（机械制造及其自动化专业论文）进排气系统消声器性能分析.pdf

本论文经 硕士学位论文 主 委 导 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，除了文中特别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，也不包含为获得金起至些太堂 或 其他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 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：茎刃各研签字日期：上。t ，年争月伴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、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。本人授权金目曼王些太堂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) 学位论文者签名：乏静秭 导师签名： 签字e t 期：1 1 年坤月，叶日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：2 口年月f 午日 电话： 邮编： 进排气系统消声器性能分析 摘要 消声器广泛用于内燃机进排气系统噪声的控制，成为降低进排气噪声最有 效的途径之一。因此，对消声器的性能研究，已经成为当前控制进排气噪声的 重要课题。 本文以消声器声学理论为依据，以某工程机械减振降噪项目为背景，对进 排气消声器进行了仿真与实验研究。首先，建立消声器的声学有限元模型，应 用有限元分析软件进行声场计算，得到消声器的声场特性分布情况。同时，建 立流场分析模型，对消声器进行流场特性仿真分析，得到消声器内部的压力， 速度特性分布及计算各工况的压力损失。 其次，对消声器的试验研究，阐述了基于四传声器法和三点法测量传递损 失的基本原理及处理测量数据的过程。在此基础上，以进排气消声器为研究对 象，搭建实验台，分别以发动机噪声和白噪声作为激励声源，进行传递损失试 验测量。试验结果表明，与三点法测量结果比较，四传声器法测量结果较为准 确，为消声器的性能优化提供了实验依据。 关键词：传递损失；声学特性；流场特性；四传声器法；三点法 i n v e s t i g a t i o no np e r f o r m a n c eo fi n t a k ea n de x h a u s t m u f n e r a b s t r a c t m u f f i e r , w h i c hi so n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st oc o n t r o lt h ei n t a k ea n d e x h a u s ts y s t e mn o i s e ，i sw i d e l yu s e di ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s t h e r e f o r et h e i n v e s t i g a t i o no fm u f f l e rp e r f o r m a n c eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c tt o c o n t r o l t h ei n t a k ea n de x h a u s tn o i s e i nt h i sp a p e r ，t h em u f f l e r so fi n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m sw e r es i m u l a t e da n d s t u d i e db a s e do nt h ea c o u s t i ct h e o r y , w h i l et h eb a c k g r o u n dw a st h ep r o j e c to f v i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o no fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r y f i r s t ，af i n i t ee l e m e n