（车辆工程专业论文）排气消声器与发动机匹配设计系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着城市车辆的增多，噪声污染已经严重干扰了人们的生活，世 界各个国家也对车辆噪声提出越来越严格的限制要求。发动机排气噪 声是车辆的主要噪声源之一，使用排气消声器则是降低发动机排气噪 声的最有效的方法，传统的消声器与发动机匹配设计试验周期长、难 以取得最好的效果、设计时消声器声学性能和发动机空气动力性能不 能综合考虑等诸多弊端。本文在研究了消声器与发动机的匹配以及不 同扩张腔形状对消声器的消声性能的影响的基础上，开发了排气消声 器与发动机匹配设计系统。 文章在消声器设计中采用传递矩阵法，在考虑消声器内部均匀流 和线性温度梯度的前提下，推导出了组成抗性消声器常见的七种基本 消声结构的四端网络传递矩阵，在此基础上建立了抗性消声器性能优 化设计的数学模型。然后用有限元法分析了不同扩张腔形状对消声器 性能的影响，研究表明：在扩张比一定的情况下，扩张腔的形状对消 声器性能有一定的影响，在各种形状的消声器中，扩张腔截面为圆形 的消声器性能最佳。 最后，利用v i s u a lb a s i c 和m a t l a b 编制了抗性消声器与发动机 匹配设计系统。该系统能够完成常见抗性消声器结构参数的优化设计， 然后借助试验对该系统的计算结果进行了验证，计算结果与试验结果 的比较表明，本系统能在优选的消声器结构中快速优化结构参数，能 够满足工程需要，具有一定的实用价值。 关键词：噪声，抗性消声器，传递矩阵法，优化设计，有限元法， 截面形状 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h en u m b e ro fv e h i c l em c r e a s m gi nt h ec i t y , n o i s ep o l l u t i o nh a s d m t u r b e dd t i z e n sl i f e f i o u s l y m a n yg o v e r n m e n t sh a v eb r o u g h tf o r w a r d m o r ea n dm o r es t r i al i m i t st ot h en o i s eo fv e m d e t h en o i s ep r o d u c e db y o u t - t a k es y s t e mo fe n g i n ei st h em a i nn o i s eo r i g i no fv e h i c l e s i n c eu s i n g e x h a u s tm u f f l e ri st h em a i na p p r o a c ht 0d e c r e a s et h en o i s el e v c lo fe n g i n e t h e 仃a & f i o n a ld e s i g no fm u f f i e rh a ss o m ed e f i c i e n c ys u c h 舔l o n g e r t e s t i n gp e 面d s ，m o r cm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sb u tn o tb e s te f f e c t , c a n tt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c eo fm u f f l e ra n dt h e a t m o s p h e r ed y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo fe n g i n et o g e t h e nt h i sp a p e rh a s c a r d e do u ts o m er e s e a r c ho nt h em a t c h e dd e s i g n i n gs y s t e mo fe x h a u s t m u f f l e ra n de n g i n ea n dt h ee f f e c t so fs e c t i o n p r o f i l e s o l la c o u s t i c p e r f o r m a n c e t r a n s f e rm a t r i x 伪o fs e v e nk i n d so fs i l e n c i n ge l e n l e n _ t s 聃陀r ed e d u c e d i nc a s eo fe v e nf l o wa n dl i n e a rt e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h i sp a p e r , o nt h e b a s i st h eo l y