（光学工程专业论文）摩托车消声器集成设计分析系统研究.pdf

study on integrated design and analysis system of motorcycle muffler a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wang guoming supervisor: he yansong major: vehicle engineering mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 消声器设计或改进过程中，迅速地预测目标消声器的各项性能，为进一步的 分析设计提供可靠的依据、指导，对实现消声器快速设计具有重要的意义。因此 设计一个能够满足这些要求，并能够提供其它一些消声器设计资料和经验的集成 系统具有重要的现实价值。 基于声波一维传播的传递矩阵法，理论成熟，已成功地应用于消声器性能分 析。虽然传递矩阵法在高频的计算结果误差相对较大，但是传递矩阵法使用方便 简单，计算快速，很容易实现程序化，因此在消声器分析和设计的初期，合理地 运用传递矩阵法分析消声器性能有利于加快消声器的改进与设计。 本论文基于传递矩阵法和流体力学的理论，结合摩托车消声器的特点，综合 运用 matlab、ug、vc+等工具构建了摩托车消声器集成设计分析系统（简称 集成系统） 。集成系统主要包括：声学性能分析模块、压力损失计算模块、优化设 计模块、自动建模模块和辅助模块。在集成系统中，使用者通过选择基本的声学 单元组成消声器模型，输入每个单元的参数，只需要简单的操作就可以得到消声 器的声学性能和压力损失；进一步还可以进行消声器声学性能的优化计算，在主 要结构不变的情况下，提高消声器的消声能力；使用自动建模模块可以自动生成 消声器的三维实体，为消声器的后续分析提供模型；集成系统还提供了标准库等 一些设计辅助信息。 最后，运用集成系统分析了 atv250 和某 150 摩托车消声器，得到消声器的 传递损失曲线，对比有限元法的分析结果基本吻合，验证了集成系统的准确性。 通过计算还得到了压力损失，并对 atv250 的一个改型方案进行了优化和自动建 模操作，得到预期的结果。分析过程中还详细介绍了集成系统的使用方法以及在 使用过程中需要注意的地方。 集成分析系统的实现，为摩托车的排气噪声控制提供了一个方便、快捷的工 具。 关键词：摩托车，消声器，传递矩阵法，集成系统，软件开发 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract when a muffler is to be designed or improved, it is of greatly signification to predict its performances rapidly and to provide reliable reference and direction for further analysis. so it has practical value to design an integrated system that can meet these requirements as well as offering some useful documents and experiences of muffler design. transfer matrix method (tmm) based on propagation of plane waves is a mature theory. it has been successfully applied to muffler performance analysis. although the calculation accuracy of tmm is relatively poor at high frequency intervals, the use of tmm is simple and convenient. it makes calculation rapidly and processing program easily. so it is helpful to use tmm to analyze muffler performance in order to accelerate design speed at the beginning of muffler analysis and design. in this paper, an integrated system of analysis and design for motorcycle muffler (integrated system) is designed. the system is based on tmm and the theory of fluid mechanics. it is designed by synthetically using matlab, ug, vc+ tools and taking account of characteristics of motorcycle mufflers. integrated system contains the following units: acoustic performance analysis module, pressure loss calculation module, optimization design module, automatic modeling module and supporting