汽车排气消声器的设计与工艺.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除afterwards adv. 然后；后来similarity n. 想像性；相似点overlook vt. 俯视；忽视；不理会valley n. （山）谷；流域hunt vt. & vi. 打猎；猎取；搜寻squire n. 乡绅vt. 集中；聚集vt. 接替；继任betray vt. 显露出（本来面目）；背叛conquer vt. 征服；占领汽车排气消声器的设计与工艺二一年十二月第1章 有关的声学基本概念1.1 声波与噪声声的本质是物质的振动。振动源的振动，通过介质（媒质）产生的振动，即声波，传到人耳引起对耳膜等的作用，使人感到声音。声波（介质的振动）可以在固态、液态或气态介质中传播，介质的质点在其平衡位置附近振动，而介质并不传播出去，传播出去的只是声波。声波每秒钟振动的次数，称为声频，以f表示，单位为赫兹（Hz），每秒振动一次为1Hz，人耳可以感觉到的声频只在f=2020000Hz范围内。声波在媒质中传播的速度称为声速，以C表示，单位为米/秒，几种媒质中的声速如表1.1所示。表1.1 不同媒质中的声速媒质温度（）声速（m/s）空气0331.5水蒸气100471.5钢5050声音在空气中的传播速度随温度的变化为：C=C0+0.6t其中：C声速 C0在0时空气中的声速 t空气中的温度（）同一声波的相邻波同相位点间的距离称为波长，以表示，它与频率f及声速之间关系为：=C/f 单位为：米声波和其它波一样，可以产生反射、折射、绕射、干涉和共振等现象。两个独立的声波同时传播时，相互间的现象是：一方面，各自保持其原有的频率、波速和传播方向不变，继续传播。另一方面，传播介质的质点的振动，是两个波的合振动，称为声波的叠加。由此，两个频率相同，相位差恒定，同向传播的声波产生的叠加，称为声波的干涉，该两个声波，称为相干波。而两个振幅和频率相同的相干线，在同一直线上沿相反方向传播，产生的叠加称为驻波，其特点是在固定的空间合成波的零点（波节）和波幅最大点（波腹）。两个频率不同，振动方向与相位无固定规律的声波，相互间在传播中，也使某些点振动加强或减弱，但其结果与没有相互作用时的情况相同，则这两个声波称为不相干波。噪声是由大量频率不同的，一般都是不相干波的声波组成，其特点是振动的非周期性，表现为紊乱、断续的随机振动。1.2 声的客观度量及频率（频程）1.2.1 媒质在声波的作用下，其中某些点的压力产生强弱变化，这种压力超过静压的值，称为声压，用p表示，单位为：牛/米2，瞬时声压有正负变化，不能单纯相加，为了表示声压超过静压的程度，一般用有效声压表示，即用一定时间内瞬时声压的均方根值来表示， (N/m2)其中：p(t)瞬时声压（N/m2） T某时间间隔（s）声波的传播，使声能也得以传播，在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的声能，称为声强，以I表示，单位为：w/m2。人耳开始能听得到的声强为：1012w/m2（听阈声强）。人耳开始感到疼痛难忍时的声强为：1w/m2。（痛阈声强）在自由平面波或球面波的情况下，在传播方向的声强： （w/m2）其中：有效声压（pa）媒质密度（kg/m3）c声速（m/s）在温度为0及1个大气压下，空气的c=428.5Ns/m，由于听阈及痛阈声强分别为10-12w/m2与1w/m2，则按上式求得听阈及痛阈声压分别为210-5N/m2与20 N/m2。声源在单位时间内，向外辐射声能为该声源的声功率w（或者说，声功率是声源的总声强）。对于平面波：W=IS S包围声源的总面积（m2）对于球面波：W=42I当声源放在具有反射的地面上，声源只能向半球面辐射，则：W=22I以上式中的声强I是指与声源的距离和计算声功率的面积与声源的距离相同的某点的声强（即距离都是r）。1.2.2 人的听觉由听阈到痛阈声压的绝对值相差100万倍，用绝对值来表示其强弱很不方便，而人耳对声音的听觉与声压等物理量之间，恰近似于对数关系。因此，我们将声的物理量，按被测声与听阈声之比值取对数来表示，称为该物理量的“级”（以分贝即dB表示）。