（机械设计及理论专业论文）汽车排气消声器的数值分析研究.pdf

合肥工业大学硕士学位论文 摘要 发动机排气噪声是车辆主要噪声源之一，而使用排气消声器则是降低发动机 排气噪声的最有效途径，国内的消声器设计主要是“仿照”设计或是根据设计者 的经验，这种方法的针对性差，且设计周期长、成本高。 针对国内消声器研究现状，本文综合运用a n s y s 和s y s n o i s e 软件实现了对消 声器数值分析，探讨了有限元模型的建立、单元网格的划分、后处理的数据分析 等关键技术，并进一步深入分析了结构参数对消声器性能的影响。 本文以某一轻型卡车降噪项目为背景，针对该车所装配的消声器，通过运用 数值仿真分析法和正交试验法对该消声器进行声学性能分析和优化设计，提出了 改进设计方案。 实际测量消声器的传递损失并与数值分析结果进行比较，深入探讨了引起二 者之间差异的原因，揭示了消声器制造工艺的重要性。将数值分析方法和正交试 验法相结合，针对消声器结构参数进行优化设计，对消声器的性能预测、计算提 供了重要的参考价值，对生产具有一定的指导意义。 关键词：排气消声器，数值分析，正交试验法，s y s n o i s e 舍肥工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x h a u s t i n gn o i s eo fe n g i n ei so n em a i ns o u r c eo fv e h i c l en o i s e ，w h i l eu s i n g e x h a u s tm u f f l e ri st h em o s te f f e c t i v ea p p r o a c ht od e c r e a s et h ee x h a u s t i n gn o i s eo f e n g i n e m o s to fd o m e s t i cm u f f l e rd e s i g ni s i m i t a t i n gd e s i g n o rj u s ta c c o r d i n gt o d e s i g n e r s e x p e r i e n c e n o to n l yt h em e t h o do fw h i c hi so u to fd a t e ，b u ta l s ot h ec o s ti s h i g h ，a n dt h ed e s i g nc y c l ei sl o n g a sf a ra sd o m e s t i cm u f f l e rr e s e a r c hg o e s b yt h ec o m b i n e dw a yo fu s i n gt h e “a n s y s ”a n dt h e “s y s n o i s e ”7 “a n s y s ”a n d “s y s n o i s e ”a r et w ok i n d so f s o f t w a r e ) ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h em u f f l e rn u m e r i c a l l y , a n dd i s c u s s e sk e yt e c h n i q u e s s u c ha st h eb u i l d i n go ff i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ef em e s hd e m a r c a t i o n ，a n dt h e p o s t p r o c e s s i n gd a t aa n a l y s i s ，e t c f u r t h e r m o r e ，i ta n m y z e st h ee f f e c to fs t r u c t u r a l p a r a m e t e ro nm u f f l e rc a p a b i l i t yt h o r o u g h l y g i v e nt h ec o n d i t i o na st h ep r o j e c to fd e c r e a s i n gs o m ek i n do f m i n it r u c k sn o i s e ， u s i n gt h e “a c o u s t i c - s i m u l a t i o n ”a n dt h e “o r t h o g o n m - e x p e r i m e n t ”t o g e t h e r t h i sp a p e r a n a l y z e sm u f f l e r sa c o u s t i c a lp r