t a c o u s t i c a la n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h ea c o u s t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i cw a s c a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h ea c o u s t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f m u f f l e rw a so b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ef l o wa n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h e c h a r a c t e r i s t i cd i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e ，v e l o c i t yi nt h em u f f l e rw a so b t a i n e dt h r o u g h s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co fm r f n e r a n dt h ep r e s s u r e1 0 s sw a s c a l c u l a t e di nv a r i o b so p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e n ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ed a t ap r o c e s s i n go fm e a s u r i n gt r a n s m i s s i o n l o s sw e r es t a t e db a s e do nf o u r m i c r o p h o n em e t h o da n dt h r e e p o i n tm e t h o di nt h e m u f f l e re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a n do nt h i sb a s i s ，at e s tb e n c hw a sc o n s t r u c t e df o r t h ei n t a k ea n de x h a u s tm r f n e r t h et r a n s m i s s i o nl o s sw a sm e a s u r e du s i n gt h e e n g i n en o i s ea n dt h ew h i t en o i s ea s t h es o u r c e sr e s p e c t i v e l y i ti ss h o w e dt h a t ， c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t sb yt h r e e - p o i n tm e t h o d ，t h er e s u l to ff o u r - m i c r o p h o n e m e t h o dw a sm o r ea c c u r a t e ，a n di tp r o v i d e de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h em u f f l e r p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nl o s s ；a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ； f o u r m i c r o p h o n em e t h o d ；t h r e e p o i n tm e t h o d 致谢 在此硕士论文完成之际，回顾在合肥工业大学研究生三年的学习生活，我 所有指导和帮助我完成学业的老师、同窗、朋友们致以诚挚的谢意。 首先要感谢我的导师毕传兴研究员。从最初培养计划的制定，论文选题、 报告的撰写，到论文的完成，都离不开毕老师悉心指导和谆谆教诲。