由于它是一个比值，所以是无量纲，并且取对数后，数值差距缩小，便于使用，而且又近似人的听觉。1如：声强级LI，定义为： （dB）其中：I被测声强（w/m2） I0听阈声强（1012w/m2）因此，听阈声强级为0dB，痛阈声级为120dB（如果公式中不加系数“10”，则分别为0dB与12dB，这样，差值太小，使用起来也不方便）。2声压级LP由于：， 则： （dB）其中：p被测声压（N/m2） p0听阈声压（在f=1000Hz下，为2105N/m2）因此，听阈声压级为0dB，痛阈声压级为120dB，与声强级量程相同，如果某声压为p1，另一声压是它的一倍，即：p2=2p1，则p2的声压级为：所以，声压增强一倍，声压级只增加6dB。同理，声压增加10倍，声压级增加20dB。所以，既使能将噪声下降10dB，声压也就能下降三倍多，是很显著的。3声功率级LW定义为： （dB）其中：W被测声功率（w） W0听阈声功率（W0=1012w）因此，听阈声功率为0dB，痛阈声功率级为120dB，与声压级、声强级的量程都相同。在自由声场中，如不考虑空气中“c”的变化，声压级与声强级近似相等，在自由场中，以球面波向外辐射的声功率级：在半自由场中，以半球面波向外辐射的声功率级：r离声源的距离（m）以上两式可用于在距声源为r处，已知声压级（声强级），求声源的声功率级。当然，也可以用于已知声源的声功率级，求某处的声压级（或声强级）。4两个声压级的合成是原较大的一个声压级加一个增值，如表1.2所示。表1.2 （dB）原两声压级之差012345678910合成后之增值3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.4在多个声压级求合成声压级时，先将两个最大的声压级合成，再与第三个大的声压级合成，如此类推，到声压级之差大于10dB，以后的声压级可以不计入。5两个声压级的分解如已知总噪声与本底噪声的声压级，求被测噪声的声压级，则被测噪声的声压级等于总噪声声压级减去一个修正值（见表.）。表1.3（dB）总声压级与本底声压级之差12345678910修正值6.94.432.31.71.250.950.750.60.45在总声压级超过本底声压级10dB时，可以不考虑本底噪声的影响。总之，声级的合成与分解不能按算术和或算术差来运算。1.2.3 如前所述，噪声是由许多不同频率，不同强弱的声波无规律组成的。为了解某噪声中各种不同频率成份及其强弱分布，以便对其采取有效的降噪措施，我们可以声压级（或声功率级、声强级）为纵座标，以频率为横座标，将不同频率的声压级标出来，并联成曲线，即频谱曲线，这种方法称为频谱分析法。但人耳的可听声频范围从20到20000Hz，有1000倍，不可能对所有频率都作测量。事实上，噪声测量中，是把声频范围划分成几个小段进行的，这种段叫作频带或频程。具体分法，一般有“倍频程”和“1/3倍频程”两种。倍频程的每一个频程的中心频率以f中表示，其上、下频率以f上和f下表示，则中心频率为63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000Hz，两个相邻频率之间的频率之比都是21，故称倍频程。而上、下频率按f上=f中，f下=f中列出（见表.）。表1.4（Hz）f中f下 f上f中f下 f上31.522.54510007101400634590200014002800125901804000280056002501803558000560011200500355710160001120022400而1/3倍频程，则是将以上各频程再按：121/322/3：2分为三段，在实际进行频谱分析时，用一般的附有滤波器的声级计。需要一个频程一个频程地进行测声级，但当测下一个频程时，上一个频程已不是先前测得数值，因为频率分布是随机变动的，因此，需要采用实时分析仪，可在几分之一秒内，把整个频谱曲线显示在荧光屏上。当然，对于那些频率分布相对较稳定的，要求不是太高的场合，用带滤波器的声级计还是可以的。如图1.1所示，是按倍频率程测出的某汽车噪声的频谱曲线。当然，在这种情况下，曲线已经变成折线了。