o p e r t i e s ，s oa st ok n o wt h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r so nm u f f l e r sp e r f o r m a n c e ，a n dt h e ng i v et h eo p t i m u md e s i g no fk e y s t r u c t u r a l ，a n dm a k eas u g g e s t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n to f e x h a u s tm u f f l e ra tl a s t b yc o m p a r i n gt h et r a n s m i s s i o nl o s so ft h em u f f l e r1 st e s tw i t l lt h a to fn u m e r i c a l a n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r o b e si n t ot h ec a u s a t i o no ft h e i rd i f f e r e n c e ，a n dc l a r i f i e st h e i m p o r t a n c eo fi t sm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e g i v i n ga no p t i m u md e s i g no ft h ek e y s t r u c t u r eo fm u f f l e ra n dp r e d i c t i n gi t sp e r f o r m a n c eb yt h ec o m b i n e dw a yo f u s i n gt h e “a c o u s t i c s i m u l a t i o n a n dt h e “o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ”w h i c hw i l lb es i g n i f i c a n tt o b ea p p l i e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：e x h a u s tm u f f l e r ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， s y s n o i s e 合肥工业大学硕士学位论文 插图清单 图1 1 整车噪声产生路径。3 图2 1 阻性消声器实物及其原理图。，。7 图2 2 常见的阻性消声器示意图9 图2 3 简单抗眭消声器实物及单室扩张式原理图1 0 图2 4 喷注耗散型型消声器简图。1 2 图2 5 管道上使用电子消声器原理图一 1 2 图3 1 消声器等效模型， 18 图3 2 扩张比m = 1 2 的简单扩张室消声器传递损失曲线图( 由理论计算公式求得) 2 3 图3 3 简单扩张式抗性消声器三维模型示意图2 4 图3 4h y pe b m e s h 程序运行界面2 7 图3 5 扩张比m = 12 的简单扩张式消声器有限元网格模型2 8 图3 6 扩张比m = 12 的简单扩张式消声器传递损失曲线图( 由数值分析法求得) 2 9 图3 7 消声器内声场在1 0 0 0 h z 和1 9 9 5 h z 的压力等高图 。3 0 图4 1 单腔扩张式消声器简图3 1 图4 2 消声器的有限元数值分析流程3 2 图4 3s y s n o ise 软件运行g u i 界面，3 5 图4 4 椭圆形消声器有限元网格模型， ， 3 6 图4 5 椭圆形消声器的内部压力等高图， 3 8 图4 6 椭圆形消声器传递损失tl 和频率关系曲线图( 数值分析法求得) 3 8 图4 7 导出数据结果，3 9 图4 8 数据内容，3 9 图4 9 具有不同扩张比的消声器有限元模型4 0 图4 一1 0 具有不同扩张比的消声器传递损失曲线图，4 1 图4 1 i 消声器在高频段将出现了非平面波现象，4 1 图4 1 2 声波从扩张室中央通过4 1 图4 13 具有不同偏置距离内插管的消声器有限元模型， 4 3 图4 1 4 具有不同偏置距离内插管的消声器传递损失曲线图 。 4 3 图4 15 偏置l 。= 0 和l 。f m = r2 一r l 的消声器在17 0 0 h z 和1 8 0 0 h z 的声压等高图4 4 图4 1 6 偏置l 。= 0 和l 。