起的窄气污染。主要有害气体为一氧 化碳、氮氧化物、碳氢化合物、二氧化硫等。因汽油品种、汽车载重量、发动机性能、 道路状况、气象条件等因素，其数量和种类不同。由于汽车的排气高度处于人的呼吸带， 故排气污染对人体健康危害很大。需在消声器增加减排装置，降低污染。同时，面对越 来越严格的排放标准以及人们对汽车噪声污染关注度的提高，汽车的n v h ( n o i s e ， v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 已经成为衡量产品质量的重要指标之一，各生产厂商也开始日益 注意n v h 问题。如1 。所以研究汽车消声器并进行优化设计，对于减少汽车噪声、降低噪声 污染具有重要的社会意义和应用价值。本文主要针对目前陕西重型汽车有限公司重型汽 车消声控制中存在的问题，建立了对该类噪声进行有效控制的理论及性能良好的消声器， 验证性地应用于噪声较大而排气阻力要求严格的汽车发动机噪声的控制中，并在实际中 逐步推广应用，性能良好。 1 7 本课题的研究背景 本课题来源于陕西重型汽车有限公司。陕西重汽汽车有限公司是一家国有企业所生 产的重卡是国内主力车型之一，年产预计1 0 1 5 万量，未来几年内还将大幅度增长，作 为大型主机生产企业在响应国家低碳经济号召时应该做出表率作用，在控制噪声和降低 西安石油大学工程硕士学位论文 尾气排放方面取得突破，为公司做出贡献，获得新的增长点。 1 8 本课题的研究内容 本文在基础的声学理论、消声器理论及其分析方法、评价方法与指标的基础上，主 要对消声器基本消声单元及结构对消声性能的影响进行分析、计算和改进，并针对陕汽 重型汽车使用的潍柴w p l o 型柴油机排气消声器提出设计改进方案，并可进行实际验证和 生产装配。 2 技术路线 ( 1 ) 收集和检索国内外消声器文献资料； ( 2 ) 分析陕西重型汽车有限公司消声器方面实际存在问题； ( 3 ) 以抗性消声器、阻性消声器和干涉消声器理论为基础，建立陕汽汽车消声器数学模 型，并根据模型进行计算，并与试验测量结果进行比较； ( 4 ) 引入新设计理论和吸声技术，在设计阶段采用先进的声学设计软件进行声学设计， 在声源识别及结构声场耦合方面的研究，采用有限元法； ( 5 ) 将消声器用于陕汽汽车排气消声器性能研究中，根据空气动力学原理，对陕汽汽车 消声器进行结构设计改进，通过试验验证，证明设计的正确性； ( 6 ) 在保证不影响发动机性能的条件下，选择安装消声器后的内燃机排气噪声和尾气排 放为优化目标，对消声器进行了尺寸和结构优化设计。对优化的消声器进行试验，验证 计算结果的正确性。 3 创新点( 设计环节) ( 1 ) 针对陕汽车用发动机特点和性能，进行数据采集整理，做专项设计，提高消声器降 噪性能。争取克服现有技术降噪效果不理想的缺点。 ( 2 ) 在目前行业相关消声器改进设计理论方法、原则和设计的技术基础上，首先计算出 陕汽w p i o 系列柴油机排气消声器的传递损失值，根据消声器的目标消声性能，选取一种 设计方案并对其进行改进，通过行业应用软件仿真比较和优化选出出最优设计结构。 ( 3 ) 针对不同型号的发动机机作相应的调整并进行结构扩展来得到系列化应用。 第二章现有消声原理和结构 第二章现有消声原理和结构 2 1 常规消声器的原理 2 2 1 阻式消声器原理： 阻性消声器是利用吸声材料的吸声作用，使沿管道传播截面积的改变或旁接共振腔 等在声传播过程引起声阻抗的改变，产生声能的反射与消耗，从而达到消声目的的消声 装置。 其主要原理是利用多孔吸声材料来降低噪声。把吸声材料固定在气流通道的内壁上 或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消音器。当声波进入阻性消声器时，一部 分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。阻性 消音器器就好像电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。因此，人们就把这种消声 器称为阻性消声器。阻性消声器对中高频消声效果奸、对低频消声效果较差。 阻性消声器形式种类很多，目前用在机房低噪声工程上的主要由直管式消声器和片 式消声器两种。其消声性能主要与通道形式、长度及吸声材料的性能有关。直管式消声 器是阻性消声器中最简单的一种。 2 2 2 抗性消声器原理： 抗性消声器：通过管道截面的突变处或旁接共振腔等在声传播过程中引起阻抗的改 变而产生声能的反射、干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能，以达到消声目的的消声 器。 