毕老 谨求实的治学精神和博大精深的学术造诣，将使我终身受益。 特别感谢陈剑教授。在研究生学业的完成，离不开陈剑教授的支持与帮助。 授给了我参与实际项目工作，使我能学以致用。陈教授认真负责的态度让 受感动。 特别感谢张永斌老师。在论文撰写、程序编写过程中给予了大力指导和不 助。我的论文不管是思路布局，程序编写还是文字表达，都经过了张老师 一遍的精心修改，感谢张老师给予的支持与帮助。 同时，要感谢噪声振动工程研究所的诸位师兄弟的关心与帮助。感谢李继 郭付洋、江俊等在学习上给予的帮助。 还要特别感谢我的父母、妹妹和我的叔叔，感谢他们的无私奉献和无微不 至的关怀，感谢他们的默默地支持和鼓励，祝愿他们身体健康。还要感谢关心 和爱我的人。 最后，感谢所有鼓励、支持和帮助过我朋友们! 作者：赵轮桥 2 0 11 年3 月15 日 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 消声器的研究意义2 1 3 消声器的国内外研究现状2 1 4 课题来源及本文研究内容3 1 5 本章小节：3 第二章迸排气噪声产生机理与声学基础4 2 1 引言4 2 2 进排气噪声产生机理4 2 2 1 进气噪声产生机理4 2 2 2 排气噪声产生机理5 2 3 声学基本理论7 2 3 1 声学基本概念7 2 3 2 声波方程7 2 3 3 平面声波方程9 2 3 4 声学四端网络9 2 4 本章小节11 第三章消声器的仿真分析1 2 3 1 引言一1 2 3 2 消声器的分类1 2 3 3 消声器的评价指标1 3 3 3 1 声学性能评价指标1 4 3 3 2 空气动力性能评价指标一1 6 3 3 3 气流再生噪声特性的评价1 6 3 4 消声器传递损失的计算方法1 6 3 4 1 阻性消声器的计算方法一1 6 3 4 2 抗性消声器的计算方法1 7 3 4 3 赫姆霍兹共振消声器的计算方法2 1 3 5 复杂消声器声学性能分析2 3 3 5 1 消声器的声学模型建立2 3 3 5 2 消声器仿真计算与结果分析2 4 3 6 复杂消声器流场性能分析一2 6 3 6 1 压力损失2 7 3 6 2 压力分布2 8 3 6 3 速度分布2 8 3 7 本章小节3 0 第四章消声器的试验分析3 2 4 1 引言3 2 4 2 三点法传递损失测量原理3 2 4 3 四传声器法传递损失测量原理3 3 4 4 试验台结构及组成3 6 4 5 排气消声器的试验分析3 7 4 5 1 试验测量3 7 4 5 2 结果分析4 2 4 6 进气消声器的实验分析一4 4 4 6 1 试验测量4 4 4 6 2 结果分析一4 6 4 7 本章小节4 7 第五章总结与展望4 9 5 1 总结4 9 5 2 展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文一5 3 i i 插图清单 图2 1 气缸的赫姆霍兹共振腔模型5 图2 2 微元体8 图2 3 声学四端网络1 0 图2 4 声学四端网络串联1 0 图3 1 常见阻性消声器示意图1 2 图3 2 常见抗性消声器示意图1 3 图3 3 四段网路法计算模型1 4 图3 4 插入损失测量系统1 5 图3 5 声压级差值得测量系统1 5 图3 6 扩张室消声器1 8 图3 7 不同扩张比m 的传递损失比较1 9 图3 8 不同扩张室长度三的传递损失比较( 班= 1 6 ) 1 9 图3 9 内插管式扩张消声器2 0 图3 1 0 内插管式消声器的传递损失比较2 0 图3 1 1 外接管式双扩张室消声器2 0 图3 1 2 外接式双扩张室消声器的传递损失比较2 l 图3 1 3 赫姆霍兹共振消声2 l 图3 1 4 不同容积的传递损失比较2 2 图3 1 5 不同主管截面积的传递损失比较2 2 图3 1 6 不同连接管截面积传递损失比较2 3 图3 17 不同连接管长度的传递损失比较2 3 图3 1 8 消声器内部结构图2 4 图3 1 9 消声器有限元模型2 4 图3 2 0 消声器的传递损失仿真结果2 5 图3 2 1 频率5 0 h z 、2 4 0 h z 声压云图2 5 图3 2 2 频率5 0 0 h z 、8 5 0 h z 声压云图2 6 图3 2 3 消声器c f d 模型2 7 图3 。