t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lw e r cd e v c l o p e db yt r a n s f e rm a t r i x m e t h o d t h a n ，t h ee f f e c t so fs e c t i o np r o f i l e so na c o u s t i cp e r f o r m a n c ew a s a n a l y s e dw i m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ei n v e s t i g a t er e s u l t sr e v e a lt h a tf o r ag i v e ne x p a n s i o nr a t i o ，t h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c eo fas i m p l ee x p a n s m n m u f f l e rw i t hc b c u l a rs e c t i o ni ss u p e r i o rt 0t h o s ew i t he l l i p t i c a la n ds q u a r e 江苏大学硕士学位论文 s e c t i o ni nt e r m so fm u f f l e re f f e c t i v e n e s si nt h ef r e q u e n c yr a n g eb e y o n dt h e c u t - o f ff r e q u e n c y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h em a t c h e dd e s i g n i n gs y s t e mo f e x h a u s tm u f f l e ra n d e n g i n ew a sd e s i g n e dt h r o u g hv i s u a lb a s i ca n dm a t l a b j o i n t l y t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o no fo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es t r u c t u r e p a r a m e t e r so fm u f f l e rt od i f f e r e n te n g i n e s t h e nt h ee x a m i n a t i o nh a s c a r r i e do u tt ov a l i d a t ec a l c u l a t e r e s u l t s ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n e x a m i n a t i o nr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h el a t t e rh a d n e c e s s a r yp r e c i s i o nt om e e te n g i n e e r i n gp r o b l e m sa n dt h em a t c h i n gs y s t e m h a dm u c ha p p l i e dv a l u e k e yw o r d s ：n o i s e ，e x h a u s t m u f f l e r , t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d , o p t i m i z a t i o nd e s i g n , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , s e c t i o n p r o f i l e s h i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：啃尊，旦 川年b 月6 【j 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：智享、五 日期：一一7 年6 月b _ = j 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展，各种交通工具数量日益增多，由此带来的噪声污 染已成为干扰和破坏国民生活的一大公害。特别是在人口密集的城市，由于汽车 行驶速度日益加快，使用功率日益增强，汽车噪声污染弥漫于城市中的每个角落， 时刻破坏着城市的安宁，影响居民的身心健康。噪声可以对人的听觉器官造成伤 害，干扰交谈，妨碍睡眠，造成人的身心疲劳，高频噪声还能使建筑物和仪器设 备受到损伤。各项调查和测量表明，城市交通噪声是目前城市环境最主要的噪声 源。