（光学工程专业论文）汽车排气消声器声学性能分析及结构改进.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 发动机排气噪声是车辆的主要噪声源之一，使用排气消声系统则是降低发动 机排气噪声的最有效途径。 本文在实验分析的基础上，针对于某特定车型，对消声器总成进行选型以及 改进设计，以使得其能满足该车型下三种排量汽车的使用要求。论文首先分析了 吸声材料、典型抗性消声器的各声学结构以及外界因素对消声性能的影响。通过 实验分析对消声器进行选型，然后利用有限元法对选定的消声器内部的声场以及 流场进行了数值分析，使用f l u e n t 软件计算分析了消声器内部的流速、温度以及 压力的分布情况，为声学仿真提供参考。使用s y s n o i s e 软件对考虑温度影响时， 消声器总成的前消、后消分别进行了声场特性分析，研究了声场计算结果形成的 原因以及存在的问题。综合实验、流场、声场的分析结论分别对该消声器总成的 前消、后消进行了改进设计。为提高设计效率，基于传递矩阵法编制了消声器性 能预测软件，辅助设计过程中的结构设计以及参数调节。最后，对改进后的消声 器总成进行了仿真计算、实验验证以及流场分析，肯定了改进设计的成效性。 关键词：排气消声器，有限元法，传递矩阵法，消声性能，声场 重庆人学硕七学位论文 英文摘要 a b s t r a c t e x h a u s tn o i s ei so n eo ft h ep r i m a r yp a r t so fa u t o m o b i l en o i s es o u r c e s ，w h i c hi s r e d u c e db yt h em o s te f f e c t i v ec o m p o n e n tc a l l e da u t o m o b i l ee x h a u s ts y s t e m b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，a i m e da tt h eg i v e nt y p eo fv e h i c l e ，t y p e s l e c t i o na n di m p r o v e dd e s i g nw e r ei m p l e m e n t e di no r d e rt oa d a p tt ot h ev e h i c l ew i t h t h r e ek i n d so fd i s p l a c e m e n t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ei n f l u e n c em a d eb ya b s o r bm a t e r i a l ， t h ea c o u s t i cs t r u c t u r eo ft y p i c a lr e a c t i v em u f f l e ra n dt h ee n v i r o n m e n tw e r ea n a l y z e d a t y p eo fm u f f l e rw a sc h o o s e db ye x p e r i m e n t t h e n ，t h ef l o wf i e l da n da c o u s t i cf i e l di n t h em u f f l e rw e r ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l yb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nf l o w f i e l da n a l y s i s ，t h ev e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h em u f f l e rw e r e c a l c u l a t e db yu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，w h i c hc a l lp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h e a c o u s t i cs i m u l a t i o n c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ee f f e c t t h es o u n df i l e do ft h ef r o n t m u f f l e ra n dt h er e a rm u f f l e rw e r ea n a l y z e ds e p a r a t e l y t h er e a s o n so ft h er e s u l t sa n d e x i s t e dp r o b l e mw e r ei n v