摩托车消声器的结构声学分析与优化设计开题报告.doc

1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件B：开题报告附件B：毕业设计（论文）开题报告1课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）1.1研究课题的目的和意义随着交通噪声污染的日趋严重,摩托车噪声问题己经引起了全社会的普遍关注，有关摩托车噪声限值的法规也越来越严格（见表1和表2）1-2。表1 我国国家标准对摩托车加速行驶噪声限值加严进程一览表发动机排量mLGB5366-1985GB16169-1996发动机排量mLGB4569-20001986年7月1日起1997年1月1日起1998年1月1日起第一实施阶段2002年1月1日起第二实施阶段2005年7月1日起新车新车两轮

2、三轮两轮三轮噪声A声级限值，dB噪声A声级限值，dB1008482808077827580100848380且17580771758280表2 我国国家标准对轻便摩托车行驶噪声限值加严进程一览表设计最高车速（v），km/hGB4558-1984GB16169-1996GB4569-20001986年7月1日起1997年1月1日起1998年1月1日起2002年1月1日起2005年7月1日起新车两轮三轮两轮三轮噪声A声级限值，dB25且5077777673767176257066据表，2002年时规定80175mL排量的摩托车噪声限值为80dB（A）,到2005年（GB4569-2000）则将此噪

3、声限值加严为77dB(A)；2002年时规定设计最高车速在2550km/h的摩托车噪声限值为73dB（A），到2005年（GB16169-2000）则将此噪声限值加严为71dB（A）。为此,许多企业的摩托车产品质量检测时,因为噪声不达标,而导致新产品不合格且不能上市销售,噪声问题已经成为制约我国摩托车生产企业持续发展的一项难题。如何降低摩托车噪声己成为亟待解决的问题。摩托车的噪声主要是由发动机噪声、轮胎与地面摩擦噪声以及行驶过程中由于空气阻力而形成的噪声组成。其中，以发动机噪声为主导。发动机噪声根据不同特点又可分为空气动力性噪声（主要是指进、排气噪声）、机械噪声和燃烧噪声。在摩托车的噪声源中，

4、排气噪声约占总噪声的30%，是所有噪声源中所占比例最大的一个，往往比除其之外的整机噪声高出1015dB，因此降低排气噪声将显著降低车辆的整体噪声3。摩托车消声器正是基于噪声控制原理的降低排气噪声装置。1.2国内外研究现状排气消声器传统的设计方法主要依靠经验，采用实验研究的方法，在发动机台架或整车上做大量反复的试验，来设计消声器，满足要求者即是所需的消声器。这种方法具有一定的盲目性，成功率低，周期长，还浪费了大量的人力和物力。最近几十年来，随着科技的快速发展，出现了许多新的计算方法。经过长期研究，消声器的设计方法也得到了不断的发展和完善。对于排气消声器的研究主要有如下方法： 四端网路法（传递矩阵

5、法）基于声学三大方程及一维平面波理论，将排气消声器分解为不同的声学单元，认为各声学单元间的声压与振动速度由一个关联矩阵所连接，这个矩阵被称作传递矩阵4-7。在如图1所示的四极子线路中，假设入口声压和速度为和，出口声压和速度为和，则有：=A+B=C+D图1 四极子线路或用矩阵表示：其中：式中A、B、C、D为四极子常数，由它们组成的矩阵称为,和，之间的传递矩阵。对于摩托车排气系统来说，它是由诺干基本声学单元组成的，系统中任意两个相邻截面的声压及速度都可以用传递矩阵联系。设消声器管路入口和出口处的声压及速度为， 和，则有：上式称为整个排气系统的传递矩阵，它是系统中各个基本声学单元传递矩阵的乘积，表明

6、整个系统的声学特性。Santa Caterina联邦大学的S.N.Y. Gerges和R. Jordan等人，基于声传递矩阵法，对不同类型的消声器进行了预测结果，并把它与实验结果进行了对比分析。结果表明，在低频，两者相符，且低次谐波是噪声的主要来源8。重庆大学褚志刚等基于消声器声传递矩阵法 ,推导了几种非基本声学子结构的声传递矩阵 ,编制了消声器性能仿真计算及优化程序9。天津大学李志军等也对典型结构消声器进行了声传递矩阵的分析计算10。声学边界元法边界元法（简称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。BEM

7、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。20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11。国内的华南理工大学的吴诰硅教授用二维边界元法建立了消声器的数学模型，计算消声器的插入损失12。吉林大学袁兆成等用声模态分析和声压分布图分析的综合方法分析了消声器产生消声低谷的原因 ,并利用长管道驻波的控制方法加以控制13。天津大学陈达亮等应用边界元法的近场声全息理论和标准Tikhonov正则化方法来控制场点声压测量误差对表面振速重构解的扭曲影响,

8、由L曲线准则确定最优正则化参数,并通过实验证实了所述方法的有效性14。声学有限元法声学有限元法（简称AFEM）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，通过求解代数方程式得到声传播空气域的声学特性。1975年Young和Crocker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，也使得消声器中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