2 4 消声器压力损失曲线2 7 图3 2 5 消声器压力云图2 8 图3 2 6 消声器进口位置的压力云图2 8 图3 2 7 消声器进口位置的速度云图及速度矢量图2 9 图3 2 8 腔体中心截面速度云图及速度矢量图2 9 图3 2 9 消声器出口管速度云图及速度矢量图2 9 图3 3 0 穿孔处速度云图及速度矢量图3 0 i i i 图4 1 三点法测量原理图3 2 图4 2 四传声器法原理示意图3 4 图4 3 两种终端负载测量原理示意图3 5 图4 4 消声器声学试验系统3 6 图4 5l m st e s t l a b 采集仪3 7 图4 6 发动机排气口噪声频谱3 8 图4 7 消声器出口噪声频谱3 8 图4 8 改进前后驾驶座的左右两侧声压级对比3 9 图4 9 排气消声器试验末端负载3 9 图4 1 0 终端为末端消声器( 白噪声声源) 一4 0 图4 1 1 终端为敝口端( 白噪声声源) 4 0 图4 1 2 终端为敞口端( 排气噪声) 4 1 图4 1 3 终端为末端消声器( 排气噪声) 4 1 图4 1 4 排气消声器的传递损失比较4 2 图4 1 5 三点法和四传声器法传递损失对比4 3 图4 1 6 位置3 测量的声压与实际入射声压比较4 4 图4 1 7 未安装的噪声频谱4 4 图4 1 8 安装后的噪声频谱4 5 图4 1 9 进气消声器传递损失测量试验图4 5 图4 2 0 终端为敞口端4 6 图4 2 1 终端为消声器末端4 6 图4 2 2 进气消声器传递损失4 7 图4 2 3 改进前后驾驶座的左右两侧声压级对比一4 7 i v 表格清单 表3 1 消声器压力损失2 7 表4 1 消声器前6 阶固有频率一3 9 v 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着汽车工业的迅猛发展和交通日益发达，机动车辆大量增长， 随之而来的噪声污染也日益严重。和水污染、大气污染、固体废弃物污染一样， 噪声污染已成为现在社会中的重大污染源。 为限制噪声的污染，世界各国都制定了许多的噪声试验标准和规范。随着 人们对环境保护和对车辆的舒适性要求越来越高，噪声控制的研究也越来越受 到人们的关注，噪声已成为消费者在购买过程中考虑的重要因素，许多汽车企 业都将噪声作为评价车辆性能的一个重要性能指标。因而，对噪声控制的研究 成为一项重要的研究课题。 噪声是声波的种，具有声波的一切特性，属于无规律变化、杂乱无章的 声音，影响人的身体健康，长期在高噪声下工作，使人的抵抗力下降。在较强 噪声( 9 0 d b 以上) 环境中工作，会发生听觉迟钝、噪声性耳聋，而在高达1 4 0 d b 环境中会引起听觉器官外伤。中等强度的噪声影响神经系统，导致条件反射异 常。噪声还能阻滞肠胃机能，消化不良，导致疾病发生【2 】。而且在没有采取良 好措施保护时，较容易诱发其他非噪声性职业疾病。 噪声能使人烦躁不安，情绪不稳定，影响人精力不集中，记忆力衰退，使 得人们工作效率低下，且噪声危险不易察觉，容易造成事故【。 机动车是一个包含有不同性质噪声的综合噪声源：发动机噪声、车身噪声、 动力子系统噪声、整车噪声、路面噪声、风激励噪声等，而发动机气噪声是其 最主要的噪声源之一。由于发动机周期性循环的工作特点，发动机在工作过程 中，由于缸内气体周期变化，产生压力以及活塞等曲柄机构运作时产生的惯性 力作用，使得发动机运作中产生激励噪声。发动机噪声可以分为机械噪声、燃 烧噪声、空气动力噪声【3 j 。 机械噪声是指由于存在气体压力及运动部件的惯性力，使得发动机结构部 件运动，则产生冲击和振动，从而激发出噪声，如活塞敲击、齿轮及齿带啮合、 轴承工作、供油系统、配气机构、正时系统与辅机系统等产生了机械噪声。燃 烧噪声是指气缸内部结构及零部件由于燃烧的激励，使得部件产生振动而发出 的噪声。空气动力噪声主要是在迸气和排气过程中产生，直接面向大气辐射。 当进气系统和排气系统与发动机连接后就转化为进气噪声和排气噪声。 在发动机噪声的控制技术中，使用消声器是控制发动机进排气噪声的重要 途径。作为评价车辆舒适水平的重要指标，噪声控制水平很大程度上表现出了 车辆的设计工艺水平。 1 2 消声器的研究意义 大量试验证明各个噪声源对发动机总噪声水平的贡献中，进排气噪声占有 比例较大，因此，降低进排气噪声能较好控制发动机噪声，降低整车噪声污染。 对进排气噪声的控制有以下两种措旌：一是对声源本身处理，分析声源产 生的机理，采用措施，进行降低噪声；二是安装消声器，是降低进排气噪声的 最有效、最简单途径，是采用的最多的降噪措施。因此，消声器的研究水平影 响了进排气噪声控制的水平，对有害噪声的降低有重要意义。 消声器是一种阻止声波传播，允许气流通过的降低噪声装置，控制气流噪 声的重要措施，广泛用于工程实践。但是，消声器本身一方面降低了进排气噪 声，同时增加了进排气阻力，影响发动机的工作效率。