（车辆工程专业论文）消声器设计专家系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 现阶段，设计一个性能良好的消声器，尚没有成熟的设计优化方法。为了满足 消声量的要求，必须通过恰当的形状组合或附加共振器来反复验算和试验。同时， 随着汽车噪声允许法规的不断修订，不同性能的消声器需求量也有所提高。因此如 何在较短的周期内，设计出一个性能优良的消声器是现在需要解决的关键问题。 本设计系统的研制主要从消声器设计角度出发，涉及了消声器结构参数的确 定、排气频谱的识别、传递矩阵法计算消声器的传声损失、消声器子结构及整体结 构几个方面的知识。此外，在面向对象环境下，专家系统中的理论及经验知识表达 方法，知识库建立模式及推理机的具体实现方法在系统中也得到了广泛运用。在此 基础上，用v i s u a lb a s i c6 0 进行系统开发，初步建立了一套消声器设计专家系 统。本系统完成了消声器基本结构设计、结构查询、知识管理及改进设计四个模块 的功能。同时，通过对m e c h a n i c a ld e s k t o p6 0 的二次开发，实现了本设计系统 和建模软件的连接，使系统能够自动完成消声器结构的建立，直接为有限元声场分 析提供三维模型，使设计更方便、有效。该系统中领域内相关的设计知识，采用产 生式规则进行表达，同时知识库管理系统又为知识的维护提供了条件基于系统中 知识的产生式表达法，系统采用基于规则的推理机制和正向推理控制策略。 通过本专家系统，设计人员只需要输入发动机参数、空管排气频谱，系统将自 动查询知识库，查询复合的专家知识，通过结构匹配找到几种复合要求的结构方 案，计算并比较其传声损失曲线和压力损失数值，得到一个初步的消声器结构。经 过结构改进设计，得到最终的设计结果。本文最后通过一个设计实例，为h h 4 7 4 q e 发动机设计的一个摊气消声器。传声损失系统计算结果与有限元分析结果趋势基本 吻合，从而证明了该系统的正确性和工程实用性。 本系统实现了消声器基本结构的设计，为消声器设计提供了一个理论基础。同 时，本系统中专家知识库和推理机制的建立，也为今后本系统的完善打下了基础。 关键词：专家系统，消声器设计，知识库，推理机 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nn o w a d a y s ，t h e r ei s n tam a t u r em e t h o dt od e s i g nm u f f l e r i f y o uw a n tt od e s i g na m u f f l e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，y o us h o u l dd o1 3 1 0 to f r e p e a t i n g j o b sw i t hc o m p u t i n ga n d t e s t i i l g m e a n w h i l e ，w i t ht h ea d v a n c i n gp e r m i s s i o nr u l eo f t h ea u t o m o b i l em u f f l e r , m u f f l e r d e s i g ni sr e q u i r i n g ，s oi ti sak e yp r o b l e mt od e s i g nag o o dm u f f l e ri nal i t t l et i m e m u f f l e r d e s i g ne x p e r ts y s t e mw i t hal o to fe x p e r te x p e r i e n c ea n dd e s i g nk n o w l e d g ec a l ls h o r t e n t h e p e r i o ao f t h em u f f l e r sd e s i g na n da v o i do f a l o to f r e p e 如g j o b s f r o mt h es t a n d p o i n to f d e s i g n , t h ed e v e l o p m e n to f t h ed e s i g ne x p e r ts y s t e mi n c l u d e s , m u f f l e rs t m c m 陀，p a r a m e t e r s c o n f i r m i n g ， s p e e m m ai d e n t i f y i n g ，蜘s f 弧n g - n 嘶x m e t h o d ，s u b - s t r u c t u r ea n ds oo i lb e s i d e s ，s o m e t h i n ga b o u tt h ee x p r e s s i o no f t h ed e s i g n k n o w l e d g e 。