1.3 声的人耳主观感觉及其度量1.3.1 人耳与人的大脑组成的听觉系统，由声音强弱引起的声感强弱两者之间不是成线性关系的。在2020000Hz的可听范围内，人耳对低频声不敏感而对高频声则较敏感，低于20Hz的次声及高于20000Hz的超声，则尽管有较高的能量，则都听不见。只有在1000Hz时，声音的强弱（客观物理量）与声感的强弱（主观感知量），才是成正比的。前面提到的听阈与痛阈也都是在1000Hz的条件下的数值，如果不在1000Hz时，这些数值也不同了。同样，例如声压级为40dB的一个客观声音，如果不是1000Hz的，给人耳的感觉与在1000Hz时的40dB声压级的声音给人耳的感觉是不一样的。如在63Hz下，声压级为60dB的声音，听起来与一个1000Hz、40dB的声音才是一样的。为了引出一个与人耳感觉相同的度量，人们在以声压级（dB）为纵座标，以频率（Hz）为横座标（按1/3倍频程分配）建立座标系，把与1000Hz某声压级听起来同样响的点连起来，如把与1000Hz 40dB一样响的点连起来（图1.2），叫作40方响度线，把与1000Hz、70dB一样响的点连起来，叫作70方响度线等等，如类推，这样可以从0120，得到13条响曲线，以此分为13个响度级（单位为方，phon）。从图1.2的横座标方向看，在低频部分，声压级要较高才能达到较低响度级，而在高频部分，声压级与响度级差不多，说明人耳对低频较迟钝，对高频较敏感。从图1.2的纵座标方向看，在低dB区，等响曲线的起伏变化大，在高dB区，等响曲线的起伏变化小，比较平坦。说明在低声压级下，频率的变化对人耳的感觉影响大，而在高声压级下，频率的变化对人耳的感觉影响不大。响度级是个相对量，从响度级可以引出响度，以表达听觉大小，响度的单位为宋（Sone）。N响度（宋）LN响度级（方）1宋相当于1000Hz下，声压级为40dB的纯音（即响度级40方）听觉反应量。50方为2宋，60方为4宋，70方为8宋。图1.2 等响曲线1.3.2 声级计是测量声音强弱的仪器，它能将客观的声压得到正确地反映，而且不论一个声音是什么频率，都能将声压转换成对应的声压级。但它不能转换成与人耳的听觉相符合的响度级，比如：在63Hz下的声压级为60dB的声音，听起与1000Hz下声压级为40dB的声音是一样的。声级计只对它们分别指出为60dB与40dB，而不能指出它们同为40方。如果对一条40方的等响曲线，是可以在声级计的电路上设置一套滤波网络，在不同的频率下对声压级作不同的修正，而获得40方的指示。但如前所述（图1.2）不同响度级的等响曲线，其曲率变化是不同的，因而不可能对不同响度级都设置一套滤波网络。为了尽量接近人耳的听觉，人们效仿40方等响曲线设置一套修正电路，对所有不同响度级的声音都作相同的修正。这样，声级计的指示数既不是声压级（因为已经过修正），又不是响度级（因为除40方外，其它都不符合对应的等响曲线），人们给它另取名为：A声级，如指示数为40，则称为40dB（A）（即A声级为40dB），指示数为60，则称作：60dB（A）。另外，效仿70方等响曲线而设置的修正电路得出的指示数，称为B声级，效仿100方等响曲线时，则称为C声级。这样，一般声级计设置了三种计权网络，可以测：声压级、A声级、B声级和C声级四种读数。声压级是客观物理量的正确反映，A声级是最接近人耳听觉的指示数，C声级则是代表噪声的总声压级（因为对100dB声压级线，基本与水平线重合），各有不同用处。1.4 噪声的评定噪声大小，危害程度及对环境的污染情况，按噪声源的频谱特性和评定噪声的目的不同，评定方法也不同。这里只介绍几种与汽车排气消声器的设计与检测有关的评定方法。1.4.1 用A声级来评定噪声，其优点是接近人耳的听觉，可用声级计直接测量，但不能反映噪声源的频谱特征，相同大小的A声级，可以有各种不同的频率分布。1.4.2 运用频谱分析技术来评定噪声，其优点是可以将噪声各频程的声压级清楚地表示出来，这有利于控制与降低噪声。但要比较两个不同频率分布的噪声，却不能直接简单地说清楚，必须作一番分析才行。1.4.3 用响度和响度级来评定噪声，优点是较符合人耳的听觉，既考虑了声压级也考虑了声频，但响度级不能直接测量，只能通过计算求得响度。