e s t i g a t e d c o m b i n i n gw i t ht h ec o n c l u s i o nf r o mt h ea n a l y s i so f f l o wf i e l d ，s o u n df i e l da n de x p e r i m e n t ，t h ei m p r o v e dd e s i g nw a sp u ti n t op r a c t i c eo nt h e f r o n ta n dt h er e a l m u f f l e r i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , a c c o r d i n gt ot h e t r a n s m i s s i o nm a t r i xm e t h o d ，as o f t w a r ew a sc o m p i l e df o rf o r e c a s t i n gt h ea c o u s t i c a t t e n u a t i o np e r f o r m a n c ea n da s s i s t i n gt h ei m p r o v e dd e s i g n a tl a s t ，t h ee f f e c to f i m p r o v e dm u f f l e rw a sa f f i r m e db ys o u n df i e l d ，e x p e r i m e n ta n df l o wf i e l da n a l y s i s k e y w o r d s ：e x h a u s tm u f f l e r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t r a n s m i s s i o nm a t r i xm e t h o d ， a c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e ，f l o wf i e l d n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 盈 士 学位 论 文 垄聋叠华筮磋日銎鑫雾翌怛掣笾驾娜我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 冲呜 新签名谚、根 签字日期：妒7 、莎分 签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的丕灸士学位论文越固瞄瓣貉绚垒壁垂豇毖粉 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c i n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名瑾：二邃 弓年多月归 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书：嵫装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 国内外研究现状 近年来，随着我国汽车保有量的不断增加，汽车噪声逐渐成为主要的环境噪 声污染源，控制汽车噪声成为非常迫切的问题。过高的噪声严重地影响着人们地 生活、工作和健康，也给世界各地可持续发展带来了很大的挑战。噪声对人的危 害主要体现在以下几个方面【l 】：1 ) 对听觉的损伤。大量研究表明，一个人长期处 于强噪声环境中而又没有采取有效的防护措施就会逐渐造成耳聋；2 ) 影响人的生 理健康。噪声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。噪声对心理的影响主要是使人烦躁不安，容易使人疲劳， 影响精力集中和工作效率。 发动机噪声是汽车噪声的主要部分，它是由多种声源发出的噪声组合而成的， 主要包括空气动力噪声和结构噪声。空气动力性噪声主要由进气噪声、排气噪声， 其它的如增压器和风扇引起的气流噪声组成；结构噪声主要是结构受到燃烧激振 力和机械激振力的作用，产生表面振动而形成的噪声。在发动机的噪声源中，排 气噪声约占总噪声的3 0 ，是所有噪声源中所占比例最大的一个，比其他的整机 噪声高出1 0 1 5 分贝，在对汽车进行噪声控制时，必须对排气噪声采取一定的控 制措施，即进行排气消声器设计。因此，设计制造低噪声汽车，研制性能良好的 消声器是汽车设计人员的重要任务之【l 。3 】。 排气噪声的控制是一项复杂的学问，它涉及到声学、热力学、流体力学、发 动机理论等多门学科【4 】。目前，消声器的设计主要是从数值分析方法考虑的，即从 波动方程着手，以数学和力学为基础来寻求媒质振动和噪声的关系。它的设计方 法具体分为如下四种：传递矩阵法，特征线法，边界元法，有限元法。 传递矩阵法( 四端网络法) 传递矩阵法，这种方法概念清晰，经过若干年不断发展完善，逐渐趋于成熟。 