t h em o d eo fk n o w l e d g eb a s ea n dt h er e a s o n i n gm e t h o do fk n o w l e d g e 黜 a l s ou s e di nt h es y s t e m o nt h eb a s i so f t h ed e s i g nk x l o w l e d g e ，id e s i g nt h em u f f l e rd e s i g n s y s t e mw i t h s u a lb a s i c6 o a n da l s oi tr e a l i z e st h em u f f l e rs t r u c t u r ed e s i g n , s m l e t u r e i n q u i r i i l g ，k n o w l e d g em a n a g e m e n ta n ds t r u c l u l ei m p r o v i n gf o u rm o d u l e si n d e p e n a e n t l y i t i ss oe a s ya n dc o n v e n i e n tt h a ti tr e a l i z e st h ea u t o m a t e dc o r m e e t i o nw i t ht h em e c h a n i c a l 1 ) e s k t o p6 0 a n di tc f l l ls u p p l yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e ld i r e c t l yf o rt h ec a ea c o u s t i c a n a l y s i s 。i ti sv e r ye f f e c t i v et oe x p r e s st h ed e s i g nk n o w l e d g ew i t hp r o d u c t i o nr u l e sa n d t h e k n o w l e d g e b a s em a n a g e m e n ts y s t e ms u p p l i e st h ec o n d i t i o nf o rt l a ek n o w l e d g em a i n t e n a n c e b a s e do nt h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o n ，iu s et h ef o r w a r dr e a s o n i n gc o n t r o ls l r a t e g yi nt h e w h o l es y s t e m t h ed e s i g nm e m b e rs h o u l di n s e r ts o m e ：e n g i n ep a r a m e t e r sa n dt h ee x h a u s ts p e e m l m f i r s t ，a n dt h e nt h es y s t e mw i l lm a t c hw i t ht h ek n o w l e d g eb a s ea n ds u p p l yy o us o m e r e f e r e n c es t r u c t u r e sa u t o m a t i c a l l y t h r o u g hc o m p a r i n gt h e s es m l e t u r c s a e r o d y n a m i c q u a l i t ya n da t t e n u a t i o n1 , e r f o n n a n e e ，y o uc a ng e t1 3 p r e f e r a b l es t r u c t u r e a n dy o u w i l lg e t t h ef i n a ld e s i g nl 燃 u l ta f i 耵s 咖撒i m p r o v ei c l l c f l , s u 北$ a tl a s t 。w ep r o v e dt h es y s t e l l l s c o r r e c t n e s st h r o u g had e s i g ne x a m p l e id e s i g nae x h a u s tm u f f l e rf o rt h ee n g i n e ：n i - 1 4 7 4 q e t h r o u g hc o m p i n gl l a el s u l t sb c t w - i nt h ec a ea n a l y s i sa n dt h es y s t e mc o m p u t i n g , i f o u n dt h e i ra t t e n u a t i o np e r f o r m a n 嘲a r ei nt h es , 越l l et r e n d i tp r o v e dt h ee o r r e c m e s sa n d p r a c t i c a b