= r 2 一且1 的消声器在1 7 0 0 一1 8 0 0 h z 的传递损失4 4 图4 17 具有不同深度插入管的消声器有限元模型 ，4 5 图4 18 具有不同深度插入管的消声器传递损失曲线图 4 5 图4 19 具有不同截面形状的消声器有限元模型4 7 图4 2 0 具有不同裁面形状的消声器传递损失曲线图。4 7 v 合肥工业大学颈士学位论文 插图清单 图5 1 单腔内插管式排气消声器结构的简化模型 图5 2 试验指标随各因素的变化趋势 图5 3 传递损失儿v s 频率， 图5 4 回归方程结果与试验结果对比 图5 5 一轻型卡车所装配的排气消声器 图5 一g 试验仪器及设备布置简图一 ， 图5 7 试验仪器及设备布置实物图 圈5 8 试验测得传递损失曲线 图5 9 排气消声器有限元模型， 图5 1 0 排气消声器数值分析结果 图5 1 1 消声器内部结构细节 表格清单 表1 1 车辆加速行驶噪声限值o b ( a ) 表1 2 中国汽车保有量情况， 表2 1 消声系数a 和吸声系数a 的关系 表2 2 插入损失和功率损失比限值 表3 1 消声器的最大和最小消声频率， 表3 2s y s n o ise 输出结果 表4 1 影响消声器性能的结构参数列表 表4 2 简单扩张式消声器的扩张比与其最大消声量之间的关系 表5 1 消声器正交试验水平表厶 3 4 ) 表5 2 正交表与计算结果 表5 3 计算结果进行级差分析 一 表5 41 3 倍频程试验结果， v i 鸲 弛 鸲 弘 弘 卯 w 铋 曲 ： 2 0 伯 姐 趵 让 蛇 如 ” 让 台肥工业大学硕士学位论文 主要符号表 消声器扩张比 消声量 消声系数 消声器气流通道的截面周长，m 消声器的有效长度，m 消声器气流通道的横截面积，m 上限频率，h z 下限频率，h z 声速，m s 声波波长，m 圆频率 进气管截面积，n l 2 排气管截面积，m 2 传递损失，d b 插入损失，d b 入射声声压级，d b 透射声声压级，d b 入射声背景噪声修正值，d b 透射声强背景噪声修正值，d b 消声器上游管道截面面积，m 2 消声器下游管道截面积，m 功率损失比 二维拉普拉斯算符 v i i m 址4 p三s工厶。甜s化儿k k 巧巧s s 俨 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含未获得合肥工业大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在本论文中作了明确的 说明并表示谢意。 一签字巧脚撕期：删年嘶 、 l 3 u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授 权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名= 汤落南 签字日期：的彳年妒j 自i 工作单位 通讯地址 导师签名 签字日期 电话 令，0 一鹕 掀邮 一争拉 岛 每 州3 涛 致谢 a c k n o w l e d g m e n t 本文工作是在导师刘正士教授悉t k , 指导下完成的。在追随导师近三年的时间里，导 师严谨的治学态度和细致的工作作风自始至终影响着我，作者的点滴进步，都是导师辛 勤培养的结果，在此表示由衷地感谢。 感谢合肥工业大学噪声与振动工程研究所李志远教授在本文所涉及的试验方面给 予的大量指导。 感谢陆益民、王勇老师在我的研究生的学习和论文写作期间，在理论和实践上分别 给予了我大量的指导，为课题的研究及论文的完成提供了许多宝贵的意见和建议，对我 的论文质量的提高起了很大的作用。在此，对两位老师表示诚挚的感谢。 在课题的研究和论文的撰写过程中，同样得到了噪声与振动工程研究所陈思伟、王 慧、朱光胜、张红军等所有同学的热心帮助，在此表示一一感谢。 衷心感谢在我求学期间一直在生活上、学习上默默支持我的父母 作者：方忠甫 2 0 0 6 年3 月1 6 日 合肥工业大学硕士学位论文 1 1 噪声控制的意义 第一章绪论 噪声污染和大气污染、水污染被认为是当今世界三大污染，对人的危害是多 方面的，主要表现在听觉和非听觉两方面。强噪声妨碍人正常交谈及影响人的正 常休息等，长时间暴露在强噪声环境中，易使人出现耳聋，这些都是噪声作用于 人的听觉造成的危害；非听觉的方面则是指噪声间接影响人的神经系统、消化系 统、呼吸系统等所产生的危害。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 ) 影响入的生理健康：大量心脏病的发展和恶化与噪声有着密切的联系，噪声 会引起人体的紧张反应，使肾上腺素增加，从而引起心率改变和血压升高。 ( 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，往往使入不易察觉危险信号，从而造成事故。 随着工业化程度的提高，噪声危害范围日益扩大，社会现代化的进步以及汽 车工业和交通运输业的发展，使得国内汽车的拥有量与日俱增。