早在1 9 2 2 年，美国的s t e w a r t 参考电子滤波来研究声滤波器，从而建立了声滤波 理论。1 9 5 4 年d a v i s 等人发表了关于消声器理论研究论文，用平面波传播的理念， 分析了无气流情况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 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。早期学者，般忽略气体流动和温度梯度的作用，并且由于消声器传递矩阵 的计算比较复杂，必须作一些基本假设，这时的理论和实测有一定差距，尤其是 高频部分。七十年代，s u l l i v a n 对存在平均气流时的声传递矩阵进行了研究，c r o c k e r 和t h a w a n i 提出了存在气流影响时的声波传播理论，但仍未考虑温度梯度。八十 重庆人学硕士学位论文l 绪论 年代后，国内外对有均匀气流和线性温度梯度的声管都有了进一步研究， m g p r a s s e d 给出了直管的计算模型【5 】，h l u o 等对有穿孔的消声器的传递矩阵进 行了研究并给出了模型【6 1 ，m l m u n j a l 给出了复杂消声器的计算模型【7 】，j u n t a i k i m 对弯管进行了计掣引，m l m u n j a l 又用传递矩阵法对阻抗复合性进行了计算 【9 1 ，其他国外学者也针对不同的消声结构，得出不同的传递矩阵和应用 1 0 - 1 2 】，国内 部分学者也对传递矩阵法进行了研究，建立了消声器的数学模型【1 3 j9 1 。 特征线法 基于发动机进排气过程不稳定流动模拟技术的发展，通过计算机求解不稳定 流动方程，可以实现预测排气噪声，使排气噪声模拟和发动机工作过程模拟结合， 为消声器的设计提供了依据。目前一维模型应用最多，考虑边界条件，利用特征 线法等数值方法来求解波动方程，得到有关参数。b e n s o n 最早将特征线法用于发 动机内的气体流动研究【5 】。六、七十年代，计算机开始大量应用，b e n s o n 将特征 线法计算机程序化，并给出了若干边界条件，从而确立了他在这一领域内长期的 权威地位。后来，这一方法不断完善，给出新的边界条件及改进算法，s w c o a t s ， g p b l a i r 给出了较全的边界条件，意大利的g i a n c e r i e ，f e r r a r i t 5 】又进一步给出非线 性条件下的算法。我国在这方面也取得了一定的成就，姚小刚、程昌沂改进了 b e n s o n 特征线法，对穿孔共振元件给出了较好的算法。姚小刚的研究在国内此领 域处于领先地位，起初对发动机的排气噪声谱模拟，仅给出了消声器最简单的边 界条件，九十年代给出了消声器的实用边界条件【2 0 1 。1 9 9 1 年姚小刚发展了一种非 网络变步长的算法，考虑管壁摩擦传热，使高于1 k h z 的高频计算精度提高，同时 姚小刚运用特征线法将发动机流动模拟与消声设计非稳定流动模拟结合起来，并 形成实用软件【z 。 在消声器的消声量的计算中，由于插入损失包含了声源特性的影响，从而多 年来一直困惑着人们。源阻抗的处理是一个很重要的问题，通常源阻抗的模拟有 恒压、恒流和胪等几种方法【2 2 】，但这些假设与汽车发动机工作时的实际情况有较 大误差。为解决这一问题，国内外一些学者运用特征线法和线性方法相结合( h y b r i d m e t h o d ) 来解决源阻抗问题。1 9 6 5 年德国的d e s a t e s t 2 3 作过一些总结性工作，国 内季振林等在此方面有一定成果【2 4 0 5 1 。用特征线法对排气管的气体流动进行仿真 模拟，并充分考虑边界条件，再用双负载法，可得到随发动机负荷变化较为准确 的源阻抗。此外一些学者，如姜哲【2 2 1 、王诗恩【2 6 】也通过波动方程进行数学物理推 导，考虑各种边界条件，解决了源阻抗的问题。与此同时，在源阻抗的测量技术 方面也有新的发展。 有限元法 声学有限元法( a c o u s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称a f e m ) 是将声传播的空气 2 重庆大学硕十学位论文1 绪论 域( 如汽车的内部空间) 用有限元离散化，根据声学波动方程，得到联立代数方程式， 通过求解代数方程式得到声传播空气域中的声学特性。通常，将声传播空气域周 围的结构振动用有限元进行离散化，同时考虑结构一空气耦合问题求解，空气动力 方程和空气连续方程在一定条件下转化为声学波动方程 2 8 】。 有限元法作为一种数值分析方法，适应性强，是一种分析复杂形状系统动态 特性的有力工具。1 9 7 1 年y o n gc r o c k e r 首先提出有限元法分析消声单元的传声损 失，他们采用矩形单元与拉各朗日函数法对简单扩张腔进行分析，此方法对模拟 声波在不规则形状空腔中的传播特别有效，可以实现消声器中高阶模式的声波分 析【2 9 1 。c r a g g s 进一步发展了有限元法，把它用于求解复杂形状腔体的自然模态及 频率。j o p p a 和f y f e 将它用于研究不规则腔体的阻抗特性。