主要适于降低低频及中低频段的噪声。抗性消声器的最大优点是不需使用多孔吸声 材料，因此在耐高温、抗潮湿、对流速较大、洁净要求较高的条件均比阻性消声器好。 抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，好像是一个声学滤波器，与电学滤 波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电 感和电阻，称为声质量和声阻。小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。与 电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。当包含有各种频率成分的声 波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔 到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔只能在小室中来回反射， 因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。选取适当的管和室进行组 合就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。抗性消声器适用于消除中、 低频噪声。 2 2 3 阻抗复合型消声器原理： 把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器。 2 2 4 其他消声器原理： 微穿孔板消声器一般是用厚度小于1 m m 的纯金属薄板制作，在薄板上用孔径小于 西安石油大学工程硕士学位论文 l m m 的钻头穿孔，穿孔率为1 一3 。选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控 制消声器的频谱性能，使其在需要的频率范围内获得良好的消声效果。 小孔消声器的结构是一根末端封闭的直管，管壁上钻有很多小孑l 。小孔消声器的原 理是以喷气噪声的频谱为依据的，如果保持喷口的总面积不变而用很多小喷口来代替， 当气流经过小孔时、喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频，使频谱中的可听声成分明 显降低，从而减少对人的干扰和伤害。 有源消声器的基本原理是在原来的声场中，利用电子设备再产生一个与原来的声压 大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消。这种消声器是一 套仪器装置，主要由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成。 2 2 汽车噪声产生机理及特点 发动机全负荷工作时，排气开始时气缸内燃气温度高达8 0 0 到1 0 0 0 。c ，在气缸内， 气缸压力约为( 3 、4 ) m p a 。由于气缸内的压力是排气管内压力的两倍以上，排气为超临 界流动，这时通过排气门的气体速度等于燃气中的声速，一般可达到5 5 0 至7 0 0 m s 。虽 然占整个排气时间的百分比较小，但气体流速很高，排除废气量可达6 0 以上。废气从 排气门以高速( 速度可达到当地声速) 冲出，沿着排气歧管进入消声器，最后从尾管排入 大气，在这一过程中，产生了宽频带的排气噪声。 一种排气系统的噪声源，包括冲击噪声、空气噪声、气流摩擦噪声和辐射噪声，以 及其它的一些组成声源，如可燃物质在排气系统中再燃烧产生的噪声、排气门杆产生的 涡流噪声、排气门落座声、气流通过断面突变处的湍流噪声、由排气的脉动压力激发管 壁产生的噪声等等。 2 2 1 空气噪音 发动机在运作的时候产生压力波，这个压力波在排气管道中传播而形成空气噪声， 在管道中的这股气流是稳定的。空气噪声取决于排气管道的直径，在一定的气流量时， 直径越大，空气噪声就越稳定。空气噪声的大小取决于排气系统的结构。在排气系统中， 纯粹的声学设计就是针对这类噪声的。 2 2 2 脉冲噪声 排气管道巾不稳定的气流会对管道产生冲击，从而形成冲击噪声。会生成在管截面 面积的变化，突然的冲击噪声。变截面面积增加管道的过渡圆弧和逐渐变化的方式的结 构，以减少噪声的影响。 2 2 3 辐射噪声 排气系统的管道和消声元件被机械振动激励或者受内部流体压力波动一起振动，这 些被激励的结构对外将声音辐射出去，形成了辐射噪声。在排气系统中，辐射噪声源来 自三方面：机械振动、稳定的空气气流、不稳定气流。辐射噪声的大小取决于板结构的 几何尺寸、结构形状和刚度等。辐