i l i t yo f t l a es y s t e m t h es y s t e mr e a l i z e st h em u f f l e r ss t r u c t u r ed e s i g n a n ds u p p f i e sad e s i g nt h e o r yb a s i s f o rt h em u f f l e rd e s i g n m e a n w h i l e , t h ef u n d i n go f t h ek n o w l e d g eb a s ea n df l a e 黜舶她 m e c h a n i s mi nt h ee x p e r ts y s t e ms u p p l i e s 瓶e f f e c t i v el z e s ef o rt h es y s t e m sf u t u r e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m , m u f f l e rd e s i g n , k n o w l e d g eb a s e ，r e a s o n i n g m e c h a n 妇 h i 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注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盍堂 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。 学位论文作者签名：j 狎衍签字日期：枷7 年钿莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、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 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( k ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：孑邛砀导师签名：矿乒。 签字日期：加j 7 年6 月g e t签字日期： 矿7 年月岔e t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出和研究意义 近年来，随着汽车保有量的飙升，带来的噪声问题也显得更加突出。据相关资 剃l j 表明，城市噪声的7 0 来源于交通噪声，其中最主要来自机动车辆，各种机动 车辆已成为环境噪声的最大污染源。九十年代以后，为了限制交通噪声污染，各国 大都制定了严格的汽车噪声允许法规，而且每隔几年就要对其修订一次。随着汽 车市场竞争越来越激烈，低噪声性能与动力性、经济性和排放性一起成为评价汽车 品质的重要指标。 不断加严的排放法规和噪声允许法规对发动机的设计生产不断提出新的要求。 设计生产者在满足法规规定的排放性指标和噪声控制指标同时，又不能过大影响发 动机的动力性、经济性以避免丧失市场竞争力。因此如何有效的降低汽车噪声成为 各国政府和车辆生产厂家共同关心的问题。 发动机噪声是汽车的主要噪声源，要降低整车噪声，应首先从降低发动机噪声 着手，其中排气噪声又是发动机最大噪声源。作为降低和控制汽车排气噪声的一种 有效途径，消声器在汽车发动机排气系统中得到了广泛应用。消声器是一种阻止声 传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声的主要技术措施。对于汽车内燃 机的进、排气噪声控制问题，要从声源机理分析入手，通过内燃机系统改进设计的 途径根治是十分困难的，且降噪效果尚无法达到汽车噪声允许标准的要求，最简单 而有效的降噪措施便是采用进、排气消声器口翔。 近年来，各种专家系统相继出现。专家系统就是利用计算机充分模拟领域专家 如何运用他们的知识与经验来解决问题的过程。由于消声器设计没有直接成熟的理 论，要想设计一个性能最佳的消声器，必须通过反复演算和试验才能满足要求。同 时消声器设计过程又是一个相当频繁的过程，因此本设计系统的建立，可以更好的 归纳总结不同领域专家的专业知识，并应用于社会实践。在设计出满足工程实践要 求的产品同时，极大的缩短了产品设计周期。 设计者不用全方位掌握消声器设计的相关知识，只要依据系统输入相应发动机 参数及其空管排气频谱，专家系统将按频谱消声要求给出复合的消声器结构。同 时，消声器设计过程中专业知识、实验结论及专家经验可以通过更新专家系统知识 库进行维护不断更新的专家知识库将帮助系统设计出更好的结构，对于提高消声 器设计质量有重要的现实意义。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外现状综述 1 2 1 消声器设计的国内外研究情况 最早出现的是无源消声器，它包括阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声 器。其中抗性消声器又发展为扩张式消声器、共振式消声器、无源干涉式消声器以 及我国学者近年研究出的微穿孔板消声器等。二十世纪五十年代，国际上提出了有 源消声器的概念1 2 1 。