目前，根据工业 比较集中、交通运输业比较发达的大中城市，如j e 京、上海、深圳等十大城市的 统计，环境诉讼事件中的噪声污染案件，在1 9 8 0 年和1 9 8 1 年分别占3 46 ，4 4 8 。 改革开放2 0 年来，随着城市的发展和道路基础设施的逐步改善，城市的各类车辆 数量急剧上升，交通噪声污染越来越严重，对人们工作和健康的影响也越来越受 到关注。2 0 0 0 年，通过对2 1 4 个城市的道路交通噪声进行监测发现，8 9 的城市 污染较重，22 4 的城市属中度污染，53 3 的城市属轻度污染，只有15 4 的城市 声环境质量较好“1 。 据统计，城市交通噪声是当前城市环境噪声中最主要的噪声源，约占整个环 境噪声能量的5 0 7 5 ”。因此城市噪声污染的控制关键在于控制城市交通噪声。 而目前城市交通噪声的最主要噪声源是汽车噪声，因而解决城市噪声污染的关键 在于对汽车的噪声控制。 世界主要汽车大国，如美国、日本、欧盟、韩国等纷纷表现出对噪声污染问 题的高度关注和日趋严格的控制“1 。英国早在19 60 年就制订了防止噪声法，而美 国纽约、芝加哥、洛杉矶等城市也相继制订了噪声防治条例。其他国家和地区， 包括我国也相应制订了噪声标准，如表卜t 示，而且标准基本上每5 年修订一次， 每次修订后都将噪声限值下调2 3 d b ，以满足人们对环境要求的提高。 合肥工业大学硕士学位论文 表1 1 车辆加速行驶嗓声限值d b ( a ) “” 加速行驶噪声轿车 厢式车卡车 奥地利 7 88 0 欧共体 7 7 7 9 8 3 8 4 现行 标准 瑞典 7 57 78 2 8 4 日本 7 87 88 3 中国 8 28 3 8 68 4 - 8 9 欧共体1 9 9 6 年标准 7 47 6 7 9 8 0 就我国而言，目前国内的汽车工业正处于蓬勃发展之际。据国务院发展研究 中心的统计，中国汽车保有量将在2 0 1 0 年达到5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年达到1 3 10 3 万 辆。在未来的10 到15 年时间里，中国将成为世界最大的汽车消费国和汽车生产 国。近日，随着国家发改委等六部门联合提出小排量汽车解禁政策的出台，预示 着从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年中国汽车保有量情将出现井喷之势，尤其是在大城市。可 以想象，在汽车如此之多的情况下，若不能有效地控制单车噪声，届时，交通噪 声污染将会恶化，并严重影响到人们的生活、学习和工作。 表1 2 中国汽车保有量情况 时间2 0 0 5 住2 0 10 钲20 2 0 在 汽车保有量( 万辆) 3 0 0 05 6 6 913 103 随着汽车市场竞争的日益激烈和人们对生活水平要求的逐步提高，客户对轿 车品质的要求已经不再停留在动力性和经济性两个方面，低噪声也成为乘坐舒适 性中重要的一部分，被提上购车考虑的重要因素。为了提高车子在市场上的竞争 力，我们同样有必要降低车子的整体噪声。2 0 0 2 年7 月8 日，芜湖奇瑞公司因奇 瑞s q r 7 t6 0 e s 型轿车的驾驶室内噪声太大，而被客户起诉，车主状告销售商和厂 商要求退车并索赔3 0 余万元，最终北京市朝阳区人民法院经两次开庭审理后判决 认定，车内噪声应视为汽车质量的重要项，原告杨先生所购的奇瑞轿车车内噪声 过大，是明显质量瑕疵，原告可以退还所购之车，第一被告、该车经销商北京腾 远兴顺汽车服务有限公司应返还原告购车款、赔偿分期付款利息等费用共计 1 2 ，63 1 4 万元。今年江淮( j a c ) 集团，投巨资用于改进旗下多敦车型的噪声问题， 其中包括帅玲轻型卡车及瑞风牌商务车等畅销车型。以上现象均说明，随着国家 噪声控制标准政策的出台，汽车噪声控制到了必须解决的地步，如果不加以很好 的控制，往往会同时给社会和企业自身带来巨大损失。 对汽车制造商而言，汽车噪声的降低，不仅能够减少对环境的污染，降低对 人的伤害，而且最终提高了整车市场竞争力，为企业创造更大的商业利润。汽车 噪声的降低，是营造安静休息环境的关键所在。因此，无论是车内还是车外，汽 车噪声的控制都是完全必要的。 根据噪声控制理论，任何一个噪声传播过程，都是从声源一 传播途径一 接受 2 合肥工业大学硕士学位论文 者。因此可以针对在噪声传播过程的任何环节，采取有效措施，以达到噪声控制 的目的。根据噪声传播过程，可以把噪声控制措施分为三类： ( 1 ) 针对噪声源进行控制； ( 2 ) 针对噪声传播途径进行控制 ( 3 ) 针对接受者进行控制； 由于汽车自身结构的复杂性，使得无论是汽车车内噪声控制，还是车外噪声 控制都变得复杂化。从汽车噪声产生机理考虑，发现汽车的整车噪声主要包括： 发动机噪声、冷却风扇噪声、排气噪声、传动系及轮胎噪声等“1 ，其产生路径如图 1 - 1 所示，其中排气噪声是最主要的噪声源，约占总噪声的3 0 ，是所有噪声源中 所占比例最大的一个，它比其它噪声高1 0 l5 d b ”1 ，对汽车整车噪声的贡献率最 大。