因此，降低车辆的噪声是减少城市噪声的根本途径。 为了控制噪声污染，世界各国都制定了许多相关的噪声控制标准和法规嘲，并 且越来越严格。如1 9 8 9 年，欧共体中型客车的行驶噪声限值为8 0 d b ，日本为8 3 d b ， 瑞士为8 0 d b ，而中国是8 6 d b 。近年来，我国制定了新的车辆噪声标准，2 0 0 2 年1 月，国家环保总局发布了新的汽车噪声控制法规g b1 4 9 5 - 2 0 0 2 0 1 ，其规定车外最 大噪声级不应超过法规中规定的限值，具体见表1 1 。 表1 1g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值 噪卢限值d 卫 汽车分类 第一阶段第二阶段 2 0 0 2 1 0 1 2 0 0 4 1 2 3 12 0 0 5 0 1 0 1 以后 m l 7 77 4 m 2 ( g v m _ 3 5 0 ，或n 1 ( g v 9 5 0 ： g v m l 2 t 7 87 6 2 t g v m ! 多5 t 7 97 7 m 2 ( 3 5 t 1 2 t ) ： p 1 4 0 k w ，p g v m 之比大于7 5 k w t ，并l i且用第三档测试时其尾端出线的速度大于6 1 k m h ，则其限值增加l d b ( a ) 。 注：m 类指至少有四个车轮的载客机动车辆，或有三个车轮且最大总质量超过1 吨的载客机动 车辆： n 类指至少有四个车轮的载货机动车辆，或有三个车轮且最大总质量超过1 吨的载货机动 车辆； 6 v m - - - - 最大总质量( t ) ：p 一一发动机额定功率( k w ) 。 汽车发动机排气噪声是汽车最主要的噪声源，它一般比汽车发动机的其他噪 声高1 0 1 5 d bc a ) 。随着发动机转速及强化程度的提高，排气系统内气流速度加 大，排气噪声也日益增大，从而使机动车辆整车噪声有增大的趋势。降低排气噪 声的有效方法是使用排气消声器，所以，汽车排气消声器性能的优劣对汽车噪声 的控制和缓解城市噪声污染有极其重要的作用。 我国消声器设计仍以类比选型设计为主，消声效果不好，针对性不强，开发 周期长。利用计算机建立模型，编制相应的软件来进行消声器匹配优化设计，使 消声器设计周期缩短，节省了人力和物力，具有重要的现实意义“1 。目前，国内外 的大学和科研机构都在进行这方面的研究，力求改进消声系统的数学模型，编制 使用方便、计算结果精度较高的软件。 1 2 消声器设计研究的现状 排气消声器的优化设计涉及到流体力学、声学、热力学以及发动机理论，因 此具有一定的复杂性。发动机排气噪声的研究及消声器声学性能的计算是发动机 排气系统设计的理论基础，所建立的物理模型将直接影响计算结果的精度。因此， 对于消声器的优化设计，所选择的理论模型对于优化的结果至关重要。 过去，在这方面的研究主要有两种方法：线性声学的声波分析法和一维不稳 定流动分析法。在线性声学的声波分析法中，将发动机和排气系统一起用模拟电 路来表示，将发动机看作是具有一定强度和阻抗的声源，将排气系统看作是被动 元件的组合，周围环境用尾管辐射声阻抗表示。此法利用四端网络传递矩阵表示 2 江苏大学硕士学位论文 系统声学元件的特性以及分析不同频率时的声学性能是非常方便的，己经成功应 用于一维排气系统声学性能研究，并且考虑了均匀流及线性温度梯度的影响。这 种方法的主要缺点是声源特性只能用实验的方法来确定，不适用于发动机变转速 变负荷工况。 在一维不稳定流动分析中，用特征线法在时域内逐步对排气系统内的气体不 稳定流动方程组和相应的边界方程求数值解，此法的优点是声源特性比较容易确 定和描述，不需要较多的实验来确定经验系数，较好地考虑了各种非线性因素和 流动的影响。其缺点是需较多的边界条件，以致很难解析计算复杂消声装置的声 学性能0 3 。 j o n e s 在评论了发动机排气噪声模拟研究所用的两种方法的优缺点之后，提出 了一种新的设想：用不稳定流动分析法确定发动机排气系统的声源特性，使之与 线性分析法中使用的传递矩阵法相结合，两者取长补短。按照这种思想，马强等 提出用特征线法和传递矩阵法联合预报柴油机排气噪声。在此方法中，通过用特 征线法计算柴油机排气的不稳定流动过程，依靠双负载法确定柴油机的声源强度 和阻抗特性，然后利用传递矩阵法预报柴油机排气系统出口的辐射噪声级和消声 器的插入损失“1 。 然而，上述方法的使用范围仍限于一维平面波传播，无法考虑多维效应。由 于实际的排气消声器一般具有复杂的结构和较大的尺寸，其内部的声波本质是三 维的，这时简单的一维理论不再适用，应采用更加精确的三维理论模型。另一方 面，在发动机排气消声系统中，热气体沿管道流动而逐渐冷却，引起温度梯度， 气体流动和温度梯度的存在又直接影响排气消声系统中的声传播。因此，研究与 发展一种考虑气体流动、温度梯度及高次模式波效应的适用于复杂形状消声器声 学性能分析的计算方法具有重要的现实意义，只有良好的理论模型和优良的计算 方法才能合理的分析消声器的真实特性，优化消声器设计。 各种数值方法的发展及计算机技术的应用和普及，为合理的分析复杂消声器 声学性能并从理论上指导消声器设计提供了可能。