这种消声器是通过人为的产生一个与声源幅值相同、相位相反 的声波来控制声源的发声特性，使噪声源辐射的可听声的声功率降低，从而达到消 声的目的。随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置性能的提高，有源 消声器也得到了进一步的发展。但在我国应用最多的还是无源消声器。 在消声器设计理论方面，目前已建立了一维平面波理论、非声波法和特性线理 论，并用声学边界元法建立了二维声学边界元消声器设计模型1 2 - 5 l 。各种数值方法 的发展及计算机技术的应用和普及，有限元法早在1 9 7 5 年首先由y o u n g 和c r o c k e r 应用在分析消声器元件的传递损失中嘲，之后经过众多学者的完善，被广泛应用在 结构和边界条件更复杂的消声器设计中。目前要设计一个最佳的消声器结构尚无直 接的优化方法。为了满足消声量的要求，必须通过恰当的形状组合或附加共振器来 反复验算。在设计过程中除用到声学专业知识外，还应充分配合实验，参考过去设 计中使用的经验和已经发表的资料。 1 2 2 消声器设计基本方法介绍 汽车排气消声器结构复杂，都是由简单消声单元组合而成，同时消声频谱还有 一定的叠加性。消声器的设计目前主要有有限元法、边界元法、声传递矩阵法等， 而声传递矩阵法因其比较简单而得到广泛应用。传递矩阵法可以初步计算消声器 结构得传声损失，为有限元分析提供理论支持，大大缩短产品结构设计周期，从而 提高设计效率。 1 2 3 专家系统的发展现状 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 又称机器智能( m a c h i n ei n t e l l i g e n c e ) 是计算 机科学中一门新兴的边缘学科【6 7 】专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 是人工智能 的重要分支，产生于2 0 世纪6 0 年代中期，但其发展速度惊人，目前专家系统几乎 渗透到各行各业。 专家系统的发展大致可分为四个阶段限9 1 ：孕育阶段：1 9 5 6 年在美国达特莫斯 ( d a r a n o u t h ) 大学，由麦卡锡联合哈佛大学的明斯基o “l m i n s k y ) 、m m 公司的洛切 斯特( n l o c h e s t e r ) 和贝尔实验室的香农共同发起的共同讨论机器智能问题，这次会 议标志着人工智能正式诞生。 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 产生阶段：1 9 6 5 年s t a n f o r d 大学计算机科学系的e a f c i g n b a t m 3 教授与遗传学 教授j l e r d e r g 的d e n d r a l 系统以及数学领域的m a c s y m a 标志着专家系统诞生 了。 成熟阶段：7 0 年代中期，一些卓有成效的专家系统开始出现，他们涉及医 疗、自然语言处理、地质、数学、教学等多个领域。这个阶段的典型专家系统主要 有用于诊断和治疗感染性疾病的医疗专家系统m y c i n ，用于自然语言理解的专家 系统硼a r s a y 。用于矿藏勘探的专家系统p r o s p e c t c i r 。 发展阶段：1 9 7 8 年至今，随着专家系统逐渐成熟，它的应用已开始渗透各个 领域，同时专家系统的应用已开始产生巨大的经济效益。专家系统的前景诱人，方 兴未艾，它必将广泛应用于社会，造福于人类。 1 2 4 专家系统在汽车领域研究现状 专家系统在很多领域得到了应用，在汽车方面，国外从上个世纪8 0 年代初就 开始专家系统的研究，比如美国a 嘲e i 叮r o b 等人于1 9 8 6 年研制的用于汽车电 机控制系统维修的专家系统r u l e m a s t e r ；1 9 8 8 年，v e l u c h a m y v 等研究了用于 汽车故障诊断的基于人工智能的专家系统；1 9 8 9 年日本丰田研发中心实验室的有 关人员，针对当时汽车越来越复杂( 特别是电子元件的应用) ，而故障处理技术跟 不上的现状，着手研制了基于知识的汽车故障检测及处理的专家系统限。上 世纪9 0 年代以来，针对汽车零部件故障诊断，先后有美国休斯敦大学开发了汽车 空调压缩机故障诊断专家系统；澳大利亚a n v a ra m 等研制的基于知识的发动机 故障诊断专家系统程序i c x ；随着微处理技术的发展，电子装置得到了进一步的应 用，针对发动机的电控元件( e c u ) 的故障问题，韩国汉城大学y o os u ki 等人开 发了一套专家系统d i a s l 。国外研究开发的这些专家系统，如今已在相关汽车故 障诊断和检测方面取得了不少经济效益，正处于逐步推广阶段【蚺阁。 目前也有对汽车零部件设计专家系统进行研究的，比如1 9 9 9 年北京航空航天 大学对汽车覆盖拉延件要领设计专家系统的研究【嘲，采用了基于遗传算法；郑州 工业大学和日产公司合作进行的对汽车离合器设计专家系统的设计研究等。 从国内外设计系统来看，相关的消声器设计专家系统还未发现。