modules. through integrated system, users can get the acoustic performance and pressure loss of muffler just by simple operations, such as choosing basic acoustic element to build muffler model and inputting parameters for each element. furthermore, optimization calculation of muffler structure can improve the performance of muffler while the main structure unchanged. automatic modeling module can generate muffler 3d model automatically just by some simple characteristics setting. it provides convenience for the follow-up muffler analysis. integrated system can provide some useful information, such as national standard library about noise control, for muffler design. finally, the mufflers of atv250 and one 150cc motorcycle were analyzed by integrated system. integrated system had results of transmission loss curve, which was basically consistent with the calculating results by finite element method, thus the accuracy of integrated system verified. pressure loss was also gotten after calculation. furthermore, a modified case of atv250 was taken as an example for optimizing and 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii automatically model, and expected results was gained. at the same time, the paper introduced the detail of how to use the system. the realization of integrated system supplies a convenient tool for exhaust noise control of motorcycle. keywords: motorcycle, muffler, transfer matrix method, integrated system, software development 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 2 1.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 . 5 2 摩托车摩托车排气消声器设计和分析基本理论排气消声器设计和分析基本理论 . 6 2.1 摩托车噪声的特点摩托车噪声的特点 . 6 2.1.1 摩托车噪声源组成 . 6 2.1.2 摩托车排气噪声分析 . 6 2.2 消声器的评价指标消声器的评价指标 . 7 2.2.1 消声量的评价指标 . 7 2.2.2 功率损失的评价指标 . 8 2.3 消声器设计技术要点消声器设计技术要点 . 8 2.3.1 排气消声器气流流通面积的确定 . 8 2.3.2 排气消声器有效容积的确定 . 9 2.3.3 消声器外形尺寸的确定 . 10 2.3.4 消声器截面形状的选择 . 11 2.3.5 消声器腔数的确定 . 11 2.3.6 消声器各腔长度的确定 . 11 2.3.7 消声器各腔连接方法的确定 . 12 2.3.8 消声器排气尾管长度和管径的确定 . 12 2.3.9 消声器设计的其它他经验 . 13 2.4 摩托车消声器性能分析方法摩托车消声器性能分析方法 . 13 2.4.1 传递矩阵法分析消声性能 . 14 2.4.2 压力损失的计算方法 . 19 2.5 消声器的优化设计消声器的优化设计 . 20 2.5.1 优化设计目标 . 20 2.5.2 优化设计求解方法 . 21 2.6 本章小结本章小结 . 22 3 摩托车消声器集成设计分析系统开发摩托车消声器集成设计分析系统开发 . 23 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.1 概述概述 . 23 3.1.1 系统开发目标和要求 . 23 3.1.2 系统开发的思路 . 23 3.1.3 系统总体框架设计 . 24 3.1.4 系统开发的软件开发环境 . 25 3.2 消声器声学性能分析消声器声学性能分析 . 26 3.2.1 声学性能分析模块总体设计 . 26 3.2.2 模块程序设计 . 28 3.3 压力损失计算压力损失计算 . 