有限元法是最常用的数值方法， 可对各种类型的消声器进行数值计算及分析，但这种方法是以容量大、速度高的 计算机开发作为前提的。对于复杂消声器的计算及分析，从计算成本来说，将受 到很大的限制。因此，研究开发更加有效的计算方法显得非常重要。 3 江苏大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代末发展起来的边界元法与有限元法相比具有许多优点。首先， 它只需在边界上进行离散并求解未知量，使问题的维数降低一维，因而大大简化 了数据准备工作，也减少了方程组的个数，由于分析消声器的声学特性并不需探 求内部点声学量，只需计算进出口声学量即可，因而与有限元法这类区域型方法 相比，边界元法可用较少的未知量分析同一问题。其次，边界元法特别适合于求 解无限域问题，因而可方便地计算管口的声辐射特性。因此，边界元法是排气消 声器声学特性分析比较理想的数值方法。 然而，边界元法在管道及消声器声学性能计算方面的研究还是很少。在此之 前，只有少数学者对具有静态介质的二维及轴对称管道的消声器进行了计算分析， 还没有对复杂的三维问题进行研究。就这些研究而言，他们只限于边界元法的简 单应用，还有许多细节问题没有考虑，如奇异积分、角点的处理等。因此将边界 元法用于预测及分析消声器的声学特性，还需做进一步的深入研究。值得一提的 是，这些研究均未考虑气流及温度梯度的影响，而考虑气流及温度梯度时消声器 声学特性的边界元分析还不成熟，所以，研究和发展一种成熟的、考虑气体流动 及温度梯度的消声器声学特性的边界元分析方法将是消声器声学特性预测与分析 的趋势之一。 1 3 消声器设计研究的主要方法 由于汽车排气消声器的工作状态复杂，结构多样，进行模拟计算比较困难， 因此在很长一段时间内只能依靠经验与试验相结合的方法，在发动机台架或者整 车上进行大量的试验，对比试验结果来选择较好的方案。但是这些根据经验计算 的结果与试验相差较大，只能起参考作用。目前，消声器的设计主要是从数值分 析方法考虑的，即从波动方程入手，以数学和力学为基础来寻求振动与噪声的关 系，它的设计方法主要有传递矩阵法，特征线法，边界元法和有限元法。 一、传递矩阵法( 四端网络法) 在线性声学的分析方法中，用传递矩阵法描述排气系统是方便而有效的。这 种方法概念清晰，经过若干年不断的完善发展，逐渐趋于成熟。二十世纪2 0 年代 初，美国学者s t e w a r t 率先用声滤波器理论指导抗性消声器设计蜘，利用集中参数 近似算法分析消声器元件。1 9 5 4 年d a v i s 等发表了平面滤波理论的经典论文，运 4 江苏大学硕士学位论文 用平面波理论，分析了无气流时消声器的声学特性嘲。5 0 年代后期至7 0 年代， f u k u d a 等提出用等效电路得到的传递矩阵分析法来计算消声器的传声特性“； s u l l i v a n 等对存在均匀气流时的声传递矩阵进行了研究“”；t h a w a n i 等学者先后 对此理论不断加以丰富和发展，提出了存在气流影响时的声波传播理论“”，此时 还没有考虑温度梯度的影响。八十年代后，随着对气流和温度梯度研究的进一步 深入，m g p r a s s e d 给出了直管的计算模型“”，m l m u a i a l 给出了穿孔管的计算模 型，国外学者把这一理论运用到消声器设计中来“”。国内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，并应用到消声器插入损失的计算。 传递矩阵法简单方便，实用性强，只要消声器结构以及元件参数确定，就可 以确定其传递矩阵。对于复杂结构的消声器，可以将其分解成简单元件的组合， 求得每个简单元件的传递矩阵，然后进行组合即可求得整个消声器的传递矩阵。 当排气噪声频率较低时，对于细长管消声器，其内部噪声传播近似为平面波传播， 这时传递矩阵法就比较合适，传递矩阵法被公认为是消声器设计最有效的方法“”。 二、特征线法 随着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，预测排气噪声已可以实现，使排气噪声模拟和发动机工作过程模拟相 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，得到相关参数。b e n s o n 最早将特征线法 应用于发动机内气体流动的研究，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，他在去世前将其所有思想写 入 t h e r m o d y n a m i c sa n d g a sd y n a m i c si ni ce n g n e s “”，从而确立了他在这个领 域长期的权威地位。后来，这种方法不断完善，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 a “”又 进一步给出了非线性条件下的算法。我国的姚小刚等人改进了b e n s o n 的算法，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。