国外对消声器的设计研 究较早、研究投入大，通过仿真技术结合测试分析消声器的性能，已成为研究 得基本手段。而我国，消声器的研究和设计，起步晚，与国外先进技术水平有 定差距。因此，开发研究高性能的消声器，是降低迸排气噪声的首要任务。 1 3 消声器的国内外研究现状 消声器理论涉及声学、气体流动、传热、振动以及发动机性能和结构等多 学科知识，具有一定的复杂性。消声器理论的探索经历很长时间，而且消声器 的计算方法和结构形式得到了较大的发展。 消声器的研究经历了很长的历史，1 9 5 4 年d a v i s 等【4 】运用一维平面波理论 探讨发动机消声器，分析消声器在无气流情况下的声学特性。随后许多的研究 中考虑到温度、流速等因素对消声器性能的影响。m u n j a l 与p r a s a d 5 】提出存在 温度梯度影响消声器性能的理论。忽略温度、气流的变化导致了预测和实际测 量存在差异，可见，在消声器的研究时要考虑气、温度梯度的影响，有学者对 有气流和温度梯度的影响作了一些研究。p r a s a d 与c r o c k e r 6 】使用插入损失和辐 射声压级评价消声器性能时，将流速和温度因素加入到建模中。w a n g 7 】引入等 效流体理论，分析吸声材料对共振式消声器的性能的影响。随着各种数值方法 和仿真软件的发展、应用和普及，提供了预测消声性能和设计良好性能的消声 器支持。有限元法和边界元法是消声器声学性能分析中常用的数值方法，消声 器模型从一维模型发展到，建立二维和三维有限元模型、边界元模型进行数值 计算。s e l a m e t 等j 分析了在高频段时三维边界元模型具有良好的消声特性。 p r a d i pd u b e 与s a j a n p a w a r 9 通过建立消声器的有限元模型分析穿孔率、穿孔挡 板及其穿孔率、消声器的形状参数对消声性能的影响。福田基一和奥田襄介【l o 】 合著的关于噪声控制与消声器设计为消声器设计提供了理论基础。 相对于国外消声器的研究水平，我国消声器的研究起步较晚，研究方法不 够成熟，消声器的研究水平仍较落后，但在消声器研究过程中取得了一定的研 究成果。李国祥等人 i l l 针对典型结构的消声器的内部流场和温度场进行了数值 2 计算，分析了气流、温度对消声性能的影响，指出消声器设计原则。陶丽芳【l 2 】 在研究基本消声结构的消声特性的基础上对发动机排气系统进行流体和消声特 性的三维数值模拟，为消声系统的优化设计提供参考。毕嵘【l3 j 利用大型软件， 综合有限元法、模态分析法对基本消声单元的声学性能，空气动力性进行数值 仿真计算，对提高消声器的分析有重要意义。建立声场模型和流场模型，分别 计算传递损失和阻力损失，以及内部气流、压力分布分析评价消声器的性能， 为消声器的实际分析与设计提供有效手段【1 4 】。郑殿民等【1 5 】对汽车消声器设计做 了较系统论述，分析消声器尺寸对性能的影响，介绍了消声器性能评价的方法。 任洪娟等【1 6 】测取发动机的排气噪声频谱图，根据噪声控制要求，设计出一种复 合式的消声器。钟绍华等【1 7 】用传统的设计方法形成初步设计方案，然后借助软 件进行性能分析，从而探索了从经验设计到结构优化的消声器设计方法，提高 了设计的精度和效率。 随着新技术的发展，消声器开发设计过程中采用现代技术理念和实验结合， 提高消声器的性能，节约成本有待关注。 1 4 课题来源及本文研究内容 本课题源于某工程机械减振降噪项目的一部分，对该工程机械进排气消声 器进行研究分析，优化改进消声器的性能，降低整车噪声。 本文的主要内容包括： 第一章是绪论。在参阅国内外相关文献的基础上，阐述了噪声对生活的危 害和治理噪声的意义，综述了消声器的研究意义以及国内外研究现状和发展趋 势，从而阐明了课题的研究重要性。 第二章详细说明了进排气噪声产生的机理，及所涉及的一维平面波理论和 三维声波理论，为消声器的实验仿真分析提供理论依据。 第三章讨论了消声器的特性评价，包括了声学特性、空气动力性能及机械 性能等评价指标。并对简单消声器进行理论分析，改变结构对消声器传递损失 的影响，最后对某款内燃机消声器进行了声场和流场分析。 第四章研究消声器的传递损失测量方法，并搭建消声器声学性能试验平台， 对某工程机械内燃机进排气消声器进行了传递损失的测量。四传声器法测量时 考虑到了出口管的末端反射波的影响，测试结果比三点法测量结果较为准确。 第五章对全文进行总结，对未来的研究动向提出了个人看法。 1 5 本章小节 本章首先阐述噪声的危害及其控制的必要性，以及消声器的重要研究意义， 然后详细地回顾了消声器的研究现状，并确定了本文课题的来源与主要研究内 容。 