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汽车消声器设计 北京绿创环保设备股份有限公司汽车排气系统设计所吴帮玉 声学的基本概念 目录 1 声压 声压示例 声压级 声强级 声功率级2 声压级和声强级的比较3 自由声场中的声压级3 室内声场中的声压级和声功率级4 声音的叠加及分贝的相加 相减5 计权网络 A B C声级及A声级的计算 声压 1 声压 设体积元受声扰动后压强由P0改变为Pl 则由声扰动产生的逾量压强 简称为逾压 就称为声压 2 瞬间声压 在已定时间间隔中最大的瞬间声压值称为峰值声压或巅值声压 3 有效声压 在一定时间间隔中 瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压 声压示例 声压大小的典型例子 人耳对1kHz声音的可听阈 即刚刚能觉察到它存在时的声压 约2 10 5Pa 微风轻轻吹动树叶的声音约2 10 4Pa 在房间中的高声谈话声 相距lm处 约0 05Pa 0 1Pa 交响乐演奏声 相距5m 10m处 约0 3Pa 飞机的强力发动机发出的声音 相距5m处 约200Pa 声压级 1 人的耳朵有一个很 奇怪 的特点 当耳朵接收到声振动以后 主观上产生的 响度感觉 并不是正比于强度的绝对值 而是更近于与强度的对数成正比 2 声压级声压级以符号SPL表示参考声压pref一般取为2 10 5Pa 声强级 声功率级 声强级声强级用符号SIL表示 声功率级 声功率级用符号Lw表示 式中 Lw 声功率级 dB W 声功率 W W0 基准声功率 为10 12W 参考声强Iref一般取10 12W m2 这一数值是与考声压2 10 5Pa相对应的声强 计算时取空气的特性阻抗400N s m 这也是1kHz声音的可听阈声强 声压级和声强级的比较 声压级与声强级数值上近于相等 如果在测量时条件恰好是 则SIL SPL 对一般情况 声强级与声压级将相差一个修正项 它通常是比较小的 自由声场中的声压级 在自由声场中 Lw为声源的声功率级 求距声源r米处的声压级Lp 在自由声场中 已知10m处的声压级为60dB 求100m处的声压级 40dB 声音的叠加 60分贝加60分贝只等於63分贝 下面的公式解释声音相加的原理 即声压级分别为L1 L2 Ln声音叠加 总声压级L的计算过程 当L1 L2 Ln时 上式就简化为 声音叠加的例子 70dB 70dB 70dB 70dB 70dB 一个人讲话为声压级60dB 一百个人同时讲话声压级为 80dB60dB 70dB 60dB 65dB 声压级的叠加 分贝的相减 例 为测定某车间中一台机器的噪声大小 从声级计上测得声级为104dB 当机器停止工作 测得背景噪声为100dB 求该机器噪声的实际大小 解 设有背景噪声时测得的噪声为LP 背景噪声为LP1 机器实际噪声级为LP2由题意可知LP LP1 4dB从图7 2中可查得 LP 2 2dB 因此该机器的实际噪声声级为 LP2 LP LP 104dB 2 2dB 101 8dB 计权网络 计权网络实际上是一种电子滤波线路 是按照等响曲线所表示的人耳对声音频率的响应而设计的 在声级计中一般都设计了A B C三条计权网络 C计权网络是模拟等响曲线中100phon曲线而设计的 B计权网络是对应模拟等响曲线中70phon曲线 A计权网络是模拟等响曲线中40phon曲线而设计的 它对1000Hz以下的声音有较大的衰减 用A计权网络测量出来的噪声强度 与人耳对噪声的主观感觉比较接近 它也与人耳听力损伤程度相对应 A声级的单位记作dB A 或dBA A声级在噪声测量和评价中应用最为广泛 等响曲线 A声级的计算 在噪声测量中经常需要由倍频带或1 3倍频带声压级计算A声级 可用计权网络数据进行声级叠加方法计算 Lp A声级 dB A 第i个频带的声压级 dB 第i个频带的A计权网络修正值 dB A声级的计算 例 某人一天工作8小时 其中4小时在90dB的噪声下工作 3小时在的85dB噪声下工作 1小时在80dB噪声下工作 计算等效连续A声级 人们在夜间对噪声比较敏感 近年来在等效连续A声级的基础上又提出了昼夜等效A声级的概念来评价环境噪声 对于夜里22时起到次日晨6时之间的声压级 作了附加10dB的处理 昼夜等效A声级可以表示为 消声器质量特性 消声器设计要素 排气系统 初步设计 汽车排气消声器是一种高温 高速的脉动气流噪声 当发动机工作时 气缸内的废气随排气口间断开闭而周期性地喷射到排气管内 它的声源非常复杂 在系统设计时有如下要素需要考虑 消声器设计过程 排气系统噪声源 尾管空气噪声振动噪声辐射噪声机械噪声 消声器的初步设计 排气管初步设计 为了降低消声器的阻力损失和气流再生噪声 保证消声器正常工作 必须降低消声器和管道中的气体流速 对于汽车排气消声器中的气体流动速度 