y o n gc r o c k e r 又把有限 元法延展到考虑腔壁振动情况下内部声波的传递。c r a g g s 则又研究了具有多端输 入及输出和抗性边界条件并扩展到耗散性的边界条件，同时他还考虑到了吸声壁 面以及温度梯度的情况。而r o s s 则引入分析一系列平行耦合子系统的子结构分析 方法。1 9 7 8 年以前的有限元法推导的公式都是仅限于稳定介质状态的。此后，a s t l e y 和e v e r s m a n 等用加权余量法及有限元法把非均匀管道中的声传递扩展到流动介质 情形。1 9 8 1 年r o s s 运用有限元法研究了穿孔单元的声学系统，p e a t 发展了y o n g 和c r o c k e r 的工作，在四端网络参数的基础上考虑了介质均匀流动的影响。c r a g g s a 则提出了传统三维单元的有限元简化模型，用于简单管的声学单元，以后 r j b e r h a r d 又用有限元对消声器进行了形状优化设计方面的研究【5 】。近十几年，有 限元趋于完善，1 9 9 1 年利用有限元法建立了消声器和排气系统的有限元模型【3 m 3 1 】， 后来有学者应用有限元法计算传声损失，在简单模型且不考虑气流的情况下，f e m 能较好的与试验数据相吻创3 2 1 ，国内一些学者也作过一些基础研究 3 3 - 3 6 】。 声学有限元法是计算管道声学特性的有效方法。它可以将复杂的多输入、输 出的分支管路系统表示为相互连接的离散的声学单元组合形式，并预测不同结构 排气系统的噪声特性，此法特别适用于处理复杂的具有串、并联分支结构的排气 系统。声学有限元的计算是通过电子计算机来实现的，这就需要编制相应的程序， 目前，已有比较成熟的商业软件，如：s y s n o i s e 等。 边界元法 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，以下简称b e m ) 只在研究区域的边界进 行单元划分，将边界离散化，并通过联立方程式求解：而在研究区域的均匀介质内， 则用连续的数学物理方程求解。b e m 根据格林定理将运动微分方程式转化为等价 的边界积分方程p 。 2 0 世纪六七十年代国外学者【3 8 】运用声学边界元法把消声器区域外表面离散为 一系列的单元或网格，区域上用全部满足边界条件的函数离散，再将消声器边界 重庆入学硕士学位论文1 绪论 单元和内部区域结合起来，从而建立了消声器声学边界元模型。边界元法与有限 元法相比具有较少的自由度，其精度只与边界的离散有关，与模态高低或密度无 关。边界元法的优点是：边界元法只在边界上进行离散，大大减少了计算量。其 缺点是弹性边界较难确定，一般依赖于试验测量。这就导致两个问题：一是试验 测量误差会降低分析精度；二是不能在图纸阶段进行内部声场的分析和优化。最 近过去的十年间，国内外都取得了一定的成就，1 9 9 4 年s e l a m e t 等人运用边界元 法对共振式和扩张式消声器进行了分析计算【3 9 郴】，后来有人将其应用于其他类型 消声器的计算【4 1 - 4 2 ，国内的刘晓玲【4 3 州、黎苏 4 5 - 4 6 】在边界元方面都有较深的研究。 有源消声法 除了上述四种分析方法进行消声器设计以外，有源消声和半有源消声的研究 不断深入。半有源消声器能使排气系统与不同的发动机工况相适应，从而获得最 佳的声学特性。在气流低速时，可使用小直径管，对低频特性有益；高速时，由 控制阀打开大直径管，来减少气流噪声和功率的损失【l9 1 。有源消声系统，它是根 据两个声波相消性干涉或声波辐射抑制的原理，通过人为制造一个控制声源，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，使两者相互作用互 相抵消，从而达到降噪的目的【2 9 】。它对控制精度和对车辆快速变化工况的适应能 力要求很高。有源消声系统的优点在于：可以减少消声器体积，减少背压，使消 声器减少复杂程度，从而实现标准化，有源消声方法引起越来越广泛的重视。 1 9 3 4 年美国的p a u ll e u g 最早提出了有源消声的概念，但到1 9 5 3 年才由美国 的r c a 公司实现了第一个试验装置，以后又大致经历了由单极到多极这一发展过 程。7 0 年代以后，随着电子技术的飞速发展，主动消声的研究取得突破性的成果， 其中管道主动消声的研究也达到了相当的水平，并有了成功的应用。1 9 8 3 年挪威 的t b e r g e 在柴油汽车驾驶室内采用有源消声装置，取得了在点火频率处使噪声降 低1 5 7 分贝的良好效果。1 9 8 7 年英国在轿车中采用自适应系统进行试验，在3 0 0 0 6 0 0 0 r m i n 转速范围内取得明显的效果。德国b o s e 公司还专门为飞行员研制了有源 消声耳机 4 7 】。近几年，国外一些学者在研究噪声主动控制的控制策略 4 8 - 4 9 】，国内 学者对噪声的主动控制也相当重视，吉林大学、南京大学等都在这方面进行了不 少研裂5 0 - 5 2 1 。 