因此，降低排气噪声将显著地降低汽车整车噪声。 图1 1 整车噪声产生路径 综合考虑三种措施的优劣以及汽车噪声产生机理，要控制汽车噪声就必须首 先控制发动机排气噪声。目前绝大多数车辆也都是通过该方法来实现对噪声控制 的，对于排气噪声的控制，可以分为以下两个方面： 一方面可以对噪声源本身采取措施，需要从噪声源机理分析人手，采取相应 的对策。但这些措施往往要涉及到整个排气系统，如：凸轮轴、气门结构以及气 缸盖的设计，而这些变动又会影响到内燃机其它方面的性能，因而需要综合考虑 并进行大量的实验研究。主要工作是在不改变发动机性能和排气系统不作大的改 变的情况下，采取以下措施来降低声源噪声。诸如：改变排气歧管的布置，使吹 过管v i 的气流方向与该管的轴线方向夹角保持在最不易策动该管发生共振的角度 范围内；合理设计各支管的长度，使管的声共振频率错开，使各排气支管管口及 各管之间连接处都有较大的过渡圆角；减小界面突变，避免管口存在尖锐的边缘， 以减弱声共振作用；提高排气门杆、气门歧管和排气道内壁面的光洁度，以减小 合肥工业大学硕士学位论文 紊流附面层中的涡流强度；在保证排气门刚度和强度的条件下，尽可能地减小排 气门杆直径，等等“”。另一方面是从噪声源外围采取措施，包括采用消声器和控 制由发动机排气歧管传来的机械振动，这些措施的采用不影响发动机性能，又比 较易于实现，其中最有效、最简单经济的方法是加装排气消声器。 消声器消声与其它消声方法相比更具有针对性。”，它可以针对峰值频段制定 消声策略，其实际效果也随着消声器设计技术的成熟而变得愈由珏显著。因此，研 究汽车排气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 的社会意义和市场价值，这也正是本文所研究的主要内容。 1 2 消声器研究的国内外现状 消声器理论的研究最早始于二十世纪的二十年代，美国的s t e w a r t 首先提出 研究抗性的声滤波器理论。19 5 4 年，d a y is 便发表了平面波理论的经典论文，他 成功运用了平面波理论，分析了无气流情况下的消声器声学特性“。在1 9 5 0 年到 1 9 7 0 年，f u k u d a 提出用等效电路得到的传递矩阵法计算消声器的传声特性。”，在 同一时期，s u l1i v a n 对存在平均气流时的声传递矩阵进行了研究。进入六七十年 代后，随着环保意识的加强和环保法规的日益严格，消声器的理论研究出现了飞 跃性的发展。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”。 消声器的设计方法主要有声传递矩阵法、有限元法和边界元法，目前声传递 矩阵法的应用范围仍限于一维平面波。对于绝大多数排气消声器的设计均是在一 维平面波理论计算指导下完成。设计者主要根据已有样品及相关资料，结合自身 的经验进行设计，试制样品在实验后满足要求即可。但实践表明，一维平面波传 播理论，无法考虑高次模式波效应，又由于实际的排气消声器一般具有复杂的结 构，其内部的声波本质上是三维的，这时一维理论便不再适用。因此，计算消声 量时，理论解通常高于实际所能达到的消声效果，并且消声量越大，理论与实际 的偏差就越显著，这表明一维平面波理论具有很大的局限性，消声器的设计应该 采用更加精确的二维( 或三维) 理论来进行分析”“。 数值分析计算方法也随着专业软件的长足发展而日趋完善，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。“”3 。有限元和边界元方 法较经验公式和传递矩阵法具有诸多优势，如精度高、可解复杂边界条件问题、 与媒质属性具有无关性等。此外，许多通用的有限元和边界元软件的开发与升级， 也使得数值计算方法的应用更加方便，并已经发展到一个很高的阶段。其中，以 美国a n s y s 公司的a i 、i s y s 软件和比利时l m s 公司的s y s n o t s e 软件为代表。如何 通过综合利用这些专业软件对几何构造复杂的消声器进行声学数值分析，预测它 的声学性能，为新型消声器的设计提供依据，已经成为研究人员所关心的课题， 这也是本文所要讨论的重点。 合肥工业大学硕士学位论文 1 3 排气消声器设计方法的提出 通过翦匠分析发现，随着消声器的结构复杂化，传统的经验公式和传递矩阵 法对新型消声器的设计已无法胜任。目前国内大多采用的方法是以试验为主，对 各个消声器的消声性能进行评价，从而确定出最佳消声器。总体来说，这种方法 虽然具有简单直观的优点，但试验工作量大，往往需进行多次反复试制和试验才 能得到满足要求的设计。这种设计手段盲目性大，周期长，需要耗费大量的人力 物力，成本高，且难以得到兼顾各方面性能的优化设计，可靠性低，难以总结各 结构因素对消声器性能的影响程度，对新产品的预见性差。 西方发达国家早在七十年代，就已经开始采用了有限元法对消声器进行研究 分析，八十年代就实现了三维有限元分析，完成了对一简单扩张式消声器、内插 管消声器、锥形消声器、偏置式消声器以及回流式消声器传递损失的计算，证明 了三维有限元法对于结构复杂的消声器是一种有效的分析方法”1 ”。