31 3.4 消声器性能优化设计消声器性能优化设计 . 32 3.4.1 总体设计 . 32 3.4.2 优化模块程序设计 . 34 3.5 消声器自动建模消声器自动建模 . 36 3.5.1 设计思路和实现方法 . 36 3.5.2 自动建模的实现 . 36 3.6 辅助模块的开发辅助模块的开发 . 37 3.7 本章小结本章小结 . 39 4 集成设计分析系统的应用集成设计分析系统的应用 . 40 4.1 atv250 消声器性能分析与优化消声器性能分析与优化 . 40 4.1.1 发动机排气参数 . 40 4.1.2 消声器声学单元模型的建立 . 41 4.1.3 消声器性能分析 . 42 4.1.4 消声器消声性能分析验证 . 44 4.1.5 消声器性能优化设计 . 45 4.2 某某 150 摩托车消声器性能分析摩托车消声器性能分析 . 49 4.3 消声器自动建模应用消声器自动建模应用 . 50 4.4 本章小结本章小结 . 51 5 结结 论论 . 53 致致 谢谢 . 55 参考文献参考文献 . 56 附附 录录 a作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 60 b作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 60 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究目的及意义 随着交通运输工具的增加，公路交通噪声已成为城市污染的公害之一，严重 影响人的生活和健康。公路交通噪声持续时间长，影响范围广。有研究表明，人 如果长期暴露在 80db（a）以上的环境中，会引起不同程度的噪声性耳聋。接触 噪声的人常常还会产生头痛、脑胀、心慌、记忆力衰退等症状1。 我国是世界第一摩托车生产和消费大国，2006 年全年的产量已经超过了 2000 万辆，连续 14 年世界摩托车畅销量第一，全国摩托车保有量达 8000 万辆2。但是 我国摩托车制造业“大而不强”的特点比较突出，产品档次低，技术水平落后，污染 重，摩托车的使用造成了较为严重的环境污染问题。噪声是摩托车性能的重要评 价指标之一，它不仅影响驾驶者的乘坐舒适性，也是公路交通噪声的重要来源， 摩托车噪声虽然所占交通噪声份额不高，但由于摩托车机动、灵活，常穿行于居 民区，其噪声刺耳、脉动大，严重危害着居民的生活和身体健康。摩托车的噪声 是某些城市禁摩和限摩的主要原因之一。天津国家摩托车质量监督检验中心对 87 种不同的排量、不同车型的摩托车和轻便摩托车按照 gb4569-2000 和 gb16169-2000 进行噪声测试，结果表 1.1 所示3： 表 1.1 不同排量摩托车和轻便摩托车的噪声达标情况 table 1.1 states of different motorcycles and mopeds on noise limit 排量，ml a 声级限值 db 测量样车数量 合格样车数量 达标率 25 且50 且80 且175 82 10 5 50.0 目前实行的最新摩托车噪声限值为gb4569-2000和gb161692000，具体见表 1.24所示。通过对比表1.1，可见目前我国摩托车仍然有相当部分不能达到噪声限 值，降低摩托车的噪声，任务十分的紧迫。而且目前我国的摩托车噪声法规水平， 仅处于国外20世纪90年代的水平。为了不断提高我国摩托车工业的竞争力不断 满足日益严格的环保要求和各国苛刻的贸易技术壁垒，应加快我国摩托车法规标 准的国际化进程。美国和日本等发达国家也均把确保标准的市场适应性、国际标 准化战略、标准化政策和研究开发政策的协调和实施，作为标准化战略的重点。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 表 1.2 摩托车型式核准试验加速行驶噪声限制 table 1.2 limits of noise emitted by accelerating motorcycles 发动机排量 （vh） ml 声级限值，db（a） 第一阶段 第二阶段 2005 年 7 月 1 日前 2005 年 7 月 1 日起 两轮摩托车 三轮摩托车 两轮摩托车 三轮摩托车 50 且80 且175 82 80 排气噪声是摩托车整车噪声的重要组成部分，它通常要比其它噪声高1015 分贝，特别是在加速时影响很大。排气噪声主要是由发动机排气阀周期性开闭所 产生的压力脉冲激发气流振动产生的，噪声能量主要分布在200hz以下的低频区 5。控制排气噪声主要依靠排气消声器，因此改进摩托车的排气消声器是改善摩托 车整体噪声的重要一个措施。 摩托车消声器主要以抗性消声器为主，虽然有部分消声器是阻抗复合式消声 器，但是近年来，厂家考虑到消声器的耐用程度，以及出口摩托车消声器无阻性 材料的要求，正在逐步采用抗性消声器代替阻抗复合式消声器。故本课题以抗性 消声器为研究对象。 国内传统的消声器设计方法主要是“仿造”设计或是根据设计者的经验， 再结合 试验反复验证，此方法费时费力，也难达到要求，借助计算机辅助设计的方法， 从理论角度分析消声器的性能，可以大大缩短开发周期，提高开发效率，降低试 验费用。本论文从某摩托车企业消声器设计的现实需求出发，开发一套摩托车消 声器的集成设计分析系统。通过集成系统，可以快速分析消声器的声学性能和优 化消声器的消声性能，以及自动生成消声器的三维模型，为消声器设计提供可靠 的理论支持，并为消声器的进一步分析提供参考和便利。因此，本课题研究具有 重要的实用价值。 1.2 国内外研究现状 消声器形状各异，种类很多，按其消声原理来分，可以分为抗性消声器、阻 性消声器、复合型消声器。