1.4.4 噪声评价数噪声评价数N是这样定义的：其中：LP倍频程声压级（dB） a、b对应于各倍频程中心f0的一组系数（表1.5） N噪声评价数表1.5 系数a、bf0631252505001000200040008000a35.522124.803.56.18.0b0.790.870.930.9411.0151.0251.03在纵座标为声压级（dB），横座标为按倍频程分布的频率为座标系中（图1.3），每给定一个N数，可以有一条对应的“等N数曲线”。而在1000Hz时，其N数（由于a=0,b=1），正好是声压级LP的数值。这样，用一个N数（即一条对应的N曲线），既在噪声强度上，又在频率上给出了一个界线，比如N为40dB，曲线为LP=a+b40。凡是在该曲线以下的点（如B点），其声压级都是允许的,否则，是不允许的(如A点)。而不论实际上B点已是45dB，A点只有38dB(图1.3)。N数是1961年ISO提出和推荐使用的。另外，如果其标准中提出以A声级来作限值。比如，不超过85dB（A），则我们认定N数为80dB，即：按N=LA5的原则确定N数，这就使等响曲线85方，向下超过85dB（A）等N曲线的部份也包括进去了，这对于设计消声器是有用的。1.4.5 声功率及声功率级对于一定的声源（如某机器设备）是不变的。用它来评定一个声源的噪声大小是方便的，虽然不能直接测量，但可按不同声场的不同方法，测出声压级，按公式计算得出。1.5 噪声的测量1.5.1 测量噪声最常用的仪器是声级计，它的主要部分有：传声器、前置放大器、放大器、滤波器或计权网络、放大器、检波器、指示表等。传声器是将声压波动转换成电信号，有电动式、压电式、电容式三种，在精密声级计中都采用电容式传声器。为了将声压转变成声压级，以及A、B、C各种计权声级，设计了相应的计权网络，以对信号作不同的衰减。最后，通过检波器，将交流信号进行平方、平均和开方得出电压的均方根值，输送给电表或数字显示器。频谱分析仪，是在一般声级计的基础上，按一定要求，设定频带宽度和倍频程或1/3倍频程的频程分配方式，设置各种滤波器和对应的开关。这样，就可以测各频带的声压级。从而粗略地描绘出噪声的频谱曲线。这需要先测出各频程的声压级后，人工连线。所以，实际是折线。实时分析仪，它是一种快速的频谱分析仪。可以在几十毫秒内把瞬时的噪声频谱显示在显示屏上，这样就避免了一般的频谱分析的各频程的声压级实际并不是在同一瞬间的问题。这是由于仪器中对应的各频程滤波器是平行设置的，信号同时进入各滤波器，而每个滤波器都有自己的检波器等。1.5.2 噪声测量必须注意声学环境，从声波的传播条件看声学环境可分为：自由声场、混响声场、半混响声场等。所谓声场，即声波传播的空间及声波在其中传播的状况。自由声场即指声波可无反射地进行自由传播，其声压级是与离噪声源距离平方成反比关系的。全部壁面都能很好吸声，而对声的传播没有任何反射声的影响，这样的房间称“消声室”。半消声室是除地面吸声系数很小外，其它各面均为吸声很好的声学空间。野外空旷区近似为半消声室。混响声场则是以吸声系数很小的全部壁面构成的“混响室”内。从噪声源辐射出来的声波经多次反射，使声场各处的声压级变得均匀一致，这样声场称为混响声场（或扩散声场）。一般的试验室即非消声室又非混响室，可称为半混响室。在半混响室中的任一点的声压级也是直达声和混响声合成的。在直达声与混响声正好相等的地方，其与声源的距离称为临界距离r0，小于r0的点直达声大于混响声，大于r0的点混响声大于直达声。所以测量点要选在小于r0的点，但为避免近场影响增大，也不能将距离选得太小。对此，标准中都作了规定。与排气噪声有关的测量标准有：整车方面：QC/T5893 汽车加速行驶噪声测量方法QC/T5793 汽车匀速行驶车内噪声测量方法GB/T1436593 汽车定置噪声测量方法GB/T1476393 柴油车噪声测量方法消声器方面：QC/T6311999 汽车排气消声器技术条件QC/T6301999 汽车排气消声器性能试验方法1.6 汽车噪声的特性及其限值标准1.6.1 汽车噪声是目前城市环境中最主要的噪声源。随着社会现代化的发展，城市机动车辆的拥有量日益增加，汽车噪声越来越严重，成为治理噪声的主要课题。