由于西方国 家计算机技术水平较高，且对汽车噪声污染控制的研究相当重视，其消声器研究 起步较早，因而其消声器研究一直处于领先地位。目前在国外，主要设计方法是 根据发动机在实际工况下，建立消声系统的流动和声学数学模型，通过数值模拟 技术结合必要的验证测试手段，分析消声系统的特j 生。这也已经成为发达国家开发 研究消声器产品的基本手段，并充分保证了其产品性能水平的不断提高。目前， 各大汽车公司一般都设有自己的噪声控制研究所或研究中心，理论研究方面不断 深入。由于采用了数值模拟的研究手段，减少了试验工作量，设计开发速度快、 周期短，而且耗资少，对新产品性能预见性强，能够及时根据市场需求调整产品， 并使产品性能始终领先于噪声限制法规的要求水平。 我国的消声器研究和设计，由于起步晚及重视不够，相对于国外的先进水平， 还存在着很大的差距，主要表现为“仿照设计”，即参照国外样件，结合自身实践 经验，根据使用要求进行设计和制造。目前，我国大的消声器生产厂商主要为大 连华克公司( 美德合资公司) 和上海佛吉亚红湖排气系统有限公司( 中法合资公 司) ，两家公司负责了国内多数汽车厂商的消声器供给，但其核心技术都掌握在外 国人手中。 中国加入w t o ，汽车工业面临着更大的挑战。环保法规的日益严格及市场竞争 的日益激烈迫使着我们不得不开始关注噪声控制领域。不可否认，由于以前我国 对汽车噪声控制的重视程度不够，监控不严格，致使我国消声器的研究水平和技 术水平与市场需求情况非常不协调，相关的研究单位少，投资少，新产品的开发 能力差，产品性能低，至今产品设计还停留在九十年代初的水平上。近几年来已 出现了由于消声器性能水平低而严重影响汽车产品的出口量和在国际市场竞争力 等情况。因此，探索消声器设计方法，已成为消声器设计的首要任务。 目前，国内针对消声器的优化设计，多是基于将消声器物理模型用简单的数 学矩阵表达式代替”。”，然后针对该矩阵表达式求解，等价于消声器的优化。但传 递矩阵法自身的建立是在很多假设条件下完成的，其适用条件范围有限。 随着计算机技术和计算数学的发展，数值分析方法已在声学领域取得突破， 并越来越受到人们的重视。利用有限元( f e m ) 、边界元( b e m ) 及统计能量法( s e a ) 合肥工业大学硕士学位论文 等技术对特定的声场问题进行数值计算，以获得稳态或非稳态的声场分布，并对仿 真结果进行专业化分析、处理及显示。该方法较传递矩阵法有着诸多明显优势( 详 见第三章) ，吉林大学已有人将数值分析方法应用于摩托车排气消声器的设计”， 并且取得了预期的效果。 本文从实际课题出发，将数值分析方法引入了汽车消声器的设计当中，通过 综合运用数值分析技术和正交试验法对消声器进行性能分析；通过合理安排，把 影响消声器性能的主要因素与水平囊括在数值模拟分析中，对消声器结构参数进 行优化设计，达到了减少数值分析次数的目的；再通过观察消声器内部的声压分 布情况彩图和传递损失随频率的变化关系，深入了解消声器的消声性能，找出影 响消声器性能的主要因素及变化范围，从而提高消声器的各项指标。该方法较之 以往的传统方法，有着诸多优势，为最终确定排气消声器结构的优化提供理论依 据。本文尝试将该方法与结论应用于某车型的消声器优化设计项目中去。 台肥工业大学硕士学位论文 第二章消声器的分类及其评价指标 消声器是噪声控制工程中常用的一种装置，一般用于控制空气动力性噪声， 通常安装于空气动力设备的进出口或气流通道上。它既能允许气流顺利地通过， 又能有效地阻止或减弱声能向外传播。一个合适的消声器，可以使气流噪声降低 2 0 4 0 d b ，相应响度降低7 5 9 3 。因此，在噪声控制工程中得到了广泛的应用。 消声器通常被分为有源消声器和无源消声器两大类。不同消声器的消声原理 不同，其消声特性也各不相同。常见的无源消声器分为：阻性消声器、抗性消声 器及阻抗复合式消声器。尽管无源消声器的发展比较成熟，但仍存在一些难以克 服的缺陷。其质量和容积一般较大，对安装要求较高，因此不适宣在现代工程机 械和汽车上进行紧凑的布置。 随着消声器技术以及现代数字信号处理技术的发展，消声器已朝着有源控制 的方向发展。有源消声是指噪声的主动控制，它根据两个声波相消性干涉或声波 辐射抑制的原理，通过人为地制造声源，使其发出的声音与原来的噪声源辐射噪 声大小相等、相位相反，使二者互相抵消，从而达到降噪的目的。有源消声器有 着体积小、成本低、便于设计和控制以及低频降噪效果好等优点n ，因而有源消声 法的出现也引起愈来愈引起人们重视，开始慢慢地受到市场的青睐“1 。 2 1 阻性消声器 阻性消声器，亦称吸收型消声器( a b s o r p t i v em u f f l e r ) ，是利用装在管道内的 吸声材料或吸声结构的吸声作用，使沿通道传播的噪声随距离不断地被吸收而逐 渐衰减的装置，如图2 - 1 所示。