3 第二章进排气噪声产生机理与声学基础 2 1 引言 进排气噪声在发动机噪声中的比重大，进气噪声主要是进气口噪声，进气 口与车厢距离短，对车厢内部的噪声贡献量大。此外，进气系统中的空气过滤 器和消声壳体的发生振动而产生的辐射噪声。排气噪声主要包括了空气噪声、 冲击噪声、气流摩擦噪声，以及排气尾管、消声器、催化器及管道等壳体结构 振动引起的辐射噪声【3 1 。控制进排气噪声措施中，消声器是最有效、简单的途 径，因此消声器得到了广泛的应用。本章主要分析了进排气噪声的组成及产生 机理，及消声器的声学理论基础，为进排气消声器的研究提供理论依据。 2 2 进排气噪声产生机理 2 2 1 进气噪声产生机理 发动机在工作过程中，高速气流经过进气管流经空气滤清器、进气管，再 到气缸。在这个过程中，进气门周期性开关产生压力变化，进而产生强烈的空 气动力噪声，即进气噪声。进气噪声是汽车最主要的噪声源，进气口处的噪声 里车厢较近，对车内噪声的贡献大，同时进气噪声也是最主要的通过噪声源， 如果空气滤清器等刚度不足时也会引起较大的辐射噪声。一般情况下，随着发 动机的转速增加，则进气量、流速加大，使得进气噪声增加。进气噪声主要包 含有以下几种：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的赫姆霍兹共振噪声和 进气管的气柱共振噪声等1 8 】【19 1 。 1 周期性压力脉动噪声 周期性压力脉动噪声是由于进气门周期性开关，产生压力起伏变化，引起 脉动噪声。发动机工作过程中进气门交替出现开启和关闭的两个脉冲现象，导 致了空气密度的周期性变化，从而产生了周期性脉动噪声。 厂：堡( 2 1 ) ，= 一 i z - li 。 6 0 r 、 式中：万一为发动机转速，r m i n ；f 一为冲程数；i 一为缸数。 2 涡流噪声 由于气体存在粘性，当气流遇到障碍物时，使得具有一定速度的气流与障 碍物背后相对静止的气体相互作用，就会在障碍物的下游区形成涡流产生了 高频涡流噪声。涡流噪声的峰值频率可由下式计算： 厂：业( 2 2 ) ，= 一 l = z l 。d 式中：妫一为斯托罗哈常数，常取s h = 0 5 ；j 一为进气门气流速度，单位：m 居； 扛进气门直径，单位：m 。由( 2 2 ) 可知涡流噪声的频率随着气流速度的提高而 4 增大。 3 气缸的赫姆霍兹共振噪声 将发动机的气缸看作是为一个赫姆霍兹共振腔【3 1 ，如图2 1 所示： 第一阶固有频率： 卜一 图2 1 气缸的赫姆霍兹共振腔模型 ， c 歹2 石 ( 2 3 ) 式中：c _ 声速；卜进气管半径；圪一气缸容积；三一进气管长度。 4 进气管的气柱共振噪声 当进气门关闭时，进气管一端封闭一端开口，构成一个气柱共振管，当声 源的激振频率与气柱的某一阶固有频率相等或者很接近时，气柱共振管便在该 频率发生共振，产生强烈的辐射噪声。进气管内气柱振动的固有频率【1 8 1 可由下 式计算： 厂：绁( 2 4 ) 4 l 式中：卜为谐波次数；c 一为声速；三一为进气管长度。 控制进气噪声大多数只对空气滤清器做改动，例如增加滤清器的容积，增 加进气管的长度，但是消声效果有限，有必要研发性能良好的消声器用来降低 进气噪声。进气系统的消声元件包括扩张消声器和旁支消声器，空气滤清器除 了过滤空气外，还起到了扩张消声器的作用，旁支管消声器包含了赫姆霍兹消 声器和1 4 波长管。赫姆霍兹消声器用来消除低频噪声，而1 4 波长管用来消除 相对较高的高频噪声【l 引。 2 2 2 排气噪声产生机理 发动机工作时，废气从排气口排出，形成能量很高、频谱复杂的噪声，排 气噪声是发动机最主要的噪声源，通常比其他噪声要高1 0 1 5 d b ( a ) 2 们。排气 过程可分为自由排气阶段和强制排气阶段，发动机全负荷工作时，排气门的气 体流速高，等于燃烧气中的声速，气流的高速冲出排气门，沿排气歧管进入消 声器，进入大气，产生宽频带的排气噪声【13 1 。 1 基频噪声 基频噪声是由于气缸排气时，缸内的气体突然以高速喷出，气流冲击到排 气道内气门附近的气体上，使其产生压力变化，形成压力波，从而激发噪声。 由于各个气缸排气是在指定相位上周期性的进行，这种噪声是一种周期性噪声。 基频噪声的频率由下式计算： 厂：竺( 2 5 ) 6 0 r 式中：z 一为发内燃机气缸数；刀一为内燃机转速，( r r a i n ) ；f 一为形成系数。 在排气噪声频谱上，通常在基频厂或二、三次谐波2 厂、3 附近出现峰值。 2 排气管道内气柱共振噪声 排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，发生共振，产生 空气共振噪声。