一般气流速度控制在50 60m S之间 可根据发动机排量初步计算确定排气管直径 管径与排气噪声关系 消声器安装位置初步设计 消声器安装位置越靠近发动机消声效果越好 但是通常在发动机附近由於受到空间的限制 很难安装消声器 所以消声器通常安装得比较靠后 对于二级消声器 通常前置消声器安装位置要求尽可能靠近发动机排气口 消声器容积的初步设计 消声器容积与排气系统插入损失之间的关系 消声器容积升 通常讲 消声器容积越大 消声效果越好 排气噪声的大小很大程度上取决于消声器容积 要达到理想的消声效果 消声器容积至少要是发动机气缸体积的10倍至20倍 前置消声器容积达到发动机气缸体积的两倍以上 消声器容积 前置消声器容积 后置消声器容积 消声器容积推荐公式 柴油机设计手册 介绍的公式 其中 n 发动机转速 t 冲程数 i 气缸数 vh 单缸排量 L k 系数 取1000 5000 美国某公司推荐公式 n 发动机转速 T 冲程 N 气缸数 Vh 发动机排量 Q 系数 取5 6 英国某公司推荐公式 n 发动机转速 Vh 发动机排量 i 气缸数 消声器长径比设计 当消声器容积保持不变时 只改变其内径与长度 L D越小 空腔越扁 截面积的扩张比m越大 最大衰减量也随之增大 但消声频率范围变得很窄 经验推荐值 3 L D 4 消声器结构设计方法 查找 估算及测量发动机噪声数据 A声级和倍频带声压级等 并确定辐射噪声的部位和传播噪声的主要途径 从而选择消声器安装的最佳位置 根据国家标准和客户要求以及确定的具体指标 确定允许噪声的标准限值 计算消声器所需要的消声量 根据需要的消声量 空气动力性 排气背压 等要求 确定消声器的类型 设计出符合要求的消声器 反复试验 验证 进行修改后确定设计方案 消声器优化设计 消声器技术目标 消声量 传递 插入损失 优化设计 压力损失 消声量频谱 选定频率对应的消声量 选定频率对的传递 插入损失 倍频程 倍频程 最差频率对应的消声量为目标函数 总消声量为目标函数 传递 插入损失数据 消声量数据 压力损失数据 优化设计文件 消声器设计与优化流程 设计实例 某6缸发动机 发动机转速在1500rpm时 大约在75Hz噪声峰值进行优化 转速与频率对应关系 K 气缸数n 转速T 冲程数 发动机转速在1500rpm时 大约在75Hz噪声峰值进行优化发动机转速在5000rpm时 大约在250Hz噪声峰值进行优化 设计实例 某6缸发动机 优化设计的结果 正负误差不超过2dB A 设计实例 某6缸发动机 优化设计的结果 正负误差不超过2dB A 设计实例 某6缸发动机 设计实例 某4缸发动机 设计实例 某4缸发动机 消声器分类 1 阻性消声器 可以有效降低中 高频噪声 消声器分类 2 抗性消声器 可以有效降低中 低频噪声 消声器分类 3 阻抗复合式性消声器 宽频消声器 消声器分类 有源消声器 消声器分类 扩散消声器 小孔喷注 多孔扩散 节流降压等消声器可以有效地控制小喷口高压排气或放空所产生的空气动力性噪声 消声器分类 消声器结构设计 阻性消声器设计 确定消声器的结构形式 选用合适的吸声材料 确定消声器长度 合理选择吸声材料的护面结构 根据高频失效和气流再生噪声的影响 验算消声效果 阻性消声器是在消声器里面安放了多孔吸声材料 如纤纬材料等 当声波通过这些材料时 声能量被纤纬材料吸收而转变成热能 阻性消声器主要是吸收高频噪声而且频带较宽 吸声材料绝大多数是安放在消声器里面 阻性消声器 吸声材料的密度越高 吸收系数就越大 在吸声材料的密度相同 那么纤纬材料的直径越小 吸声系数越高 材料的吸声系数可用驻波管或混响时间差测量得到 P 消声器通道断面周长L 消声器有效长度S 消声器通道横断面面积 材料的吸声系数 材料的密度与吸声系数 频 率 Hz 吸 声 系 数 150 150 100 100 50 50 阻性消声器 原理利用声阻进行消声 一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器 当声波通过敷设有吸声材料的管道时 声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振动 由于摩擦阻力和粘滞力的作用 使得一部分声能转化为热能耗散掉 从而达到消声目的 阻性消声器的计算方法 赛宾公式 彼洛夫公式 消声系数 与阻性材料垂直入射系数有关 P 气流通流断面周长 饰面部分 无吸声材料的地方不算在内 L 消声器有效长度 饰面部分长度 高频失效 高频不能很好的用平面波近似 方向性强 以窄声束的形式沿通道传播 很少或根本不与饰面接触 造成消声量急剧下降 消声器的高频失效 式中 c 声速 米 秒 D 气流通道的截面直径 米 上限失效频率 抗性消声器 抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的 