同时本系统的 建立可以大大的缩短产品设计周期，有一定的现实意义 1 3 本文研究目的和内容 本课题通过对消声器设计系统的研制，实现消声器的基本结构设计并通过对 建模软件m e c h a n i c a ld e s k t o p6 0 ( 以下简称m d t6 o ) 的二次开发实现系统与建模 软件的自动连接，实现了系统的自动建模功能。为声学有限元分析提供三维模型。 具体内容包括： 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 用v i s u a lb a s i c6 0 程序设计语言进行消声器的设计系统的研制。提供友好 的人机交互界面。 研究现阶段消声器设计相关的方法，为本设计系统提出一种有效的、切实 可行的方法进行消声器设计。 目前，消声器的设计主要有有限元法、边界元法、声传递矩阵法等。由于声传 递矩阵法比较适合理论计算，因此本系统选择传递矩阵法进行消声器的设计。传递 矩阵法可预估消声器结构的传声损失，为声学有限元分析提供理论支持，从而大大 缩短产品结构的设计周期，提高设计效率。 对消声器设计知识及专家经验进行归纳总结，建立准确、实用的消声器设 计知识库；并通过一组计算机程序实现知识库与设计人员的交互，从而实现知识对 设计的科学指导；在这个过程中，将用到数据库开发技术，连接数据库查询相应的 专家知识进行科学指导。 通过对m d t 6 0 建模软件的二次开发，完成本系统与之自动交互，初步实 现消声器结构的三维建模功能，为有限元声学性能分析提供三维模型。 运用本系统结合实际情况设计一个消声器结构，并对此结构进行了声场有 限元分析。通过对比设计系统和有限元的分析结果，验证本专家系统的正确性和工 程实用性。 4 重庆大学硕士学位论文2 消声器设计及专家系统基本理论 2 消声器设计及专家系统基本理论 2 1 消声器设计基本理论 2 1 1 阻性消声器的计算方法 阻性消声器形式种类很多，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，其消声量的计算公式为 3 1 ： a l = ( ) 吾， ( 2 1 ) 黼以，4 尝； 式中p ( a o ) - 是与材料吸声系数e o 有关的消声系数； 砌正入射吸声系数； p 一消声器通道截面周长( m ) ： s 一消声器通道截面积( m 2 ) ； 卜一消声器的有效长度( m ) 。 由式( 2 1 ) 可见，阻性直管式消声器的消声量除同吸声材料性能有关外，还 与消声器的有效长度，及通道截面周长p 成正比，而与通道截面积s 成反比，因此 增加有效长度和通道周长、截面积之比值p s , 即可提高消声量。当通道截面面积 因流量、流速要求而确定时，选择合理的通道截面形状，也可提高消声效果。 当阻性直管式消声器通道截面积较大时，如圆管直径或方管边长大于3 0 c m ， 片式消声器的片问距大于2 5 c m 等，高频声波将呈束状直接通过消声器，而很少与 管道内壁面吸声层接触，减少了声吸收，降低了消声效果，工程中将此现象称为 “高频失效”，并将消声量明显开始下降的频率称为“上限失效频率”，其经验计算公 式如下： 丘- 1 8 5 虽 ( 2 2 ) 式中c 一声速( m s ) ；d 一通道截面的直径( m ) ，当通道截面为矩形时( 边长为 a ，h ) ，则d = 1 1 3 砌。 当频率高于矗时，提高1 倍频程，其消声量约比实效频率处的消声量降低 l 3 ，具体可由下式计算： a l - 兰二竺缸 ( 2 3 ) 式中f 一高于失效频率的某倍频带消声量：一失效频率处的消声量( d b ) ； 珂一高于失效频率的倍频程频带数。 5 重庆大学硕士学位论文2 消声器设计及专家系统基本理论 2 1 2 抗性消声器的计算方法 抗性消声器的消声性能主要同抗性膨胀室的膨胀比r r ( 扩张比) 及膨胀室的 长度z 有关。膨胀比决定抗性消声器消声量的大小，长度决定抗性消声器的消声频 率特性。典型的单节扩张室消声器的消声量可由下式计算： 三= 1 0 l g 1 + ；- ( m 一二) 2s i n 2 ( 盯) 】 ( 2 4 ) 1m 式中m 一膨胀比或扩张比，肼：了s 2 ；七一波数，七：车( 七值变化相当于频率 l ) l 变化) ；卜一膨胀室的长度( m ) 由式( 2 4 ) 可见，消声量a 三与s i n ( k ) 值有关，而s i l l ( 材) 是频率的周期性函 数，因此单节抗性消声器的消声量也将随频率而周期性地变化。 当盯为r d 2 的奇数倍时，即盯( 疗= 0 、1 、2 ) 时s i n ( k t ) - - - - 1 ，此时消声量 为最大值a l 。，则： 址。= 1 0 l g 1 + ( 脚一二) 2 】 ( 2 5 ) 而相应于消声量最大值的频率称为峰值频率。当r r l 5 时，最多消声量可近似 由下式计算：。= 2 0 1 9 i n 一6 。与消声量最大值对应的峰值频率和扩张室长度 分别为： = ( 2 拧+ 1 ) 寺；，= ( 2 ，l + 1 ) 号 又当材为7 的整数倍时，即盯= 玎筇( 拧= o 、l 、2 ) 时s i n ( u ) ；0 ，此时 消声量即为0 ，其相应的频率称为通过频率。通过频率和相应的扩张室长度分别 为： ， 肚 n 2 厶2 石5 扣丁 可见，当抗性消声器的扩张室长度分别为四分之一波长的奇数倍时，消声量为 最大值，而当扩张室长度为二分之一波长的整数倍时，消声量等于零。