传递矩阵法、特征线法、有限元法、边界元法及目前并不成熟的有源消声法 用于消声器的设计计算时，虽各有优缺点，但由于有限元法具有精度高、适应性 强以及计算格式规范统一等优点，故在短短5 0 多年间已广泛应用于机械、宇航航 空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，成为现代汽车产品设计 中的种重要工具。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 课题的意义 到目前为止，关于消声器设计大都采用试验研究的方法，即先设计若干消声 器，然后在发动机台架上或整车上进行试验，不满足要求的要经过重新设计然后 再进行试验，直到满足要求为止。显而易见，此种方法缺乏优化设计，往往在设 计上过于保守，从而造成体积偏大，这样既浪费人力物力，延长了开发周期，又 达不到设计效果。本课题的方法是对某排气消声器进行声场仿真分析，在试验的 基础上对某排气消声器进行改进设计，并对改进后的消声器进行声场分析，对比 几种改进后的消声器的消声性能，找到满足要求的改进结构进行试制样件。这样 就避免了大量试制试验过程产生的人力物力资源的消耗，缩短了开发周期，节约成 本。 1 3 本文的主要研究工作 研究声学元件声传播过程，以及消声器本身的内部结构和外界因素对消声 性能的影响。 根据对三种消声器总成的实验分析，综合某车型的安装尺寸限定，选出一 种消声器总成进行改进设计。 根据厂家生产所提供的图纸，建立该排气消声器的三维几何模型，然后运 用s y s n o i s e 软件对其进行声场有限元分析，分析目前该消声器存在的问题以及 这些问题产生的原因。 利用有限元分析软件f l u e n t 对某排气消声器内部流场进行研究，分析消声 器内部气流速度、温度和压力分布情况。 编制消声器性能预测软件，辅助对该消声器总成的设计改进工作，结合对 该消声器性能的分析以及软件的估算，对其结构以及参数进行改进与调整，以使 得改进后的消声器总成能够应用于该车型。 5 重庆大学硕士学位论文 2 噪声基本理论和分析方法 2 噪声基本理论和分析方法 2 1 声学理论 2 1 1 基本概念 声波与振动是紧密相关的，机械振动常常产生声辐射。人们能否听到声音， 决定于声波的频率和强度。可听声的频率范围大约为2 0 2 0 0 0 0 h z ，其强度范围大 约为o 1 3 0 d b t 5 4 】。 声波 声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。声波在空气 中传播时只能发生压缩与膨胀，空气质点的振动方向与声波的传播方向一致，所 以空气中的声波是纵波。 声压 当声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，压缩时压强 增加，膨胀时压强减小，这变化部分的压强与静压强的差值称为声压。 质点振动位移 声波的质点振动位移是媒介中的质点因声波通过而引起的相对于平衡位置的 位移。振动质点的最大位移称为振动的振幅。空气中声波振动的幅度非常小，大 约在1 0 。7 m i l l 到l m m 之间，低限相应于听阈，高限相应于痛阈。 质点的振动速度 声波的质点振动速度是在一定时刻，媒质中某一无穷小部分由于声波存在而 引起的相对于整个媒质的速度。 声阻抗 媒质在一定表面上的声阻抗是该表面上的平均有效声压p 对于通过该表面上 的有效体积速度u 的比值：乙= p u 。声阻抗的实数部分为声阻，虚数部分为声抗。 声阻抗率是媒质中某一点的有效声压对该点的有效质点速度v 的比值，z s = p v 。 在一自由平面，声波中某点的有效声压p 对该点的有效质点速度v 的比值称 为特性阻抗。它等于媒质密度扁和媒质中声速c 的乘积，z 。= p v = ；。c ，在温度 为2 0 。c 和标准大气压时，空气的特性阻抗为4 0 0 p a s l m 。 声强 在某点按指定方向测定的声强是该点上在单位时间内通过与指定方向垂直的 单位面积的声能平均值。声强的大小与离开声源的距离有关，单位时间内，声源 辐射的声能是一定的，离声源越远，声波辐射声能的面积越大，因此通过单位面 积的能量越小，声强越小。由定义可知，声强是一个既有大小又有方向的矢量。 6 重庆大学硕十学位论文2 噪声基本理论和分析方法 由于声强有方向性，可以指明声源的位置，可以利用声强识别声源。 声功率 声功率是单位时问内垂直通过指定面积的声能。声源的声功率通常指在单位 时间内声源向空间辐射的总能量。 2 1 2 理想流体媒介中的声波方程 声波传播的一般情况涉及三维空间，下面给出三维空间内在理想流体媒质中 声波传播的一般关系。声场的特征可以通过媒质中的声压、质点速度和密度的变 化量来表示。为了使问题简化，必须对媒质和声波方程作出一些假设，例如： 媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性，声波在这种理想媒质中传播没 有能量耗损； 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，同时媒质是均匀的，因此媒质中 静态压强疡、静态密度风都是常数： 声波传播过时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的； 媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量，即声压尸甚小于 媒质中静态压强p o ；质点速度y 甚小于声速c d ，质点位移善甚小于声波波长力； 媒质密度增量甚小于静态密度矶。 