把消声器的进口到排气门的距离取均值作为排气管长，则，不 同，管内的气柱共振频率也不同。出口处的阻抗z 可由下式计算： z ：声胪c o s 型( 2 6 ) c 式中：s 一为管的截面积，m 2 ；p 一为气体密度，堙m 3 ：c 一为声速，m s ；卜 为总管长，m ；国一为圆周率。 气柱共振噪声频率厂，即： 厂= _ 2 n - - 1 了c ( 2 7 ) zl 当n = 1 , 2 ，3 ，时，z = 0 ，产生频率厂的气柱共振噪声。 3 排气歧管处的气流吹气声 当气流吹至气道口的“唇部时产生一种在周期性的涡流，涡流使得排气 歧管内气体产生压力波动，激发出噪声。“唇 部附近产生的周期性涡流的频 率可由下式计算： f = s ( 2 8 ) 口 式中：墨一为斯托哈尔数；卜为排气歧管口的气体流速；d l 为气道口直径。 因v 随曲轴转角而变，总会有一些气流速度符合气道共振的条件，而发出 气体共振噪声。 4 赫姆霍兹共振噪声 发动机排气门打开时，气缸与排气道、排气管组成一个赫姆霍兹共振腔， 当废气激发的噪声频率与共振频率一致时发生共振，产生共振噪声。赫姆霍兹 共振噪声的频率与发动机的转速无关，随着气缸的工作容积的变化而变化。 5 废气喷注、冲击噪声和气流摩擦噪声 自由排气阶段，高速的气流喷出排气门产生强烈的喷注噪声。流体与管壁 之间产生摩擦，引起紊流噪声。另一方面当高速气流传到尾管时，对外界发出 噪声。而且在排气门附近由于气压的不连续产生冲击波，导致产生冲击噪声。 6 辐射噪声 6 排气系统的管道和消声元件被机械振动激励或者受到内部流体压力波动引 起振动，对外产生辐射噪声。如消声器的外壳、管道外壳等将会向外辐射噪声。 对发动机排气噪声的控制，一方面可以从减少噪声源考虑，根据噪声产生 的机理，在发动机性能和排气系统改变可行的情况下，采用相应措施，降低声 源噪声。另一方面就是目前使用广泛的方法在系统中安装排气消声器，有效地 降低排气噪声。 2 3 声学基本理论 2 3 1 声学基本概念 1 声压 在声场中，由于声波扰动，介质的压强p ( ，f ) 随着空间和时间变化，其变化 差值称为声压。通常所说的声压即为有效声压，决定了声音的强弱。有效声压 p 是一段时间内瞬时声压的均方根，即： 铲陌 式中：p 一是瞬时声压；丁一是其周期。 2 声压级( 肋材刀dp r e s s u r el e v e l ) 夏9 5 ( 是指， 效值比值的常用对数( 单位：d b ) ，即： ( 2 - 9 ) 声压的有效值与基准声压的有 = 2 0 l g 旦( 2 1 0 ) pr 唾 式中：在空气中基准声压腑= 2 x l o p a 。 3 声阻抗率 在声学系统中，声阻抗率是指声压p 与质点速度u 的比值，表示声能量在 传播过程中从一处向另一处转移的传播损耗，用z 表示，单位是k g ( m 2 s ) ，即： z ：旦 ( 2 11 ) “ 声阻抗率是介质的固有特性，与波形无关，其倒数称为导纳。 2 3 2 声波方程 波动方程是根据物理学基本定律，用数学形式定量描述声压、质点速度和 密度的变化关系，建立声压随时间和空间的变化关系。 对介质和声波传播过程作如下简化和假设【l 】【3 】【2 1 】： ( 1 ) 介质为无粘滞性，是理想流体，介质是均匀、各向同性，声波在介质中 传播无能量损失。 ( 2 ) 声传播过程中不存在与外界有热交换，是绝热过程。 ( 3 ) 声压远小于介质静压强；质点速度远小于声速；质点位移远小于声波波 长；介质密度增量远小于其静态密度。 7 1 连续方程 根据质量守恒定律，即介质单位时间内流入与流出微元体的质量之差，应 该等于该体积元内质量的变化，则如图2 - 2 所示，沿工方向上的连续方程可表 示为： 詈+ p 警_ 0 ( 2 - 1 2 ) 式中：呶是在z 方向上的流体速度；夕一是介质密度。 肛，d y d z + 图2 2 微兀体 2 动力方程 根据牛顿第二，定律可知，在工方向上，微元体的动力学方程： 锄锄 p 言一言 ( 2 - 1 3 ) 式中：p 一表示压强。 3 物态方程 声波在理想介质中传播时，由于声波在介质中被不断拉升和压缩，波动过 程时间短，介质未与邻近部分进行热交换，故可将声传播视为绝热过程。根据 假设有物态方程为： 詈2 等yo p y - i 詈 ( 2 - 1 4 ) a t p i 8 t 卜” 式中：p o 一为介质静压强；y 一为气体定压比热容与定容比热容之比。 4 波动方程 根据上述的理想介质中的三个基本方程，同时考虑石， 波运动，可导出理想介质中小振幅声波的波动方程，即： 繁一c 2 俨p 式中： v z ：堡+ 旦+ 竺 缸2 却2 。