由于单节抗 性消声器有许多通过频率的缺点，因此在工程实际中常采用内接插入管及多节扩张 室串联应用的方法，以消除通过频率，如当插入管长度为1 2 扩张室长度时，可消 除1 2 波长的奇数倍通过频率，当另一端插入管长度为l ，4 扩张室长度时，则可消 除l 忍波长的偶数倍通过频率。 由式( 2 5 ) 可知，消声量随膨胀比肌值的增大而提高，但当r # l 值过大时，膨 胀室截面积也较大，此时，也会如阻性消声器一样产生抗性消声器的高频失效现 象，使消声量显著降低。抗性消声器的上限失效频率通常可由下式计算n1 7 】： 丘_ 1 2 2 号 ( 2 6 ) 6 重庆大学硕士学位论文 2 消声器设计及专家系统基本理论 式中c 一声速( m s ) ；d 一扩张室截面特征尺寸( m ) ，圆管为直径，方管为边 长，矩形管可取截面积的平方根。 抗性消声器除存在上限失效频率之外，还存在着下限失效频率，即当声波波长 比膨胀室尺寸大得多时，由于膨胀室与连接管本身也构成一个共振系统，相当于一 个低通滤波器，当声波频率与其共振频率相同时，消声器将失去消声作用。通常取 芝倍的共振频率为抗性消声器的下限失效频率，则： 忙垭小告 ( 2 7 ) 式中c 一声速( m s ) ；s 一消声器气流通道截面积( m 2 ) ；矿一膨胀室体积 ( m 3 ) ；卜一膨胀室长度( m ) 。 2 1 3 共振性吸声结构的计算方法 结构形式和吸声原理 由于共振性消声器具有较强的频率选择性，即只有在以共振频率为中心的一定 宽度频率范围内起有效的消声作用，而对其它频段则很少甚至不起作用，因此设计 共振性消声器首先必需根据所要降低噪声源的峰值频率来确定共振消声器的共振频 率，然后再设计并确定共振吸声结构。 共振频率理论计算方法的研究 共振消声器的共振频率而可由下式计算： 兀= 丢拶 ( 2 8 ) 式中g 一传导率( g = n f s _ _ l = 丽搴罴蒜) ( m ) ； c 一声速( m s ) ；y - 共振腔内体积( m 3 ) ；行一小孔数量；s 一单个小孔面积 ( m 2 ) ： ，o 一穿孔板厚度( m ) ；f 一穿孔板有效板厚( t = t o + o 8 d ) ( m ) ；d 一小孔直 径( m ) 共振吸声结构的传导率是一个以长度为单位的物理量，其定义为共振吸声结构 的小孔总面积与孔板有效板厚之比值。 单节共振性消声器的消声量可由下式计算： 址= 1 0 l2 1 1 + l + 4 r n 古( 丢一争 7 r ：堕 ( 2 9 ) 印 重庆大学硕士学位论文 2 消声器设计及专家系统基本理论 若省略共振吸声结构的声阻兄时，则单节共振消声器的消声量可简化成下 | i ：坚( 2 1 0 ) 膏= 一 i u j 2 s 式中，一同声阻有关的量；卜同消声量有关的无量纲值；厂一需求消声量的频率 ( h z ) ；似振频率( k ) ；蜮振消声器的通道截面积( m 2 ) ；也一声阻； p 一空气密度( k g m 3 ) ；c 一声速( m s ) 。 当k 较小时，共振消声器的有效消声频带很窄，因此为获得较宽频带的消声 量，应设计选择较大的k 。 2 2 专家系统概述 2 2 1 专家系统定义及分类 专家系统是一种基于专家知识的系统，它从领域专家那里获得知识，并用来解 决只有专家才能解决的困难问题。 他具有特定领域内大量知识与经验，应用人工智能技术，模拟人类专家求解问 题的思维过程求解领域内的各种问题1 9 , 1 s - 2 0 。从程序设计方法学的角度看，传统程 序的设计方法可以写成：数据+ 算法= 程序；而专家系统的设计方法为：知识+ 推理= 系统。 2 2 2 专家系统的基本结构 通常，专家系统包括人机接口，推理机，知识库及其管理系统，知识获取机 构，解释机构，数据库及其管理系统6 个部分，如图2 1 所示； 用户专家 十f 图2 1 专家系统的一般结构 f i 醇1t h es t r u c t u r eo f t h ee x p e r ts y s t e m 8 重庆大学硕士学位论文2 消声器设计及专家系统基本理论 2 2 3 知识库 知识库用以存放领域专家提供的专门知识，这些专门知识包含与领域相关的书 本知识、常规性知识及专家凭经验得到的试探性知识。知识库中的知识包含两种形 态：一是知识本身，即对物质及概念作实体分析，并确认彼此间的关系；另一种则 是人类专家所特有的经验法则、判断力与直觉【l s , 2 0 l 。 知识分类 知识从不同角度可以有不同分类。专家系统中的各种知识表示方法大致可分为 两类b1 9 2 0 l ：叙述性知识表示法和过程性知识表示法。叙述性表示法，把知识表示 成为一个静态的事实集合，并附有处理它们的一些通用程序。过程性表示法，将一 组知识表示成如何运用这些知识的过程，粗略地说，一个子程序或一个函数可以是 某种知识的过程性表示。 叙述性表示的优点是：形式简单，采用数据结构表示知识，清晰明确，易于理 解，增加了知识的可读性，模块性好，减少知识的联系，便于知识的获取、修改和 扩充。缺点是：叙述性表示的知识不能直接执行，需要其他程序解释它的含义，因 此执行速度较慢。 过程性表示的优点是：过程性表示的知识可以被计算机直接执行，处理速度 快；便于表达如何处理问题的知识；易于表达怎样高效处理问题的启发性知识。