利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合 提供管道系统的阻抗失配 使声波产生反射或干涉现象 从而降低由消声器向外辐射的声能 常用于汽车消声器设计的技术 扩张室式 共振腔 干涉等 扩张室消声器 原理利用管道的截面突变引起声阻抗变化 使得一部分沿着管道传播的声波反射回声源 同时 通过腔室和内接管长度的变化 使得向前传播的声波与在不同管道截面上的反射波之间产生180 的相位差 相互干涉 从而达到消声的目的 扩张消声器的传递损失为 fn 2n 1 f n 失效频率 f下 扩张比对传递损失的影响 扩张器长度对传递损失的影响 共振腔消声器 原理利用共振吸声 当声波入射到共振腔口时 因为声阻抗的突然变化 一部分声能将反射回声源 同时在声波的作用下 孔径中的空气柱产生振动 振动时摩擦阻尼又使一部分声能转变为热能而耗散掉 仅有少量声能辐射出去 从而达到了消声的目的 分类旁支型和同轴型 共振消声器传递损失为 L 10lg K G 共振消声器设计方法 传导率 阻抗复合式消声器 阻性消声器对中 高频噪声的消声效果好 而抗性消声器则适于消除低 中频噪声 将阻性 抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果 不同方式的组合 可设计出不同结构形式的阻抗复合消声器 一般情况下 是抗性部分放在前面 入口端 阻性部分放在后面 消声器空间几何尺寸的限制 原则上 增大消声器的外几何尺寸 可以提高消声量 但是受到底盘布置的限制 增大背压阻力 截面形状对消声效果也有不可忽视的影响 排量频繁变化的脉动气流使得静态的声学计算要做出很多修正 喷注尾管结构 喷注消声结构 超微孔消声结构 喷注尾管定值噪声测量结果 大排量 4500rpm 条件下 消声量6 6dbA 消声性能的模拟设计 进行计算或输出 ANSYS划分网格 用CAD建立模型 消声器压力损失计算 1 消声器的压力损失主要包括消声器内的通道壁面与气流摩擦所产生的压力损失 简称摩阻 2 消声器内通道弯折 截面变化等局部结构变化导致气流流动情况的改变所产生的压力损失 简称局部阻力 两个方面 P P摩 P局 减小排气背压的措施 1 要减小功率损失 就必须减小背压 比如增加管道的截面积 2 合理的结构设计 将消声通道与排气通道分开考虑 减小系统内局部阻力等等 3 但是减小功率损失必须与降低噪声相互协调 排气背压的测量 1 静压 测量口与通道管壁平齐 2 动压 测量口正对着气流方向 3 全压 静压与动压之和 消声器标准与试验 汽车消声器相关标准 汽车排气消声器技术条件 产品标准 汽车排气消声器性能试验方法 测量标准 机动车辆定置噪声测量方法 汽车定置噪声限值 GB1495 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法 汽车消声器性能试验 插入损失 功率比损失 排气背压 在发动机台架上测试 M1类车 插入损失 28dB A 功率比损失 8 排气背压 26 7KPa 200mmHg 消声器寿命轿车消声器使用80000Km或2年 其插入损失不得减少6dB A 以上 功率损失比不得增加3 以上 消声器传递损失试验 图2 3传递损失测量图 传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性 它只与自身的结构有关 在评价单个消声元件的消声效果或者初步评估系统的消声性能时 通常用传递损失 传递损失是评价消声元件消声效果最简单的一种方法 消声器插入损失试验 消声器插入损失 装置在消声器以前与装置消声器以后相比较 管口辐射噪声的声功率级的降低量 在消声未端测量 单位为 分贝 A 静态插入损失 动态模拟损失损失 发动机台架插入损失 绿创发动机台架实验室 绿创半消声室 绿创消声器实验室 插入损失测量方法 绿创混响室 气流动力室 传递损失与插入损失区别 传递损失只考虑消声元件本身不同 插入损失是考虑一个系统 也就是说除了消声元件本身外 插入损失还包括了声源和出声口 排气尾管 的声学特征 因此这种方法是描述整个系统消声效果的最佳表达方式 汽车定置噪声限值 轿车定置噪声 汽油车 必须小于85dB A 微型客车必须小于88dB A 试验条件测量仪器 场地 传声器位置 发动机转速等条件要求 装车试验验证方案 定置噪声测验 定置噪声数 图对比 定置匀加速对比图 汽车加速行驶车外噪声测量方法 汽车消声器在线检验方法与装置 气密性试验 消声器内相对气压稳定在 1 KPa时 3min钟时间内 排气系统各级消声器漏气量总和不超过100L min 汽车消声器在线检验方法与装置 振动耐久性试验 在振动频率为33 3Hz或66 7Hz 振动加速度为43 1m s2上下左右前后共计8小时 无损坏现象 漏气量比振动前漏气量增加不大于20L min 汽车消声器在线检