1 9 9 1 年他又发展了一种非网络变步长的算法，考 虑了管壁摩擦传热，使高于1 0 0 0 h z 的高频计算精度提高，同时他运用特征线法将 发动机流动模拟与消声器设计非稳定流动模拟结合起来嘶1 ，并形成实用软件。 5 江苏大学硕士学位论文 三、边界元法 边界元法咖伽嘲( 简称b e m ) 于七十年代首创于安普顿大学，很快应用于消 声器设计中。这种方法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。 二十世纪六、七十年代，国外学者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。边界元法的 明显优点是减少了空间维数和划分单元模型的工作量，降低了计算时间，使数据 精度有所提高。其缺点是弹性边界较难确定，一般依赖于实验测量。这就导致两 个问题：一是实验测量误差会降低分析精度；二是不能在图纸上进行内部声场的 分析和优化。由于实际汽车消声器大多近似轴对称结构，故一般认为用二维模型 来描述其内部声场分布已足够精确。国内许多声学工作者嘶1 也用二维边界元法建 立了消声器的数学模型，并计算了消声器的声学特性。 四、有限元法 有限元法汹1 作为一种数值分析方法，适应性强，是一种分析复杂系统动态特 性的有力工具。它将声传播空气域用有限元离散化，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 题的求解，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。 1 9 7 5 年y o u n g 和c r o c k e r 首先提出用有限元方法来分析消声器元件的传递损 失，此方法对模拟声波在不规则形状空腔中的传播特别有效，也使得消声器在高 阶模式的声波分析成为可能。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、输出的分支管系统表示为相互连续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。 有限元法适用于任意形状的消声器”，并且可以考虑壁面振动、气体流动、 温度梯度对消声性能的影响。有限元计算是通过计算机来实现的，这就需要编制 相应的程序。计算消声器内部声场的有限元模型包括：消声器几何形状的输入数 6 江苏大学硕士学位论文 据文件、单元节点坐标、节点数等，计算消声器的消声频率特性，形成计算结果 输出。国内同济大学、天津大学，重庆大学等都对汽车排气消声器有限元分析进 行了一定的探讨。 除了上述四种分析方法可以进行消声器设计外，近几十年来，随着计算机的 发展和电子控制装置性价比的提高，“电子消声器”已经成为可能，在有源消声嘲 和半有源消声上的研究不断深入嘲。有源消声的优点在于：可以减小消声器体积， 减少背压，使消声器减少复杂程度，从而实现标准化。有源消声系统必须要有高 速度的信号处理器和承受高温与振动的换能器，另外对有源噪声抵消系统来说， 还需要有减少气流脉冲的精密而快速的执行器。有源消声器和半有源消声器的真 正完全实现产品化还需进一步的研究嘲1 。 1 4 本文主要研究内容 本文在总结和研究现有排气消声器设计方法的基础上，提出开发用于消声器 结构参数优化设计的软件，提高排气消声器的工程开发设计能力。在消声器的计 算机辅助设计研究方面，应用较多的是传递矩阵法。国内外的很多研究机构都对 这种方法做过深入的研究，取得了一定的研究成果，但基本消声元件消声设计计 算基本没有考虑气体流动和温度梯度的影响，而且至今尚没有看到比较成熟的软 件出现，在消声器扩张腔截面形状对消声性能的影响方面也没有作深入研究，本 文旨在前人研究的基础上，对这两方面做进一步的研究。 本文的主要研究内容有： l 、建立了消声器系统的数学模型，通过对常见的抗性排气消声器的结构分析， 在考虑均匀气流和线性温度梯度的前提下，推导了它们的传递矩阵；在此基础上 建立了消声器消声量模型和压力损失计算模型并对某典型结构消声器进行了传递 损失的仿真研究。 2 、推导了抗性消声器四端网络参数的三维有限元计算方法，并建立了消声器有 限元计算模型，然后用a n s y s 软件详细分析了简单扩张腔消声器截面形状对消声 性能的影响。 3 、 在考虑各种发动机的排气噪声特性、相应条件下的噪声控制标准、各种声学 子结构的消声特性、发动机功率损失的限制，并参考现有发动机所采用的主要消 7 江苏大学硕士学位论文 声器结构型式和传统设计经验的情况下优选了三种基本的消声器结构型式。 4 、建立了综合考虑消声量和压力损失的消声器结构参数优化计算模型，用1 i ，b 和 m a t l a b 联合编制了实用软件，在输入相应发动机参数和消声要求的情况下，可求 出消声器某些重要参数的优化值，并将软件的计算结果和试验结果进行了比较。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章抗性排气消声器消声模型及仿真研究 2 1 排气噪声的产生和控制 2 1 1 排气噪声的产生 根据发动机的工作原理、工作状态和有关声学方面的理论，可将发动机主要噪 声源嗍分为以下三种：空气动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声。