缺 点是：不易表达大量的知识，且表示的知识难于修改和理解；适合于表示确定性知 识；适合于处理完整、准确的数据。 总之，叙述性表示与过程性表示相辅相成，相互弥补。在设计专家系统时要综 合考虑，往往把两种方法结合起来使用，静态事实用叙述性表示，控制策略等用过 程性表示。 知识表示 知识表示就使知识的符号化和形式化的过程。知识表示方法研究各种数据结构 的设计，通过这种数据结构把问题领域的各种知识结合到计算机系统的程序设计过 程。下面介绍系统中应用的产生式表示法。 产生式表示( 或规则表示) 是目前专家系统中使用最广泛的知识表示法，采用 这种表示法的专家系统称为基于规则的专家系统。 产生式的一般形式为：p q 其中，左部一般表示一组前提( 条件或状态) ，右部表示若干结论( 或动 作) 其含义是“如果前提p 满足则可推出结论q ”。例如，女果某动物为哺乳动 物，则它必为胎生”等就是产生式。 用产生式表示的知识是一组产生式的有序集合，语法上可用b n f ( b a c k u s n a u r f o r m ，巴科斯一诺尔范式) 描述如下： 9 重庆大学硕士学位论文2 消声器设计及专家系统基本理论 胃词 ：= 【( ) 】 锄作 ：一锄作名 【( ) 】 ：= 空i ：= l 自作 ：= 空l ， ：前提 一 ：z 产生式 产生式系统有三个基本组成部分：全局数据库、规则库和推理机1 2 0 。 其中，全局数据库是一组描述过程处理对象的符号的集合。在处理具体问题 时，它用于问题和环境描述，包括与特定问题有关的各种临时信息。规则库则由一 组产生式规则组成。在产生式系统中，一个规则的条件部分通常是关于全局数据库 中某些数据的断言，而动作部分一般是能引起全局数据库中数据改变的断言或操 作。对于一条规则应该用什么方式表示，产生式系统未作明确规定，可以灵活地选 择表示方法。例如，“如果加压，并降温，那么总可以使气体液化”可表示为：r l ( i f ( 加压) ( 降温) ) ( 删( 气体液化) ) 。 一般来说，在选择规则表示时，应注意如果可能的话，条件部分和动作部分的 表示法与全局数据库中的数据表示形式保持一致，这样便于条件与全局数据库的内 容进行比较，判别条件部分是否成立，同时也便于根据动作部分修改全局数据库中 的数据。 推理机控制产生式系统的整个问题求解过程。它负责把规则的条件部分与全局 数据库的内容进行比较一通称为匹配，如果匹配成功，推理机根据动作部分的描述 去修改全局数据库的内容。 2 2 4 综合数据库 综合数据库主要用于存放关键问题求解的初始数据、求解状态、中间结果、假 设、目标以及最终的求解结果。系统设计时根据数据库的特性使用不同的数据库系 统。 2 2 5 推理机 推理机基本知识 对系统需要解决的问题，在一定的控制策略下识别和选取知识库中对当前问题 求解有用的知识进行匹配和科学推理的过程就是推理机作用的过程。推理机的问题 解决演算法可以分为三个层次： 1 ) 一般途径：利用任意搜索( b l i n ds e a r c h ) 随意寻找可能的答案，或利用启 发式搜索( h e u r i s t i cs e a r c h ) 尝试寻找最有可能的答案。 重庆大学硕士学位论文2 消声器设计及专家系统基本理论 2 ) 控制策略：有正向推理( f o r w a r dc h a i n i n g ) 、反向推理( b a c k w a r d c h a i n i n g ) 及混合推理( b i d i r e c t i o n a l ) 三种。正向推理是从已知的条件中寻找答 案，利用资料逐步推出结论；反向推理则是先设定目标，再证明目标成立。 3 ) 额外的思考技巧：用来处理知识库内数个概念间的不确定性，一般使用模 糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 来进行演算。推理机会根据知识库、使用者的问题及问题 的复杂程度来决定使用推论层次。 控制策略 推理策略主要解决整个问题求解过程的知识选择和应用顺序，即决定先做什 么，后做什么，并根据问题求解的当前状态分别做不同的工作，还能确定一旦出现 异常情况如何处理等。目前，专家系统中采用的推理策略主要有正向推理策略、反 向推理策略及混合推理策略。 1 ) 正向推理控制策略 正向推理也称为自底向上控制、数据驱动控制和前向推理等1 2 0 1 。基本思想 是：从已有的信息( 事实) 出发，寻找可用知识，通过冲突消解选择启用知识，执 行启用值，改变求解状态，逐步求解直至问题解决。一般来说，实现正向推理应具 备一个存放当前状态的数据库和一个存放专家知识的知识库以及进行科学推理的推 理机。 其工作程序为：用户将与求解问题有关的信息( 事实) 存入数据库，推理机根 据这些信息，从知识库中选择合适知识，得出新的信息存放数据库，再根据当前 状态选用知识，如此反复，直到得出问题的解。 正向推理控制策略的优点是用户可以主动提供问题的有关信息，可以对用户输 入事实作出快速反应。其不足之处为知识启用与执行似乎漫无目标，求解当中可能 要执行许多与问题求解无关的操作，导致推理过程的低效率。 2 ) 反向推理控制策略 反向推理也称为从顶向下控制、目标驱动控制、后向链推理、目标制导推理 和后向推理等。