把吸声材料( 如玻璃棉、岩棉和毛毡等) 固定在气 流通过的管道周壁上，或按一定方式在通道中排列起来，进入吸声材料的噪声在 摩擦和阻尼共同作用下，被吸收转化为热能而散失掉，使得沿管道传播的噪声随 着距离增加而衰减，从而达到降嗓的目的”，。 +jj ； ： = is ! r ； l 斗ji；! ! ；” ：。 叶! ? 图2 1 阻性消声器实物及其原理图 阻性消声器的基本计算公式是由一维平面波假设推导而来，这一假设认为： 对刚性壁面管道，当声波频率低于截止频率时，不论管道形状如何，声波在管道 中始终以平面波的形式传播，在同一截面上的声压、声强处处相等。如图2 1 所示， 分析一段截面积为s ，长度为x 的管道。设在x o 处的声强为i o ，单位时间内流过 台肥工业大学硕士学位论文 这段管道的声能为s i o ，声传播x 后，由于声能被吸收声强降为i i ，单位时间内 离开这段管道的声能为s i ，则在单位时间内这段管道吸收的声能为： e = $ 1 0 s 1 1 , 5 1 s( 2 1 ) 考虑壁面附近空气质点的振动，对于刚性壁面发现振动速度v = o ，而壁面法向 声阻抗为无穷大。而对于吸声壁面，空气质点可以进出，z s 相应不是无穷大，法 向振动速度也不是无穷大。记壁面上的声压为1 1 ，可得： ”2 了 j 在单位吸声壁面面积上，单位时间内被吸收的声能为： r e ( u v ) 崭r e ( 专崭g ( 2 _ 2 ) 式中q 为乙的倒数的实部，既壁面法向声导率。 设管道壁面周长为f ，则吸声壁面面积为f - a x ，单位时间内在这段管道被吸 收的声能e 可记为： e = u 2 g s f a x 2 3 ) 由式2 1 有： 一s a i = u 2 g s f a x ( 2 4 ) 由于声强卜旦，代入式( 2 - 4 ) ，并l r , x x 斗o 的极限可得： p o c d l p o c g s f i ：一坚i 式中：g s = p o c g s 为相对声导率，解上式得： i = i oe x p 一譬( x - x o ) ( 2 _ 5 ) 式中：i o 为x 2 x 0 处的声强，由上式可知，在消声管道中声强以指数规律随距 离而衰减，当声传播距离为1 时，声强衰减为： i l = i o e x p ( - 婪1 ) 以分贝为单位，则衰减量可写成下面的形式： 渊o l g 羊- a 詈 ”e ) 式中：a 叫做吸声系数，有吸声壁面的法向声导率决定。 表2 1 消声系数a 和吸声系数a 的关系 a0 1o 2 0 30 s 0 6 1 o a0 1 o 20 4 0 71 o 1 5 合肥工业大学硕士学位论文 消声器的消声量不仅与结构形式、吸声材料的吸声特性和通过消声器的气流 速度以及消声器的有效长度有关，而且还与声音的频率有关。因此，对每种具有 不同的通道截面的阻性消声器，都有相对应于其使用的频率范围，当声波频率过 高，声波将以窄柬状穿过消声器，而很少甚至根本不与吸声材料相接触，因此， 消声效果会呈明显下降趋势。上限频率计算公式为： 工= 1 8 5 a d ( 2 7 ) 式中： c 一声速 d 一 通道截面的当量直径，对于圆截面时为直径 按气流通道几何形状的不同，如图2 2 所示，阻性消声器又分直管式、片式、 蜂窝式、折板式、声流式、弯管式和迷宫式等。具有较宽的消声频率范围，对于 中、高频段噪声的消声性能显著，但对于低频段噪声的消声效果相对较差。其内 部的多孔性吸声材料耐高温、耐腐蚀性差，且吸声材料的微孔易被废气中的炭灰 堵塞，故阻性消声器不宣用于汽车排气噪声控制，而常被用于控制风机类进排气 噪声。 多冈强莎勰 圈 睑 蒋蓼鞫窝魏饔雾 爹峨 溺 图霞 嚣零爱篷蠢罄繇 酉 琵 霸滁蟾瑶嚼瑶喀2 1 迷宫式消声器2 片式消声器 3 折板式消声器4 蜂窝式消声器 图2 - 2 常见的阻- 眭消声器示意图 2 2 抗性消声器 抗性消声器，亦称反应消声器( r e a c t i v em u f f l e r ) ，是由声抗性元件组成的消 声器，其原理是利用装置在管道中声学性能突变处的声反射作用，借助管道截面 的突然扩张、收缩或旁接共振腔，产生声阻抗失配，使某些频率的声波在声阻抗 突变的界面处发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的，如图2 - 3 所示。 抗性消声器又可分为扩张式、共振式、干涉式等，但它们都是一定尺寸、形 状的扩张室、共振腔和一定长度管道等单元的适当组合体，使得某些频率成份的 噪声得到衰减的装置。抗性消声器是全金属结构，构造简单、耐高温、耐腐蚀、 耐气流冲击，不会被废气中的微粒堵塞，其成本低、寿命长。因此是目前汽车排 气消声器的首选，其应用最为广泛。抗性消声器对中、低频范围的噪声具有较好 的消声效果，对宽带高频率噪声效果则相对较差。为了弥补其高频消声效果差的 缺陷，常采用多级组合或加上穿孔板等高频消声效果好的单元结构，以提高有效 消声带宽，当选择较大扩张比和经多段扩张，其消声量可达3 0 d b 以上。 