昆2 y ，z 三个方向的声 ( 2 - 15 ) ( 2 - 16 ) 2 3 3 平面声波方程 根据介质的基本方程( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 与声波方程( 2 1 4 ) 可得一维 平面声波的波动方程，即： 箬= c 2 箬 ( 2 17 )i 了2 一i 了t z l ， o fa x 对于平面声波方程( 2 1 7 ) 式进行求解【2 2 】： p ( x ，f ) = a e j ( 引也+ b e j ( 静t + h ( 2 18 ) 式中：么、曰是待定常数；c o 为声波角频率；k = ( o c 为波数；c 为声速；p ，( 纠出) 表 示波函数的复数形式，“ 表示的是前进波，“+ 表示反射波。 在理想介质中，平面声波的声压幅值和速度幅值不随声波的传播距离而变 化，声波在传播过程中没有衰减。在随后的传递损失测量试验中，利用理想平 面波的这一特性，对消声器的入口管和出口管内的入射和反射声波进行分解各 成分，进行消声器传递损失的计算。 2 3 4 声学四端网络 1 声电类比 1 0 】 声和电都具有波动性，有类似之处。对于平面波，有： p = p c u = p 。c u ( 2 19 ) 式中：s 表示面积，u = u s 称作体积速度。 受声压作用产生的体积速度的形态关系与受电压作用而产生电流的电路相 类比，称为声线路。其基本元件如下： ( 1 ) 声阻：类比为电阻，由式( 2 1 9 ) 可知声阻为p c s 。 ( 2 ) 声质量：表征着形成整体振动的介质惯性，类似于电感。 当截面积为s ，长度为，管内部介质密度为p 时，其质量为p l s 。在力f 作 用下产生u 速度时，有 ，= 筇譬 ( 2 2 0 ) 则在声学系统线路中，有： p = p 专警 ( 2 - 2 1 ) 其中，将p l s 称为声质量。 ( 3 ) 声容：表征有限容积内的压缩膨胀介质弹性，类似于电容。 当体积为v ，被压缩时其容积变化为1 ，( v = s x ，x = l 以，且其中s 为面积， z 为移动距离) ，则产生的压力为： p = 肛2 古= 等肛= 等肛 ( 2 2 2 ) 其中，将v p c 2 称为声容。 9 2 声学四端网络 在电路中有两极，输入端与电源相互连接，与负载连接的为输出端，这样 的网络称之为四端网络。由于声和电的可类比性，在消声器声线路中，由于消 声元件的入口管处施加的声压p 。则产生体积速度u ；透过消声元件，出口管处 则有产生了声压p ：和体积速度，这样的声线路称作声学四端网络1 1 ，如图所 示： p 1 ab p 2 u 1u 2 cd 图2 3 声学四端网络 消声元件的入口管、出口管的声压和体积速度有如下关系【2 3 1 ，即： 外 g 咀b t f 盯p 2 7i t 芝 ( 2 - 2 3 ) 式中：a 、b 、c 、d 表示的是声学的四端网络参数，仅与网络内部结构、元件 参数有关，具体含义如下【1 】： 彳：f ，旦、 l p 2 u 2 - o 召：，旦、 l u ：) p 2 ：- o c ：f ，堕、i i p ：蜴；。 称为断开传递系数 称为短路传递阻抗 称为断开传递导纳 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) d - c 越2 = o 称为短路传递系数 ( 2 - 2 7 ) 称p 】= l 尝尝| 为传递矩阵，若已知消声元件的传递矩阵，则可通过一端的 声压和速度，即可求得网络另一端的声压和速度。这种表达方式称作四端网络 法。 如图2 5 所示，若系统是由，1 个消声元件串联细成四端网络： p o p l t lt 2 u ou l t n 图2 4 声学四端网络串联 1 0 则根据式( 2 2 3 ) 可得，串联后在入口管处与出口管处的声压和体积速度 关系由下式表示，即： 统 = 丕盖 乏爰 乏见b , j l i f 铣p “j l = p 】 岔 ( 2 - 2 8 ， 式中：i 正i 表示第i 个元件的传递矩阵，即： 阮】_ i 多务l ( 卢1 ，2 ，刀) ( 2 2 9 ) 用i 丁l 表示串联后输入到输出总的传递矩阵，即： 纠= 阢】阢】阮】 ( 2 3 0 ) 四端网络法是以平面波理论为基础的，推导各种典型消声结构的传递矩阵， 如扩张管，内插管，共振腔、穿孔管等，研究不同参数对消声元件的消声性能 的影响。对于复杂结构的消声器，可通过将其拆分为不同子结构形式，对子结 构性能分析可以了解到整体结构的消声性能。四端网络法也可以用于多维情况 下的消声器系统相互作用的理论分析，是研究消声性能