在没有排气消声器 时，排气噪声是最大的噪声源嘲嘲。 发动机工作时，气缸内的废气随着排气口间歇性地开启而周期性地喷射到气 管内，因此产生的排气噪声是周期性的，其主要频率成分为： ：坐( h z ) ( 2 1 ) 6 0 r 式中：k 为发动机的气缸数；以为发动机的转速，单位为r m i n ；f 为发动机的冲 程数，二冲程发动机f = 1 ，四冲程发动机f = 2 。 2 5 0 2 0 0 排气1 5 0 噪声 ( 血) 1 0 0 5 0 o rf vuu u 几 ，、_ p 、一 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 频率( h z ) 图2 1 慕发动机排气噪声实测频谱特性 图2 1 是某发动机排气噪声的实测频谱特性。可见此发动机排气噪声呈现低 中频特性，低频峰值一般在l o o h z 左右，中频峰值在2 0 0 7 0 0 h z 之间。由式( 2 1 ) 可知：低频噪声是由发动机转速、气缸数及冲程数来决定的，中频噪声则是由高 9 江苏大学硕士学位论文 次谐波延伸造成的，而高频噪声则是由于排气涡流、气缸内燃烧以及机件、管道 振动造成的。由此可见，捧气噪声主要包含以下频率成分嘲嘲： l 、基频排气噪声：由于每个气缸的排气门开启时，气缸内的气体突然高速喷出， 气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，从而 激发出噪声。由于各缸排气是在指定的相位上周期地进行，因此这是一种周期性 的噪声，是典型的低频噪声。 2 、排气管内气柱共振的噪声：排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的 激发下，因发生共振而产生空气柱共振噪声。 3 、排气歧管处的气流吹气声：某一缸废气大量排气时，气流流向总管，也会吹 向其他气道开口处，气流流速也会随着曲轴转角发生较大幅度的变化，从而产生 一种周期性的涡流。这种涡流使歧管内的气体产生压力波动，从而激发出以高频 为主的噪声。 4 、 赫尔姆霍茨共振噪声：发动机在排气时，气缸与排气管相通，该气缸此时正 是一个赫尔姆霍茨共振器，由赫尔姆霍茨效应可知，此时会产生共振。它与发动 机转速无关，多缸时则不明显。 5 、废气喷注和冲击噪声：废气喷注噪声是由于排气门处高速的气流喷注而产生 的。同时，排气门附近存在着压力不连续面，气流经过此处时会产生冲击波而激 发冲击噪声，废气喷注和冲击噪声是连续宽频带的高频噪声。 6 、排气系统管道内壁面处的摩擦及紊流噪声：在自由排气阶段，废气的流动是 紊流流动。紊流气体在排气道内壁面附近形成的涡流引起壁面附近气体压力波动， 辐射出噪声，这种噪声主要为宽频带的高频噪声。 汽车排气系统噪声产生的因素很多，除了上述六种组成部分外，还有其他一 些组成声源。如：排气门杆产生的涡流噪声、排气系统中再燃烧产生的噪声、由 排气脉冲压力激发管壁造成的噪声、排气f - j , g 座声、通过截面突变处的气流湍流 噪声等。 2 1 2 排气噪声的控制 汽车排气噪声的控制，通常是从控制排气噪声的产生和传播这两方面来考虑 的”。 江苏大学硕士学位论文 控制排气噪声的产生就是减少噪声源，根据上述噪声源产生的机理，对产生 排气噪声的系统进行相应的改进。对产生排气噪声的系统进行改进的途径主要是 对发动机的结构和参数的改进。这种方法是最彻底，而且其潜力也是最大的。但 这些改动，涉及到发动机排气噪声的控制，需要考虑产生排气噪声的各种因素， 牵扯到发动机本身及排气系统的噪声，要综合考虑并进行大量的实验研究，其难 度是非常大的。 控制排气噪声的传播则主要有加装排气消声器和隔离排气歧管传来的机械振 动两种方法。这两种方法对发动机性能影响不大，又比较容易实现。目前得到最 广泛运用的降噪方法就是在排气系统中安装适当的排气消声器，使噪声向环境辐 射之前就得到大幅度的衰减，从而起到降低排气噪声的作用。隔振方法通常包括 改进排气歧管结构来改善振动特性和隔离排气歧管传递的振动两种手段。 2 2 消声器的分类与评价 2 2 1 消声器的分类与消声机理 根据消声机理的不同，排气消声器可以分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗 复合型消声器以及电子消声器洲。 阻性消声器主要是利用吸声材料来消减噪声，把吸声材料固定在气流流动的 管道内壁，或把它按一定的方式在管道中排列组合，就构成了阻性消声器。当声 波进入阻性消声器中，一部分声能便被吸声材料吸收，起到了消声的作用。这种 消声器的优点是在中高频范围内的消声效果较好。特别是对刺耳的高频声波有突 出的消声作用。缺点是发动机排出的水蒸气及颗粒会影响吸声材料的性能，降低 使用寿命，而且它对低频噪声消声效果比较差。 抗性消声器又称声学滤波器，它是根据声学滤波的原理制成的，利用消声器 内声阻、声顺和声质量的适当组合，使声波中某些频率的噪声反射回噪声源或大 幅度抵消，从而达到消声的目的。