声波方程如下： 运动方程 运动方程是由牛顿第二定律推导而得，即作用于流体微团上的合力，等于流 体微团的动量变化率。方程为： j 简 跏= - p o ( 2 1 ) 研 式中，豇= ( 印缸) 尹+ ( 印砂) 歹+ ( 0 p l & ) k 是声压在空间声场分布的梯度， 哥= 1 ， + 1 ，7 + 1 ，：云是质点振动速度5 4 1 。 连续方程 连续方程就是质量守恒定律，即单位时间内进出流体介质微团的质量之差等 于微团内质量的变化率。方程为： 詈一印哥 式中符号含义同上。 物态方程 声波在理想媒质中传播时没有热交换， 绝热物态方程为： 望= c ：望 7 ( 2 2 ) 因此可以列出一定质量的理想气体的 ( 2 3 ) 重庆大学硕士学位论文2 噪声基本理论和分析方法 其中c 2 = p o = 球t ，7 为比热比，对于空气，厂2 i 4 ，r 为通用气体常数，故 声速c = 2 0 5 打。 波动方程 由上述三个基本方程，可以导出波动方程 馨= c 2 v 2 p ( 2 4 ) 式中，拉普拉斯算符为： 直角坐标系：v 2 = 导+ 导+ 导 柱面坐繇v 2 = ；1 咖0 ( ，争专导等 球面坐繇v 2 = 专争( ，2 甄o r 南s i n 扣n 臼争赤s m 鲁r o r r eo 廿 。移r 廿0 0 2 1 3 一维平面波理论 上述方程要在三维空间上求解，比较困难，实际应用上，常将其适当简化。 声音在细长管道中传播时，一般可近似视为平面声波。平面声波仅沿y 轴传播， 则得平面方程： 害a t - c 2 等 ( 2 5 ) 2 加2 、 对于角频率为仍的简谐波，其一般解为： p ：a s i n 【缈( f 三) + 驴】( 2 6 ) c 式中，+ ”表示反向声波，“”表示正向声波，彳为声压幅值，p 为初始相位角。 由平面波假设，沿管道系统任一截面上的声学状态可用声压p 以及体积速度u 两个状态参数描述。任取一个单元进行分析，由线性化假设可知单元两侧界面上 的状态参数应线性相关，对于给定的单元，由一侧的状态参数可以决定另一侧的 状态参数。换句话说，任一给定单元的特性相当于一个四端网络。如图2 1 ( a ) 为一 个声学单元，其阻抗型等效电路如图2 1 ( b ) 所示。 重庆人学硕士学位论文 2 噪声基本理论和分析方法 亩 源 方 向 左侧界面右侧界面 珈up u 声学 - 。_ _ - _ - 一 。_ - - 。- _ 一 单元 ( a ) 3 四端c ，厂 3o 一p 网络 1 出 口 方 向 ( b ) 图2 1 声学单元等效电路图 f i g2 1e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fa c o u s f i c su n i t 声压对应电压，体积速度对应电流，声阻抗对应电阻抗。把一端( 例如输出 端) 的状态参数p 和u 看成是自变量，那么另一端( 输入端) 的相应参数肋和 可看成是因变量，可得： 各偏导数仅由四端网络的特性决定。 式( 2 7 ) 可以改写成下面的形式： ，+ 曰警 仁8 ， 世：o + d p c u 、 s n i s o 式中，成为媒质特性阻抗，& 为主管道横截面面积，比值安可叫做主管道的特性 声阻抗，由于参数警与声压p 有相同的量纲，因此系数彳、b ，c 、。为无量纲 量，用矩阵形式表示得： 9 亿 u ， l ，-、，f、氲亟触 + + p p k b 謦盟勿 i i 刮 风 重庆大学硕士学位论文2 噪声基本理论和分析方法 斛01 叫纠 亿9 ， 矩阵【丁】= l 尝三l 反映声学单元两端问的相互关系，叫做传递矩阵。 因此，在已知入口端状态参数岛、玑情况下，可分别求出各单元的传递矩阵， 2 2 三维数值方法 数值解法是在求解域上离散控制方程，施加正确的边界条件后，在每一个单 元或节点上求解控制变量。依据求解域的不同，可分为有限元法和边界元法，本 文主要采用有限元法来对消声器总成进行声学分析。 2 2 1 边界条件 令p = p ( x ，j ，z ) e 胁，i 为复数单位，通过分离变量，式( 2 5 ) 可转化为声压幅 值p ( x ，y ，z ) 的h e l m h o l t z 方程： v 2 夕+ 尼2 夕= 0 ( 2 1 1 ) 在消声器的分析中，共有三种边界条件： 第一类边界条件给定声压，也叫做d i r i c h l e t 边界条件，此时质点速度是未 知的。一般该条件施加在入口作为激励，在该条件下，h e l m h o l t z 方程标准成立， 即： v 2 p + 后2 p = 0 ( 2 1 2 ) 第二类边界条件给定质点速度，也叫做n e u m a r m 边界条件，此时声压未知。 一般该条件施加在入口作为激励，或作为振动壁面辐射噪声时，声固耦合的相互 作用项。在该边界条件下，下述方程准确成立： 窭+ 功呃之0 ( 2 1 3 ) d 玎 式中，譬是振动壁面的法向倒数，瓦是振动壁面的法向速度。 