9 合月e 工业大学硕士学位论文 图2 3 简单抗性消声器实物及节扩张式原理图 i i 下面以典型的单节扩张室消声器为例来说明抗性消声器的消声原理，如图2 3 所示，设进口管的入射声压幅值为只，反射声压为p ，在出口处传出的声压为只。 在扩张室内声波以平面波方式传播，记扩张室中向右传播的声在截面i 处的声压 为暑，那么传播到t i 处的声压为弓p 删，即截面i i 处的相位比截面i 处要落后k l 值。记向左传播的声波在i 处的声压为只，则截面1 i 处的相位比截面i 处要超前 k l 值，即昱p 川。 在截面i 处，由声压连续条件有： p ，+ p ，2 p 1 + p 2( 2 8 ) 根据体积速度连续条件有： s ( 去m ( 去) 吲去) - s 2 ( 去) 即：只一只= r e ( p , 一昱)( 2 9 ) 式中：m 2 子为扩张比，s 为入口通道横截面积，马为扩张室截面积。 u 同理在截面】i 处，由声压与体积速度连续条件得： p 1 8 一止7 + p 2 e 州= n( 2 1 0 ) m ( p l p 一。“一p 2 e 竹7 ) = 只( 2 1 1 ) 式中：k = 2 r c f c = 2 n 2 称为波数，丑为管道中声波波长，c 为声速，z 为扩 张室长度。 由上述四个等式连立，消去鼻、吩# ，最终可求得扩张式消声器的消声量( 传 合肥工业大学硕士学位论文 递琐矢) 公式为“： t l = l o l g 1 + ( 坍一与2s i n 2 k z ( d b ) ( 2 1 2 ) q - m 由式( 2 12 ) 可知，单腔扩张式消声器的消声量是肼的周期函数，当s i n zk ：1 成 立时，将产生最大消声量，此时： 肚孚，一2 ，等 2 _ 1 3 ) 故得对应的最大消声频率为： 厶。= ( 2 n 万+ 1 一) c ( h z ) ，n ：1 、2 、3 ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 可以看出，扩张室长度，增大，消声器的最大消声频率矗。向低 频移动，消声量达最大值时的频率厶。与比值f ，成正比，即消声器的频率特性取 銎! 堂兽雾箜謦蘑7 ，当z 增大时，频率特性就向低频方向移动，而最大消声量并 没有明显的变化”“。 显然，当s i n 2 肼= o 成立时，即当k l = ”7 ，研= 1 ，2 ，3 ) 时，将产生最小消声 量，故可得对应的最小消声频率( 通过频率) 为： 2 豸( h z ) ，n ：l 、2 、3 ”1 5 ) 一黟量扩张式消声器，存在消声频率的上限，称为上限截止频率，即当开始出 婴亭姿堡茎波的频率，此时管道内或消声器内出现非平面波效应。对于超过该频 率的高频声，消声器的消声性能急剧下降2 。其上限截止频率计算公式为： 无：12 2 三：1 2 2 三 一d22 t 2 1 6 式中：c 一为声速；d ：一为单腔扩张腔的直径。 。些竺：，篓张皇学声器还7 黧下限截止频率问题，对于低于此频率的噪声也将 失去消声效果。可由下式计算n “： 一 五= 争赝 f 2 1 7 ) 式中：c 一声速；s 。一气流通道截面积；v 一扩张室的容积；l - 连接管的长度。 2 3 阻抗复合式消声器 阻抗复合式消声器( h y b r i dm u f f l e r ) ，可认为是将阻性消声部分与抗性消声 合肥工业大学硕士学位论文 部分串联组合而形成，兼有阻性和抗性消声器的特点，以提高其消声性能。它既 有阻性吸声材料，又有共振腔或扩张室等抗性元件，以便同时在高、中、低频率 范围内均取得较好的消声效果。一般阻抗复合型消声器的抗性在前，阻性在后， 即先消低频声，然后消高频声，总消声量可以认为是两者之和。但阻性吸声材料 的使用无疑缩短了消声器的使用寿命，性能的改变主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 使得吸声频谱的峰值发生削减，但总的消声量提高了，这种影响主要发生在 高频范围。 ( 2 ) 由于阻性吸声材料的作用，使得消声频谱发生偏移，这种影响主要发生在低 频范围。 如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合型消声器，其性能受其自身穿孔率、 穿孔板厚度以及穿孔数等因素影响，其优点是耐高温、耐腐蚀、阻力小等，缺点 是加工复杂，造价高1 。 2 4 其它类消声器 ( 1 ) 喷注耗散型消声器( j e t t i n g m u f f l e r ) ，用于控制喷注噪声( 也即排气放空噪 声) ，它是从声源上降低噪声，常用的耗散型消声器有：小孔喷注消声器、 节流降压消声器和多孔扩散消声器等型式，如图2 - 4 所示。 、 通 碰 节遵乳 a 小孔喷往消声器b 节流降压消声器 图2 - 4 喷注耗散型消声器简图 t b ) c 多孔扩散嚣 皆 ( 2 ) 有源消声器，最近几年出现的有源消声器也是利用声波的干涉原理来