阻性消声器是利用气流管道内的不同结构形式的多孔 吸声材料吸收声能，降低噪声的消声器，主要适用于降低中高频段的噪声。抗性 消声器是通过管道内声学特性的突变处将部分声波反射回声源方向，以达到消声 目的的消声器，主要适用于降低低中频段的噪声。复合消声器由阻性和抗性等不 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 同的消声原理组合设计而成。摩托车消声器主要是以抗性消声器为主，而且阻性 消声器研究相对也较少6-8。 评价一个消声器的好坏，主要有三个重要的指标：声学性能、空气动力性能 和结构性能9。消声声学性能主要评价标准：插入损失、传递损失。插入损失定义 为装消声器前与装消声器之后，在某给定点测得的平均声压级之差值。传递损失 为消声器进口端的入射声功率和出口端的声功率的比值的常用对数乘以 10。目前 广泛采用的消声器消声性能评价方法是插入损失。发动机消声器的空气动力性能 用发动机的功率损失比来表示，参考国内现阶段包括摩托车在内的机动车辆排气 消声量的设计指标,其功率损失应小于 5%10。消声器的结构性能是指在保证消声 器消声性能和空气动力性能的前提下,消声器的几何尺寸越小,价格越便宜,使用寿 命越长越好。 影响消声器性能的主要因素包括设计、加工及安装使用等多个方面。阻性消 声器的主要性能影响因素：结构形式、吸声材料种类及其厚度、密度、气流流通 断面尺寸、消声长度、温度等。抗性消声器性能主要影响因素：容积、膨胀比、 扩张室长度及插入管长度、扩张室的长径比、结构形式、穿孔率、气流速度、温 度等5。 消声器的计算机设计方法目前主要有有限元法、边界元法、传递矩阵法。 声学有限元法是将声传播的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-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。 上世纪七十年代young和crocker首先提出用有限元方法来分析消声器的传递 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，也使得消声器中 高阶模式的声波分析成为可能11。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。此外国内外12-15用有限元法对消声器进行了模 拟，和试验结果比较，比较准确地反映了实际情况。 声学边界元法（bem）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 式求解。bem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。边界 元法只需要知道消声器进出口边界上的参数，以较少的未知量分析问题，理论上 较有限元法计算量小，计算时间少，边界元法的难点在边界条件的确定。 边界元法于20世纪70年代创立于英国南开普顿大学16，国外进行了很多相关 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 研究17-18，国内刘晓玲19、魏泽萍20、徐义永21等用边界元法建立了对称结构消 声器的二维边界元模型，预测消声特性；袁兆成22等用三维边界元法分析了排气 消声器，并利用声模态图和声压力图改进了消声器。 传递矩阵法是把整个排气系统管道作为研究对象，将整个系统按适当顺序拆 分出数个相互联系的声学子结构，各个子结构的声传播特性由传递矩阵描述，只 要确定出各子结构的声传递矩阵，借助矩阵运算就可求出整个排气系统管道的总 传递矩阵。声传递矩阵方法的成立是基于消声器内部声场满足一维平面波理论及 其他的一些声学假设，如果能够考虑气流速度和温度梯度的影响，可以非常准确 地计算消声器低中频消声特性，但是该办法没有考虑因气体流动产生的气流再生 高频噪声，所以在高频部分有较大误差，但是传递矩阵法理论成熟，计算简单， 已经能够满足大部分摩托车消声器设计的要求，因此得到了广泛的应用。 1954年，davis首先把声电类比方法运用于消声器的研究，1950年到1970年， fukuda提出等效电路，得到了传递矩阵法计算消声器声学特性的模型23。此后 sreenath和munjal进一步把传递矩阵法运用到消声器插入损失的计算，并且把消声 器的结构总结为由14种基本消声单元组成24。此外，近几年国外还有很多学者对 此方法进行了研究25-28。国内很多学者也对传递矩阵法估算消声器的性能作了深 入研究。蔡超等人把拖拉机抗性消声器声学子结构归纳为12种，并且提供了各个 结构的传递矩阵29。张宏波等人把常见的抗性消声器结构归纳为7种消声单元，考 虑均匀流和线性温度梯度的影响，推导了各自的传递矩阵，并利用vc+和 matlab联合编制了排气消声器性能预测的通用cad软件30。其余还有胡玉梅 31，张碧泉32等人利用传递矩阵法研究了消声特性。 消声器的最新技术是有源排气消声技术。有源消声器去除传统的消声器，或 简化其内部结构，并在排气管道的某个环节引入有源消声技术，从而达到降低排 气噪声目的的方法。自适应滤波技术能不断跟踪发动机排气噪声随转速、负荷等 因素的变化，自动选取最佳次级声源的幅度和相位，保证消声系统始终工作在最 佳状态。因此，自适应有源消声技术成为发动机排气噪声治理领域近年来备受关 注的一个热点。目前国外已有实用的有源消声器33。 声学仿真软件发展快速，并成功地运用到了消声器的设计中，比较常见的商 用软件有：sysnoise、gt-power等。gt-power主要用于发动机的性能、噪声 的仿真设计，以及完整的电子控制功能的设计，它还提供了一个包含消声器零件 库的二维绘图区， 可以使消声器的模型建立十分的简便16。 