汽车噪声按其性质可分为：机械噪声、风扇运转噪声、燃烧噪声、轮胎噪声、车身噪声、进气和排气噪声（图1.4）。从图1.5看出，在汽车噪声中，占主要的是排气噪声，而排气噪声的构成可包括：1基频排气噪声。它是由每个缸在排气门开启时，缸内的燃气高速喷出，冲击到排气道内气门附近的气体上，而形成的压力波引起的。因此，它是与发动机转速有关的典型低频噪声，其频率为：i缸数四冲程为4、二冲程为2n发动机转速（转/分）一般排气噪声的峰值约分布在125250Hz之间。2排气管内气柱共振噪声，这是由周期性排气噪声激发气柱共振噪声，其频率并不与上述基频一致。3排气歧管处气流吹气声，这是涡流产生的涡流噪声。4由气缸和排气管产生的亥姆霍兹共振噪声。5排气的喷射与冲击噪声，在排气门开启而产生的冲击后，高速气流的喷注及排气排出后，带动管内气体的卷吸而形成的噪声，一般在1000Hz以上。6排气管内壁面的摩擦及紊流噪声等。排气噪声与发动机转速、平均有效压力、排量大致有以下关系：四冲程汽油机： dB（A）四冲程柴油机： dB（A）n转速（r/min）p平均有效压力（MPa）V排量（L）K1、K2与发动机结构有关的系数1.6.2 汽车噪声的限值标准表1.6 一些国家加速行驶噪声限值 dB(A)轿车厢式车卡车奥地利低噪声卡车7880欧共体（1996年）74767980瑞 典75778284日 本768081中 国8283868489表1.7 我国机动车辆允许噪声标准（GB149579）车 辆 种 类车外最大噪声级dB（A）1985年1月1日前的产品1985年1月1日起的产品载重汽车8t载重15t92893.5t载重8t9086载重3.5t8984轻型越野车8984公共汽车4t总重11t8986总重4t8883轿 车8482摩托车9084轮式拖拉机（60HP以下）9186表1.8 欧共体的噪声限值演进 dB(A)乘用车70/157/EWG1970年实施77/212/EWG1980年实施84/424/EWG1988年实施92/97/EWG1994（95）实施乘员（包括驾驶）9人及以下82807774（75）乘员（包括驾驶）多于9人，载重不多于3.5T78乘员（包括驾驶）多于9人，载重不多于2T76（77）乘员（包括驾驶）多于9人，载重多于3.5T77（78）表1.9 日本轿车噪声限值 dB(A)乘用车19821987现行（1998年月10月1日起）乘员6人以下7876从表1.6表1.9可以看出汽车最大车外噪声的限值情况。要注意的是，所谓最大车外噪声是指加速行驶时的车外噪声，是对整车的要求。如前所述，整车噪声的产生是多方面的，需从多方面采取治理措施。而排气噪声是占比例最大的，应首先采取消声措施，若消声器的消声量（插入损失）确已足够大，尚不能达到整车限值标准，则应分析其它方面的因素。我国的有关限值标准有：GB16170-1996 汽车定置噪声限值标准GB1495-79 汽车加速噪声限值标准GB14761.6-93 柴油车噪声限值标准仅供学习与交流第2章 汽车排气消声器的基本概念与性能要求2.1 汽车排车消声器的定义与评价汽车排气消声器是针对排气噪声而设置的消声元件。所以，排气消声器必须是既能降低排气噪声，又能顺利地完成排气。我们介绍声波时，曾指出：介质的质点在其平衡位置附近振动，而介质并不传播出去，传播出去的只是声波。在排气消声器里情况稍有不同，排气（介质）的质点是在振动，但同时又在排放过程，气流在流动，而介质的振动我们则希望它“不传播出去”。事实上，声波（介质的振动）是不可能不传播出去的，只是设法减少其振动（减弱其振动能），余下的声波还是要传播出去的，而且比气流速度相对快得多。所以，关于声波的定义还是正确的，说了这些只是为了指出排气消声的特点。由此，对排气消声器的基本要求（基本评价）应是：1在噪声超过限值的那些频程，消声器应有足够的消声量（插入损失）。2消声器对气流的阻力（压力损失）或由此引起的发动机功率损失应尽量小。3结构简单，耐高温，抗腐蚀，坚固耐用，体积小，重量轻，易于制造，成本低。2.2 声学性能的评价排气消声器的声学性能包括两个方面，即：在哪些频程上消声，消声量是多少。一个消声器（或一组消声器）的消声作用不可能函盖从20Hz到2万Hz的所有频程。