基本思想为：先假设一个目标，然后在知识库中找出那些其结 论部分导致这个目标的知识库，再检查知识集中每条知识的条件部分，如果某条知 识的条件中所含有的条件项均能通过用户会话得到满足，或者能被当前数据库的内 容所匹配，则把该条知识的结论( 即目标) 加到当前数据库中，从而该目标被证 明；否则把该知识的条件项作为新的子目标，递归执行上述过程，直至各“与”关系 的子目标全部或者“或”关系的子目标有一个出现在数据库中，目标被求解，或者直 至子目标不能进一步分解而且数据库不能实现上述匹配时，这个假设目标为假，系 统提出新的假设目标。 3 ) 混合推理控制策略 重庆大学硕士学位论文 2 消声器设计及专家系统基本理论 混合推理控制策略是一种综合利用正向推理和反向推理各自优点的有效方法， 其思想为：先使用正向推理帮助选择初始目标，即从已知事实演绎出部分结果，据 此选择一个目标，然后通过反向推理求解该目标，在求解这个目标时又会得到用户 提供的更多信息，再正向推理，求得更接近的目标，如此反复正向推理一反向推理 这个过程，直至问题求解为止。 2 2 6 知识获取程序 在专家系统的知识库组织中，知识获取程序的功能主要用以部分代替知识工程 师进行专门知识的自动获取，实现专家系统自学习，从而使知识库得到不断完善。 2 2 7 解释程序 解释程序是根据用户的提问，对系统给出的结论、求解过程以及系统当前的求 解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解，增加用户对求解结果的信任度。 在知识库的完善过程中解释程序也便于专家或知识工程师发现和定位知识库中的错 误，便于领域专业人员或初学者能从问题的求解过程中得到直观学习。 2 2 8 人机接口 人机接口是专家系统与领域专家、知识及一般用户间的交互界面，由一组程序 及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。其中主要将专家或用户的输入信息翻 译为系统可接受的内部形式，把系统向专家或用户输出的信息转换成人类易于理解 的外部形式的过程。人机接i e i 可分为开发者界面、用户界面和系统界面三个主要部 分 重庆大学硕士学位论文3 消声器设计知识及其在系统中的应用 3 消声器设计知识及其在系统中的应用 3 1 消声器类别选择 按照消声机理不同，可将消声器分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消 声器三大类1 2 1 阻性消声器主要利用吸声材料增大声阻来消声，具有良好的中，高频消声效 果，是目前应用最广的一类消声器。 抗性消声器则是利用管道截面突变、旁支管和共振腔等造成声传播时阻抗失配 ( 主要是声抗) ，从而达到消声的目的。这类消声器中，低频消声效果良好，因而在 汽车拖拉机中应用较普遍。 阻抗复合式消声器综合了上述两种特点，兼有阻性和抗性的作用，消声频带 宽，主要用于声级很高的低、中频宽带噪声。 从对汽车排气消声器的要求来看，采用抗性消声器最为合适，因为它是全金属 结构，机构简单、能耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击，成本低、寿命长。为了弥补其 高频消声效果差的缺陷，往往需要采用如穿孔板或多级组合等对高频消声效果较好 的结构。 本系统中，为了方便不同设计人员进行设计，系统提供了直接选择消声器类型 和根据排气频谱进行选择两种功能。对于利用排气频谱帮助选择消声器类型的处理 方式为：通过识别频谱文件( 艇) ，根据频谱中能量分配比重进行选择。其中， 设定0 2 0 0 0 h z 表示低频段，2 0 0 1 4 0 0 0 1 - i z 表示高频段，如果能量大部分( 系统 中处理成总能量的8 0 ) 分布在低频段，系统将给出建议，选择抗性消声器；如 果大部分能量分布在高频段，系统则给出建议，选择阻性消声器；如果能量均布在 整个频段，系统则给出建议选择阻抗复合式消声器 由于汽车排气消声器大多采用抗性消声器或阻抗复合式，同时加上系统设计时 间有限，因此，本设计系统将主要侧重抗性消声器的设计 3 2 消声器基本参数的确定 消声器的主要参数包括：消声器容积、进气管直径、出气管直径、消声器扩张 比、消声器腔数、消声器各腔长度、消声器内插管的布置方式及其长度、截面形状 及吸声材料等。 3 2 1 消声器容积 据相关资料表明阻卸，一般四冲程内燃机轿车的消声器容积为内燃机排量的 4 7 倍；载重汽车消声器容积是内燃机排量的3 5 倍容积过小，往往导致内燃 重庆大学硕士学位论文3 消声器设计知识及其在系统中的应用 机功率损失过大，消声效果下降；容积过大，虽有消声量大、阻力损失小、对脉动 气流的缓冲作用大等优点，但也往往使安装不便。因此在系统中，满足消声要求及 安装的要求下，尽量取大为宜。为了估算消声器容积k 的大小，下面给出三种计 算公式。 l h b i l l e y 推荐的四冲程内燃机消声器容积计算公式 消声器容积计算公式如下， 圪：盟、f ! ( 3 1 ) 一y l 式中置为常数，用于城市及公路货车，k = 3 5 0 0 0 ；用于客车及轿车，k = 5 0 0 0 0 ：巧为内燃机排量，l ；以为内燃机标定转速，r m i n ；f 为内燃机气缸数。 d e a n g t h o m a s 推荐的内燃机排气消声器容积计算公式 消声器容积计算公式如下， e ；骂( 3 2 ) 1 0