sysnoise是专门从事 振动噪声分析的cae软件，可以建立有限元、边界元模型等进行消声器仿真， 有强大的计算能力，还可以和其他cae软件很好的结合，sysnoise一般和建模软 件、有限元前处理软件配合使用34。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 除了用途较广的商用软件，有些学者还自主开发了消声器的cad软件。这些 软件更加具有针对性，能够满足设计者的大部分需要，而且操作简单方便，很适 合工厂里面的实际情况，因此也有一定的市场前景。温彤等基于vb编制了muffler cad，辅助设计人员完成设计摩托车消声器，生成txt技术文档，并可提供资料 查询，帮助功能等35，刘晓玲自主编制二维边界元法计算程序，估算消声性能19， 杨维平36等基于传递矩阵法自编程序，张宏波也是基于传递矩阵法利用vc+和 matlab编制了排气消声器性能预测通用cad软件30。 消声器的优化设计是一个多变量、多约束、多目标的复杂优化过程。计算机 辅助设计是解决这一问题的最佳途径，综合考虑消声器的声学性能、空气动力性 能和结构性能，最终给出消声器某种结构的最优几何参数。较多的消声器优化是 基于传递矩阵分析法，在发动机参数和消声器结构型式确定的情况下，消声器的 消声频率特性是以消声器结构参数为变量的函数。在各结构参数允许的条件下， 以最大消声量为目标，或是以最小体积为目标，利用优化函数设计程序，求解消 声器结构参数的一组最优组合。优化方法较多采用复合型法、内点惩罚函数法 23,37-38。近几年，随着优化技术不断发展，新的优化方法不断地应用到消声器的优 化研究上来，有遗传算法和神经网络等39。 1.3 本文研究的主要内容 本论文基于声波一维传播的传递矩阵法，结合摩托车消声器的特点，运用 matlab 等工具设计摩托车消声器集成设计分析系统。 具体内容包括： 收集摩托车消声器相关信息，总结消声器特点以及消声器设计的经验； 分析摩托车消声器结构，提取基本消声单元，总结各单元的传递矩阵； 建立消声器消声性能计算模型、压力损失计算模型和性能优化设计模型； 构建消声器集成设计分析系统，使用 matlab 开发消声器的整个程序的 框架以及声学性能分析模块、优化模块、压力损失预测模块等，在 vc+编译环境 中二次开发 ug 消声器自动建模程序。 应用集成系统分析和优化实际消声器，验证系统的准确性和实用性。 重庆大学硕士学位论文 2 摩托车排气消声器设计和分析基本理论 6 2 摩托车排气消声器设计和分析基本理论 2.1 摩托车噪声的特点 2.1.1 摩托车噪声源组成 摩托车的噪声源主要有空气动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声。摩托车的机 械噪声包括传动齿轮噪声、发动机活塞及曲柄连杆机构的噪声、配气机构噪声、 不平衡惯性力引起的机械振动噪声和其他的机械噪声。燃烧噪声主要是指燃烧时 气缸压力通过活塞、连杆、主轴承传至机体以及通过气缸盖等引起发动机结构表 面振动而辐射出来的噪声。空气动力性噪声主要来自于发动机进气噪声、排气噪 声和风扇噪声，常以排气噪声为主。进气噪声的大小与发动机的进气方式、进气 门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关。表2.1是采用噪声源分离技术测得某摩 托车加速噪声中各部件辐射噪声占整车噪声的比重40。 表2.1 某摩托车各部件辐射噪声及比重 table 2.1 radiant noise and its ratio of each part of one motorcycle 类别 消声器壳体 消声器尾管 发动机 车轮 其他 总计 辐射噪声级， db（a） 71.3 75.7 72.7 67.7 76.8 80.9 贡献量， 11 30.2 15.1 4.8 38.9 100 一般来说，发动机排气噪声对摩托车整车的噪声等级贡献最大。因此控制排 气噪声，可以取得良好的降噪效果。 2.1.2 摩托车排气噪声分析 摩托车排气噪声的主要来源为排气声和排气系统辐射的噪声。排气声一部分 是由于高温高压燃烧气体以脉动形式喷出推动空气而产生的噪声，称之为脉动声； 另外一部分是气体在摩托车内部流动，与排气管壁间产生摩擦的声音，称之为空 气流动声音，简称为气流声。排气系统辐射的声音是指发动机振动、排气压力变 动、排气管和消声器表面的振动所引起的噪声。 排气噪声的声压级决定于发动机的功率、排气量、气缸内的平均有效压力、 排气口出口面积与转速等因素，并随着上述因素的增加而提高。排气噪声一方面 通过气道内的气体传播，另一方面激励气道壁振动，产生二次噪声。它的基频是 发动机的发火频率，主要特点是在整个的排气噪声频谱中呈现出基频及其高次谐 波的延伸。 重庆大学硕士学位论文 2 摩托车排气消声器设计和分析基本理论 7 2.2 消声器的评价指标 消声器的种类繁多，结构形式多样，性能各有差别，但是其基本要求是一致 的。评价消声器性能时，应综合考虑声学、空气动力学性能和结构强度、经济性 等方面的要求。消声器应在工作气流的温度、流速和压力条件下，在需要的频率 范围内具有良好的消声效果，并且阻力损失小，即安装消声器不能影响气流畅通 和降低风量；消声器必须适应其具体的工作环境，具有适当的外形和小的体积， 结构简单便于制造和安装，坚固耐用，工作可靠而且寿命长。对消声器的这些要 求是相互影响和制约的，应根据实际情况权衡，有所侧重。近年来随着心理声学、 生理声学的发展，加大了噪声主观评价方面的研究，主要的衡量指标有响度、波 动度、粗糙度和尖锐度23。目前国内外主要使用消声量和功率损失这两个指标来 衡量消声器性能的好坏。 2.2.1 消声量的评价指标 评价排气消声器的消声量常使用