事实上也没有这个必要，因为汽车排气噪声往往只是在某些频程上超过了标准规定的限值，我们只须在这些频程上有足够的消声量。为了找出这些频程，就必须对排气噪声进行频谱分析。消声量常用插入损失和传递损失两种方法来表示。插入损失定义为：在距被测对象一定距离的某给定测点上，在有、无消声器的两种情况下，测得的计权声压级（或总声压级、频带声压级）之差：Lp1无消声器时的声级Lp2有消声器时的声级测量方法按GB475995：图2.1 单、双排气口的测点安排传递损失的定义为：消声器入口与出口的声功率级之差：LW1、LW2分别是入口与出口声功率级。传递损失是反映消声器本身对声能的损失，它没有包含排气管道系统的影响，这和插入损失是不同的。这要看我们评价的对象是谁，是带排气系统的某个消声器，还是只评价消声器。插入损失是离不开消声频程的，比如：某技术条件规定，消声器的插入损失有三级。A级：LIL10dB（A），B级：LIL15dB（A），C级：LIL20dB（A）。也有四级的，多一级D级：LIL25dB（A）。但应该注意的是，一种消声器不可能在任何频程上都有一样的插入损失，比如：C级消声器装在某车型上，可能是LIL=23dB（A），而在另一车型上可能是LIL=20dB（A），也不一定能保证装在第三种车型上LIL20dB（A）。因为，不同车型的排气系统，其噪声频谱是不同的。更要注意是，消声器是为整车服务的。从整车厂来看，最终是以整车噪声是否达到整车噪声限值标准来要求的，这就存在两个问题：一是从整车来要求消声器是否合理；二是整车和消声器的声学测量方法不同，如何协调。首先，整车噪声产生的原因是多方面的（见1.6.1节），而排气噪声占比例最大。消声器是与新车配套的，这时，其它部份是合格的。在这种条件下来设计与研制消声器，用整车噪声限值标准来要求和评价消声器是合理的。其次，按整车测噪声标准即QC/T581993汽车加速行驶噪声测量方法（图2.2），要求在AA线以前，4档以上车用3档，4档以下车用2档，发动机用3/4转速（或50km/h）行驶。车头到AA线，将油门踏到底，车尾到B线，停止加速，声级计放在离行车中线两侧的M点，即7.5m处。根据GB1495-1979，在此处测得的噪声级，对轿车来说，不应超过82dB（A）。但是，消声器的插入损失及频谱分析，则在离管口0.5m处测量的（图2.1）。我们把管口视作声源，在距管口0.5m处测量，可按球面波自由声场的条件求得声源的声功率级（见1.2.2节）：同样，在7.5m处测量，可按半球面波半自由声场的条件，求得同一声源的声功率级。而同一声源只有一个声功率级，故：dB（A）即，如在7.5m处要求不大于82dB（A）。在0.5m处则可允许不大于102.5dB（A）。当然，这只是一个粗略的估计，具体设计时应更正确与留有裕度。2.3 气动力性能的评价要在排气通道内，增加消声器，总是要比没有消声器时的通道增加一些阻力，减少气流的顺畅性，从而增加发动机的功率损失。一般来说，要想增加消声量，总要在消声器里多采取点消声措施，从而使气流阻力有所增加，如想减少气流阻力，往往只好减少些消声量，这是一对矛盾，如表2.1。从气动力性能有增加了气流阻力，即增加了流动损失或压力损失，也就是增加了背后。从而发动机的功率消耗看，增加了气流阻力，自然也增加了功率损失。表2.1标 准项 目ABCDNJ274-82插入损失dB（A）101520功率损失比%557JB/T5081-91插入损失dB（A）10152025功率损失比%2341150等，一般容重为：85kg/m3左右（0.085g/cm3）。频率高于一定值，声波在管道中传播不符合平面波的条件，消声量显示下降，即高频失效。高频失效频率为：其中：C声速（m/sec） 通道截面边长（m）（圆截面通道为直径）气流速度过大，则消声量有所降低。为此应采取措施，以适当降低流速，例如在通道中加设文丘里管（图3.2）等，从图3.3看出，在曲线以上的区域，数在0.850.9以上，即j(0)数在接近1.5处，消声量较显著，岩棉厚度较薄时（如20mm）。消声频率在2KHz以上，而岩棉较厚（如80mm）时，消声频率在500Hz以上。在该曲线以下，消声量太小，应尽量不用。不同通道直径与带岩棉的通道长度和消声量的关系见图3.4。