1 0 重庆人学硕+ 学位论文 2 噪声基本理论和分析方法 第三类边界条件给定导纳，也叫做r o b i n 边界条件，此时只有质点声速和 声压的相互关系是确定的。一般该条件施加在有吸声材料的壁面上。在该边界条 件下，下述方程准确成立： 孚+ 删。p = 0( 2 1 4 ) 锄 ”、 式中，以是壁面上施加的导纳。消声器中经常遇到的几种壁面是：刚性壁面彳。= 0 ， 完全吸收壁面彳。= 1 ，吸声系数为口的壁面4 。= a p c 。 2 2 2 有限元方法 s 1 图2 2 有限元简图 f i g2 2t h ef i g u r eo f f i n i t e 如图2 2 所示，y 是整个求解域，s ，、& 和函是其边界条件，假设h e l m h o l t z 方程只在s ，上成立，p 是该方程的一个近似解。定义残差余量如下： r 矿= v 2 p + 七2 p 匙：= 一8 p 一讧厩 ( 2 1 5 ) r s 。= 一a 、多一i p c o a p | 矿勺2 p + 七2 p ) d 矿一s p 2 矿( , a r l 三裂二p 。 西：。c 2 7 ， 矿 ，11m 其中：少v 2 p d 矿= 少缈跏+ ) 一v 跏+ d v - - - 夕肜即d y + 少等峦 m q 0 l i 始 如 少s +搬 b 形 t是 +矿 ， 为氓 赋少y 表 量 余权 加 重鏖盔堂堕主堂堡堡奎 ! 壁垒堇奎里丝塑坌燮 将其代入( 2 1 7 ) ，得： j ( - v 形即+ j 2w p ) a v y + j 矿筹搬一形( 筹+ z p 国瓦) 搬一( 鲁+ z p 4 。p ) 搬= 。2 _ 8 最终： ，( - - - v w 叽咖慨等招 ( 2 1 9 ) f p j 形瓦舔一枷n w p d s = o 如果加权函数形在s j 上为零( 例如边界条件s l 成立) ，控制方程为： f ( _ v 形v p + + i | 2wp ) d 矿一哗f 肜瓦嬲一i p c oj 。么。w p 。d s = o ( 2 2 0 ) 在秉解域离散化后，设p ( x ) = 芝，n ，( x ) ，典中，b 一是在节点，处的近 似声压；m 是关于节点的形状参数；荡1 是单元的节点数，用形状函数代替p ，得： 三捃l - v w - v 睁m p 矿隆m 胪 亿2 。， 一枷，肜瓦棚一印 4 形l ；p ，fj 嬲= o s e l f a c 。r 单元的自由面 s 2 3 f a c e s - 声体积表面 取n 为加权函数，则： 。e l e m e n t 。矿，( 一v m v ( 军只m ) + 后2q ( ；只m ) d y m 、77 却一s够asip嚷洛spn媾叫幽瓠faces2faces s 戡 3 f d c 屯s5 r j 、i 将节点值拿到积分号外，k = c o c ，即： e l e m e n t ，军p t ，l 坷叩( 咖罟m j 户蚴。， u ：z z j 却豪弄队s | ? “d s “p 豪。s f a n c e 2 1 f a c e ，秘 s 3 f a c 档i s e t 。 。“。s 斟 定义以下系数： h ；：i 讽删；铲p m 趣q 。= 挚v 以= j s l n y a s s t 。 d 2 将各节点的求解方程合到一起，得系统离散方程： 1 2 重庆大学硕士学位论文2 噪声基本理论和分析方法 ( 旧卜f 阻】国2 豳】) = 一i p c o f ) ( 2 2 3 ) 其中： - 翻转质量矩阵； m 卜一导纳矩阵； 【q 卜一可压缩矩阵； 【用一激励矩阵。 求解该离散方程，即可求得每一节点的声压和速度。 2 3 本章小结 本章主要介绍了排气噪声的基本声学概念和理论，其中包括对声学基本物理 量概念的描述、理想流体的基本方程、以及其求解方法。重点对运用一维平面波 理论以及三维有限元方法求解的过程做了详细阐述，并总结了声学计算时常用的 边界条件。 1 3 重庆人学硕士学位论文3 排气消声器声学特性的影响 3 排气消声器声学特性的影响因素 3 1 消声器性能的评价指标 消声器是一种能阻碍声音传播而容许气流顺利通过的设备。根据消声机理的 不同，基本上可分为阻性、抗性、复合式及排气放空式四种类型。 消声器的性能评价指标主要有三项：消声量、消声频率范围及阻力损失。 消声量 评价排气消声器的消声量常用指标有插入损失d 和隔声量r 。 消声器的插入损失是指空间某固定点测得的安装消声器前后的声压级之差或 声功率级之差。插入损失不仅与消声器有关，还与声源特性、消声器末端阻抗有 关，反映了使用消声器的实际降噪效果。 消声器的隔声量亦称传声损失，它表示消声器输入和输出噪声能量的相对变 化关系，定义为消声器入口和出口处的声功率级之差，即： 形 r = 1 0 1 9 = l 矿i l 矽2 ( 3 1 ) t t ，丌r r 、， w 2 式中，彬和吸分别为消声器入口和出口处的声功率，三矿，和三矿：是相应的声功率 级，隔声量尺反映了消声器本身的传递声波特性，不受声源管道系统和消声器之 后尾管的影响。