这类消声器一般是全金属结构，其结构简单、 耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、不会被废气中的碳灰微粒堵塞、成本低而且寿命 长。因此汽车发动机采用这种消声器十分合适。抗性消声器的消声频带窄，对高 频噪声的消声效果差。为了弥补这种缺陷，常采用多级组合或加上穿孔板等高频 1 1 江苏大学硕士学位论文 消声效果较好的结构，组成宽频带的消声器。抗性消声器最基本的形式为扩张式 消声器和共振式消声器。 一、扩张式消声器 扩张式消声器的工作原理有两点：其一是利用管道截面的突变引起声阻抗的 变化，使沿管道传播的声波朝声源方向反射回去；其二是通过改变扩张室和内接 管的长度，使前进的声波与在管中不同界面上的反射波之间的相位差1 8 0 。，产生 干涉而相互抵消，从而达到消声的目的。各种管道和扩张腔之间相互组合就可以 阻止某些频率成分的噪声通过，但有个缺点是存在多个通过频率，通过频率的消 声量等于零，因此通常采用内插管法和多节扩张腔串联法消除通过频率。 内插管法是把消声器扩张腔进、出口处分别插入扩张腔一半长度和四分之一 长度的两根小管。理论分析，两者结合可获得没有通过频率的消声性能。 地 地 图2 2 膨胀扩张室式消声器 图2 3 内插管扩张室式消声器 二、共振式消声器 共振式消声器常采用穿孔管和穿孔板形式，穿孔管是一种通过管道开孔与赫 尔姆霍茨共鸣腔相连而成的结构，它在管路中设置颈部并与空腔结合，颈部起质 量作用，空腔起弹簧作用，由于声音能量短路，消耗声能而达到消声目的。穿孔 板是在排气通路上开有许多小孔，它的消声频带较宽。 江苏大学硕士学位论文 i 垦 - i 图2 4 穿孔管式消声器 m i 诱 图2 5 穿 l 板式消声器 阻抗复合消声器是综合上述两种消声器的特点制成的。这种消声器既有阻性 吸声材料，又有共振腔、扩张室一类的抗性滤波元件，在一个很宽的频率范围内 都具有良好的消声效果，但阻性材料的采用缩短了其使用寿命洲。 近几十年来，随着计算机的发展，电子控制装置的性价比的提高，“电子消声 器”已成为可能，在有源消声和半有源消声上的研究不断深入。有源消声系统的 优点在于：可以减小消声器体积，减少背压，使消声器减少复杂程度，从而实现 标准化。有源消声系统必须要有高速度的信号处理器和承受高温与振动的换能器， 另外对有源噪声抵消系统来说，还需要有减少气流脉冲的精密而快速的执行器， 有源消声器和半有源消声器的真正完全实现产品化还需要进一步的研究。 2 2 2 消声器的性能评价 对于汽车排气消声器，应该从声学性能、空气动力学性能和结构性能三方面 进行评价嘲州嘲。 ( 1 ) 声学性能评价 消声器的消声性能评价指标主要有两项：消声量和消声频率范围，在使用 现场的正常工作状况下，消声器应有足够宽的消声频率范围，同时应该对所要求 的频率范围有足够大的消声量，其中消声量是评价消声器声学性能的重要指标。 江苏大学硕士学位论文 目前一般有四种方法表征消声器的消声量：传递损失z l 、末端降噪量n r 、 插入损失尼、声衰减量业。其中最常用的是插入损失尼和传递损失死。 插入损失尼定义为安装消声器前后在某固定测点处测得的声压级之差。插入 损失的计算公式为： 尼- l n 一0 2 ( 2 2 ) 式中：l 。为安装消声器前在某测点处测得的声压级( d b ) ，工，：为安装消声 器后在某测点处测得的声压级( d b ) 。 插入损失易于现场测量，而且测量比较准确，但插入损失不仅决定于消声器 本身的声学性能，而且与声源特性、末端负载阻抗以及系统总体装置的情况紧密 相关，因此，理论计算比较复杂，适用于在现场测量中用来评价消声前后的综合 效果。 传递损失死定义为消声器的入口和出口处的声功率级之差，它是表征消声器 输入与输出噪声能量的相对变化关系，是指消声器进口端入射声的声功率与消声 器出口端透射声的声功率级之差，即： t l = l o l g 熹- ( 2 3 ) 式中：为消声器入口的声功率( w ) ，为消声器出口的声功率( w ) ，l ，。为 消声器入口的声功率级( d b ) ，l w 2 为消声器出口的声功率级( d b ) 。 传递损失仅反映消声器本身的传递特性，而不受声源管道系统和消声器出口 端尾管的影响，因此适宜理论分析计算和评价消声器自身的消声特性，其不足之 处就是由于发动机排气高速、高温以及本底噪声的影响使得测量比较困难。由于 表征方法的不同，对同一消声器，其插入损失和传递损失在数值上会略有差别。 因此，在表征消声器的消声量时，需要注明测量方法汹“制。 在评价消声器声学性能时，仅知道消声器的总消声量是不够的，还必须知道 各频率或者频带上的消声量，一般用倍频程和1 3 倍频程表示消声器消声频率特 性，如果需要更深入的研究，可以用窄带谱分析。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率 范围越宽越好，在人耳敏感的频率范围内应该有足够的消声量，声源辐射声大的 1 4 江苏大学硕士学位论文 频段应有较大的消声量，这样消声器的消声效果才比较好。 ( 2 ) 空气动力学性能评价 排气消声器的空气动力学性能也是评价消声器好坏的一个标准，因为任何排 气消声器都是安装在排气通道上，如果只考虑消声器的消声性能而忽略了空气动 力性能，若排气消声器气流阻力过大，则发动机功率损失增大，影响汽车的动力 性和燃油经济性。 