当然，这里是指图3.3曲线以上区域的条件下的消声量，这里可以看出，只要有足够长度，消声量是显著的。因此，阻性消声器的特点是：适用于中、高频，在低频（如250Hz以下），衬里长小于50mm，通道直径大于50，消声量太少，应避免使用。3.2 扩胀式（膨胀型）消声器扩胀式消声器是利用管道截面的突变（扩胀或收缩），使通道内的声阻抗突变，从而使某些频率的声波通不过消声器，而反射回声源去（因此也叫作反射式消声器）。图3.5所示为其原理图，消声量的计算式为：其中：扩胀比m=S2/S1（图3.5）S1，S2扩胀前、后的通道截面积式中：是正弦函数。只有时（为正整数），值为最大。从而使最大。由于声波也是正弦函数，故：设：， 为角速度，c为声速（m/sec）则： 符合这个式子的、最大，我们称这个为：。这是说，在给定的情况下，有一个fmax，此时消声量最大（不是最高频率的意思）。反过来说，消声器的S1，S2一定时，需要消声的频率也一定时，符合上式的，为最大，也可以把这个称为。前一种情况是核定一个给定尺寸大小与长度的消声器对多少频率消声量最大，而后一种情况是在设计消声器时，我们针对某一个频率，应该选什么长度。从上式看出，与是反比关系，大时较小，小时，较大（图3.6a）。而一定时，也一定，此时，随m数变化（图3.6b）。从正弦函数的规律可以知道，它不只是在时，最大，有一个，而是在(2n+1)倍处还有很多（图3.7）。另外，要随气流速度的增加会有变化。为此，我们使用等效扩胀比me代替m，将流速考虑进去，即：其中：M马赫数（流速与声速比）近似地计算消声量，可用。而第一个最大消声量的频率为： 或：即消声器长度是波长的1/4时（及1/4波长的奇数倍时），为消声效果最大，而是波长的1/2时（及1/2波长的整数倍时），消声效果最差，声波无衰减地通过（实际成了声学滤波器）。为了扩大消声频率的范围，不只保留，而且在消声频率在处也要设法消除（或减少）无衰减通过，可采用插入内管法（图3.8）。因为：所以，插入/4时，可消除n为奇数倍的无衰减通过，插入/2时，可消除n为偶数倍的无衰减通过。为了减少气流阻力，增加消声器的结构强度，可以采用穿孔管（穿孔率大于25%）代替中间的空缺段（图3.9）作用是近似的。扩胀式消声器有上、下失效频率，即在大于f上，小于f下的频率，不起消声作用。 （Hz） （Hz）所以，仅从消声量的计算公式看，m数越大越好，但在管道截面S1已定的情况下，m数大3，（消声器直径）增大，从而使f上减小，消声频率范围变窄。如：消声器直径为150mm时，f上约为3000Hz；消声器直径为400mm时，f上约为1000Hz；消声器直径为600mm时，f上约为700Hz。故：m数不能选得过大。扩胀式消声器的特点是：在高频下不能使用（如果=1000，只有85mm，而且会遇到f上的限止），而在过于低的频率下（如=63，长达1400mm），由于太长也不适使用，一般用于125250Hz（约在350700mm之间）。消声器内腔直径小于100mm时，外接管直径大于50，显然消声量太小（见图3.10与图3.11）。3.3 共振式消声器（共振器）在排气通道上，设置一个与通道相通的封闭空腔V，两者之间有一个或数个小孔d相通（小孔的实际长度为t）（图3.12）。当通道中气流振动时，通过小孔，使封闭腔中的气体也引起振动，小孔中的气体（气柱）也同时振动，而当气流中的振动频率与封闭腔的固有频率相同时，发生共振。此时，气流中的声能消耗最大，即消声量最大。封闭腔的固有频率（即共振频率）为： (Hz)其中：S0小孔截面面积（m2）V封闭空腔容积（m3）LK小孔的有效长度（m）C声速（m/sec）t小孔的实际长度（m）而LK=t+0.8d并把称为传导率，用G表示。一般，如有多个小孔，且孔距为孔径的5倍以上，各孔间的声辐射互不干涉的情况下，总的传导率为各孔传导率之和：G总 =nGi。穿孔范围应小于r/12（共振波长的十二分之一）必要时穿孔范围可以分成几段。共振室可以置于排气通道的周围平行于通道（图3.12）也可以在一个支路上，这两种形式各称作串联式共振器与支路式共振路。消声量的计算为： （dB）其中：fr共振频率（Hz） f所求消声量的频率（Hz）消声器（共振腔）长度（m）从图3.13看出，达到共振频率时，消声量最大，曲线成尖峰状。