对消声器进行理论分析和设计计算时，使用尺比较方便，但隔声 量的测量比较困难，隔声量和插入损失在数值上略有差别。 消声频率范围 消声器的频率特性即消声器在各频率或频带上的消声量，一般以倍频程和1 3 倍频程来表示，进行较深入的分析时也可用窄带谱来表示。消声频率范围就是指 消声量显著的频率或频带，这方面没有统一的定量评价指标，一般要求所消声的 有效频带范围越宽越好，在人敏感的频率范围应有足够的消声量，声源辐射噪声 大的频段应有较大的消声量，这样可以使消声降噪的效果比较好。 阻力损失 消声器的阻力损失一般可用静压差和阻力系数表示。考虑消声器的入口和出 口处截面积相同，气流速度相等，故动压相同，阻力损失仅取决于静压的变化。 定义静压差为消声器入口与出口的静压之差，定义阻力系数为静压差与其测点端 面上的动压之比。静压差和阻力系数越小，说明消声器的阻力损失越小。 对于车用排气消声器，通常用功率损失比来评价消声器的空气动力性能，它 反映了消声器的阻力损失对内燃机性能的影响。消声器的功率损失比定义为：内 燃机在标定工况下不装消声器时的功率只，与装消声器后的功率：之差与不装消 1 4 重庆人学硕七学位论文3 排气消声器声学特性的影响 声器时功率的比值，即： 耻警枷。 ( 3 2 ) 一般要求功率损失r 5 。 除了以上三个对消声器的评价指标，再生噪声也越来越受重视。所谓再生噪 声是指在气流作用下，消声器本身产生的噪声，是一种附加噪纠5 5 。5 6 1 。当气流流 过消声器时，将遇到消声器壳体的振动、壳内的截面突变、穿孔板、弯头以及气 流和消声管道表而的摩擦等情况，从而产生涡流并激发出噪声，使消声器所表现 出来的消声性能大大降低，严重时将会使消声器失效，甚至变成噪声发生器。因 此在设计中应尽量使结构少产生再生噪声。 3 2 消声器基本结构对消声性能的影响 阻性消声器的消声性能主要取决于多孔吸声材料的吸声特性、消声器的结构 形式、以及消声器的有效长度等，抗性消声器中最常用的消声结构是简单扩张式 消声器、带内插管的扩张式消声器、亥姆霍兹共振器以及穿孔吸声结构等，对于 它们的消声特性有很多比较成熟的理论计算方法或经验公式。本课题研究的是阻 抗复合型的消声器，该消声器综合了阻性和抗性消声器两者的特点。下面分别对 阻性消声器的吸声材料特性、抗性消声器各结构单元以及外界因素对消声性能的 影响进行研究。 3 2 1 多子l 吸声材料的影响 多孔吸声材料的构造特征是从表到里都具有大量的互相贯通的微孔，影响多 孔材料吸声性能的因素从结构参数的角度来说主要有：流阻( 母) 、孔隙率( p ) 和 结构因子，这些参数仅仅只提供了理论分析的依据，从工程实用的角度上说主要 的影响因素是厚度、体积密度、背景空腔、面层等。 流阻 流阻是空气质点通过材料空隙中的阻力。在稳定的气流状态下，定义为吸声 材料中的压力梯度与气流线流速之比，单位为帕秒每米( p a s m ) ，它表征了材料的 透气性。单位厚度的流阻称为材料的流阻率，单位为帕秒每平方米s m ? ) a n r ，= 竺 ( 3 3 ) 。 u 足：望土 ( 3 4 ) 4 ud 式中卸材料两边的压力差，单位为( p a ) ； l 卜为气流通过材料的线速度，单位为( i l l s ) ； 重庆大学硕七学位论文3 排气消声器声学特性的影响 扛为材料的厚度( 单位为m ) 。 当材料的流阻在2 - 4 倍的空气特性阻抗时，其吸声性能较好。对于低流阻材 料，低频段的吸声很低，到某一中、高频段后吸声效能陡然增大，高流阻材料与 低流阻材料相比，高频吸声作用明显下降，低中频的吸声作用有所提高。 孔隙率 孔隙率是材料内部空气体积与材料总体积之比( ) p = 圪吃 ( 3 5 ) 式中圪一材料中与大气相连通的空气体积； 圪广- 材料的总体积； 吸声材料的孔隙率一般在7 0 以上，多数达9 0 左右。当孔隙率0 7 - - 1 之间 时，整个频率范围的吸声性能都随着孔隙率增大而提高，相对而言，中高频的变 化要明显一些。 结构因子 结构因子是个修正系数，在多孔材料的吸声理论研究中，将多孔材料中的微 小间隙当作毛细管沿厚度方向纵向排列的模型，但实际上材料中的细小间隙的形 状和排列是很复杂和不规则的，为使理论与实际相符符合，引进了结构因子这个 修正系数。一般材料的结构因子在2 , - - - 1 0 之间，也有高达2 0 - 2 5 的。结构因子对 低频的影响很小，当材料流阻很小时，增加结构因子，在高、中频范围内可以看 到材料吸声作用呈周期性的变化。 一般来说，在3 0 0 0 h z 以下，这些结构参数的变化对吸声材料的吸声性能影响 都不会太大，吸声材料在5 0 0 h z 以下的低频基本上不起作用，大于5 0 0 h z 时，随 着频率的增加，吸声作用会越来越明显。 3 2 2 简单扩张结构的影响 扩张腔式消声器是一种应用十分广泛的抗性消声器。它主要利用因截面突变 造成声传播通道阻抗失配的方法，达到消声的目的。简单扩张消声器的消声性能 主要与两个结构参数有关即膨胀室的膨胀比肌，以及膨胀室的长度，。 根据一维平面波理论，典型的单节扩张腔消声器的消声量可由下式计算 11 r = 1 0 1 9 e l + 伽二) 2 s i n 2k l 】 ( 3 6 ) |m 式中，m 扩张比，m = s 2 s l ；