对于汽车排气消声器，消声器的压力损失一般仅用于理论分析。在实测中往 往不进行压力损失测量而以安装消声器前后功率损耗比的增加来衡量消声器的空 气动力性能，它反映了消声器阻力损失对发动机性能的影响。消声器的功率损失 比定义为：发动机在标定工况下不安装消声器时的功率匕与安装消声器后的功率 只：之差和巴的比值，即： r 。：p e l - p e 2 1 0 0 0 ( 2 4 ) 一 匕 一般情况下，要求功率损失比5 。 ( 3 ) 结构性能评价 排气消声器工作在高温、有气流冲击和振动这样相对严酷的环境中，而且是 大批量进行生产的。因此消声器除具有良好的消声性能和空气动力性能外，还应 具有良好的结构刚度。因此要求消声器还应具有以下要求：耐高温、耐腐蚀、耐 振动、坚固耐用、工作可靠、使用寿命长；体积小、重量轻，外形尺寸与汽车整 体布置协调；结构简单、易于加工、成本低1 。 在实际消声器设计中，必须综合考虑声学性能、空气动力学性能以及结构性 能。在满足消声器结构性能的前提下，尽可能提高消声器声学性能，同时也必须 考虑空气动力学性能。 2 3 消声器数学模型的建立 2 3 1 排气消声器系统计算的基本假设 对于排气系统来说，消声器内的介质和声传播情况非常复杂。为了使消声器 江苏大学硕士学位论文 的理论分析模型既反应其物理本质，又具有相对简单的求解方法，必须对具体情 况的物理现象进行合理的抽象与简化，因此在不改变问题性质的前提下，对排气 系统中的介质和声传播做以下的基本假设： ( 1 ) 线性化假设 伴随着声波随时间变化的量都是小变化量。例如声压( 与静压相比较) 、密度增 量( 与平衡密度相比较) 以及质点振速( 与声速相比较) 等都是小变化量，它们的高阶 量都可以忽略不计，那么声波在消声器内的传播规律可由线性化波动方程决定。 ( 2 ) 无损耗假设 抗性消声器可看成由若干段不同截面的刚性壁管道所组成，声能不会透过管 壁向外辐射。此外，由于粘滞性和热传导等因素引起的声吸收可以忽略不计。这 就是说，声波在管道系统内传播时，没有机械能量的损耗。 ( 3 ) 均匀流动假设 抗性消声器内一般都存在气流，它对消声器的消声性能具有一定的影响，假 设气流沿管道横截面各处流速相同，即设管道内气流为均匀流动，并设气流速度 与声速的比值m ( 马赫数) 为小值。 ( 4 ) 均匀参数假设 设静压、媒质密度等反映管道系统内媒质特性的参数沿管轴方向各处相同， 于是这些参数都可以作为给定的常数处理。 ( 5 ) 平面波假设 管道内沿管轴方向传播的声波近似为平面波，即设沿管道横截面上的声压及 质点振速等参数各处相同。 2 3 2 消声系统的数学模型 实际带有消声器的发动机排气系统及其等效模型“”如图2 6 所示。其中发动机 即声源，连接管、消声器和尾管构成排气系统，尾管末端以外构成环境。排气系 统始端的声压和体积速度分别为丑和u ，排气系统末端的声压和体积速度分别为 忍和u ：。 江苏大学硕士学位论文 |i 。 l a嚣 i ： 臼 暑 马_ ll ， cd 砺 图2 6 发动机排气系统及其等效电路 在图2 6 所示的发动机排气系统模型中，作为声源的发动机实际上介于恒速声 源和恒压声源之间。实践证明，排气噪声在一般情况下比较接近恒速声源，因此， 设排气噪声为恒速声源。 一个完整的排气系统实际由发动机，连接管，消声器和尾管构成。假设排气 系统入口、出口端的声压和声体积速度为墨，u l 和b ，u ：，根据声电类比m 1 的 原理以及平面波和线性化的假设，排气系统的等效物理模型如图2 7 所示，其中声 压p 模拟成电压，声体积速度【，模拟成电流，声阻抗与电阻抗相对应。 消声器 j |占 cd 图2 7 消声器等效物理模型 根据四端网络法m 1 的计算原理，图2 7 中日，u ，和e ，u ：存在以下关系： 置- 鸠+ 口u 2 玑一t i p 2 + d u 2 1 7 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 江苏大学硕士学位论文 用矩阵表达可写成： 阶d j 降 u = j 慝】 旺7 ， 式中a ，b ，c ，d 称为四端网络参数，? 为传递矩阵。传递矩阵t 反映的是声学 单元两端的状态之间的关系。 对于由n 个声学单元串联组成的声学系统，有n 个传递矩阵瓦、l 、l ， 则该系统总的传递矩阵r 为各个单元传递矩阵的乘积，即： t - 五瓦l ( 2 8 ) 因此，对于由连接管、消声器和尾管组成的排气系统，相应的等效电路如图 2 6 所示。可将排气消声系统分为若干个串联的声学单元，然后由式( 2 8 ) 求出总 传递矩阵z ，再根据式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 就可以在已知入口端状态参数只，u 1 的情况 下，求得出口端的状态参数只，玑“叮。 2 4 抗性消声器声学子结构的传递矩阵 抗性消声器可看成由一系列的消声元件组合而成。前人在对消声器传递矩阵 的研究中，往往忽略消声器内部气流再生噪声“5 1 和温度梯度的影响。本文将常见 的抗性消声器消声结构划分为以下七种消声结构，即：刚性直管、截面突然收缩、