在共振频率的左右，消声量急剧下降，当小孔的数量增加时，传导率增加，从而使共振频率提高，消声量也提高，但小孔增加到一定数量以后，共振器会变成“用穿孔管代替空缺段”的扩胀式消声器（图3.9）上述共振现象（曲线有尖峰）将不再出现，这是应充分注意的。消声量的简化计算式：（在共振频率下的）用倍频程时：用1/3倍频信时：其中：S通道截面积（m2）与K之间可由下表直接查出：表3.3 按倍频程计算K1.523456810157.59.512.8151718.6202327从K的计算式看出，S不能太大，S太大将使K变小，当K小于1.5时，太小，不能采用。但S太小，会使流速过高。共振腔的尺寸（包括：长、宽、腔深）都不应小于r/3。共振式消声器特点是：只有在fr处消声量最大，稍偏离fr消声量即有显著减小，即消声频带极窄（图3.14）。K值增大，不仅消声量增大，其消声频带也有所加宽。G（传导率）值增加，可以增大共振频率，而增加V（共振腔体积）则降低了共振频率（见fr计算公式），要综合考虑G，V，以使K值能达到较大值，从而提高消声量（图3.15、图3.16）。3.4 组合式消声器从表3.4可以看出，低频（在125Hz以下）消声是比较困难的，而一般汽车排气消声的峰值往往都在125250Hz之间，这是一个值得研究的课题。好在人耳对低频不敏感，因而噪声评价曲线（N曲线）在低频部份也放得较宽，高频消声则以阻性消声器性能最好。如果有足够的长度，可以达到较高的消声器（如：3050dB）。表3.4 比较前述三个消声器类 型消声频率f消声量 阻性消声器岩棉厚7.5cm250Hz以上2.5cm 1KHz20KHzl小，也小（10dB以下）l大，也大一般：300，=3050dB （管径d越小，越大）注：高频（1KHz20KHz）的范围宽低频（如300，10dB） （管径d越小，越大）注：只能在=1001000mm（=1251500Hz）及 D=100300mm d=3050mm （=715dB）范围内使用共振式消声器G大V小：fr大G小V大：fr小（一般不小于125Hz）G大：大G小：小V与内管截面S一起对产生影响。注：必须使，的值才有意义，否则太小。注：D：消声腔内径，d：内管内径；：消声腔长度。在总体上，要使整个排气噪声降低2530dB（A）是不容易的。共振式消声器虽然可以有较高的消声量，但其消声频带很窄，只能用在噪声较大的某些点上。因此，在要求较高的场合，如轿车，一般用24个消声器，各负担消除不同频程的消声任务，或以一个主消声器负担主要消声任务，其它消声器对尚未达到要求的一些频段进行补充消声（图3.17）。也可以在一个消声器内，由各种机理（阻性、扩胀、共振等）各消声室组成组合式消声器（图3.18），按不同目的设计各个腔的结构，再通过试验，作某些修正，以达到最佳的综合消声效果。虽然催化转换器的作用是降低排气污染，但从声学角度看，也是一个综合性消声器。底盘式催化转换器往往是将原来的前消声器换去，直接装在此位置，但从消声的角度看，它是否能代替前消声器呢。图3.19提供了一个催化转换器的消声性能曲线，可以看出，它在较宽的频率范围内有一定的消声量，但在低频段消声量较小，在高频段有所提高。一般前消声器大都作成扩胀式消声器，往往工作在低频段，所以，去掉前消声器换成催化转换器时，一般应对中、主消声器要作些调整。3.5 屏式消声器这种消声器内部只有一些一定形状的隔板而没有内管，其原理是利用中间的偏流板，（具有三重偏流板结构的性能更好），气流通过偏流板后产生涡旋（即所谓delta流），形成以下两方面作用：一方面吸引入口的气流进来，有利于排气（即扫气作用）。另一方面，相对出口处有一个压力脉冲，即在“向后扫气”和“吸引大气进入”之间变换，从而产生特殊的低频声。因此，这种消声器有提高功率、省油等优点，虽然它的消声效果较原配的消声器稍差，但可以按不同车种分别对偏流板作调整和精确定位，将噪声控制在一定水平，并且能产生某些人喜欢的低频声。（有人把它叫作“美洲音乐”）第4章 消声器的技术条件与测试方法讨论4.1 技术条件的分类与对比各种不同的技术条件与不同的生产厂家，对同一项要求有不同的规定，以下作一个分类对比：4.1