9、构的排气系统。有限元的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据文件、单元节点坐标、节点数等，计算消声器的消声频谱特性，形成计算结果输出。国内同济大学的刘懿15、天津大学的蓝军16、重庆大学的刘剑17和河北工业大学的董正身18都进行了一定的探讨。有源消声法噪声的主动控制称为有源消声。有源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。南京大学季振林等建立了气流管道有源消声器声学性能分析的理论模型，对管道有源消声器的传递损失和插入损失进行了计算

10、,结果表明,有源消声器的实际消声性能与管内气流马赫数、检测传声器相对于次级声源的位置、控制系统的频响，以及噪声源和管道末端的阻抗特性密切相关19。吉林大学张建南等建立了一种基于神经网络方法的车内噪声主动控制系统。用Elman神经网络对驾驶员耳旁噪声信号进行识别、预测， 并用LSLL自适应信号处理方法对车内低频噪声进行主动控制20。几种研究方法的小结：四端网络法简单方便，实用性强。但是其应用范围仍限于一维平面波。对于绝大多数排气消声器的设计均是在一维平面波理论计算指导下完成。但实践表明，一维平面波传播理论，无法考虑高次模式波效应，又由于实际的排气消声器一般具有复杂的结构，其内部的声波本质上是三维

11、的，这时一维理论便不再适用。因此，计算消声量时，理论解通常高于实际所能达到的消声效果，并且消声量越大，理论与实际的偏差就越显著，这表明一维平面波理论具有很大的局限性，消声器的设计应该采用更加精确的二维(或三维)理论来进行分析。边界元法只适用于二维和轴对称的情况，与有限元法相比，其明显优点是减少了空间维数和划分单元模型的工作量。有限元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。它可以应用于任意形状的消声器，并且可以考虑壁面振动、流动、温度梯度对消声器性能的影响21-22。有源消声法应用前景广阔，但尚未发展成熟。1.3发展趋势消声器设计理论的完善。对消声

12、器而言，其外壁本身就是一个面积很大的噪声辐射源。消声器内的声场激励外壁振动，导致外壁向外辐射噪声，而外壁的振动反过来又对消声器内的声场有影响。消声器的现代化设计必须考虑这种声固耦合的影响。随着人们对噪声污染的不断重视，针对车辆噪声的法律法规会不断严格，排气噪声作为车辆的主要噪声源，必须严格控制，这就要求消声器的消声性能要进一步提高。在不久的将来，尾气排放法规要规定的排放量，这就要求发动机的能量损失要尽量少，因此，消声器的功率损失要越小越好。在保证消声性能的前提下，应尽量缩小噪声器的外形尺寸，以利于整车的置。应用主观评价的指标对消声器进行设计，使排气噪声听起来比较好听。例如，对于长途旅行的客车，

13、希望排气噪声听起来清脆悦耳；对于豪华轿车，排气噪声越低越好，以期营造车内高贵宁静的氛围；对于跑车，希望排气噪声听起来低沉、浑厚有力。2课题任务、实现途径2.1课题任务：建立244S五羊消声器计算的数学模型，确定消声器理论消声量的计算方法；计算该消声器的消声量，插入损失和传递损失； 用相关软件对消声器进行三维建模；建立排气消声器有限元分析模型； 用相关对现有结构进行有限元声学流场分析，温度场、压力场分析，另外，还要进行结构分析并进行结构改进； 对改进后的消声器进行分析。2.2重点研究内容依据某摩托车发动机噪声频谱特性，确定消声频带；消声器的消声量和功率损失符合国家有关标准；2.3实现途径首先，在

14、UG环境下建立了原消声器的三维几何模型，根据振动分析的特点，使用HYPERMESH软件对模型进行几何清理，网格划分，得到有限元振动分析模型。使用ANSYS对模型分别进行了自由模态和约束模态的计算，分析消声器的振动特性。然后，利用有限元法对选定的消声器内部的声场以及流场进行了数值分析，使用COMSOL Multiphysics软件的CFD模块计算分析消声器内部的流速、温度以及压力的分布情况，为声学仿真提供参考。使用COMSOL Multiphysics软件的声学模块对消声器进行声场特性分析。最后，在了解原消声器设计意图的基础上，提出改进方案，对其进行声学性能分析，肯定改进设计的成效。3进度计划序

15、号起止周次工 作 内 容14周至5周前期准备（资料检索、文献阅读）、撰写“开题报告”、 外文资料翻译26周至7周将UG模型几何清理，得到分析模型，结合运用专用网格划分软件HYPERMESH划分网格38周至12周导入ANSYS，进行模态分析；导入COMSOL进行流场和声场分析413周至14周结构设计与改进分析615周至16周撰写毕业论文 学生签名： 年 月 日4指导教师意见指导教师签名： 年 月 日参考文献1黎志勤,黎苏.汽车排气系统噪声与消声器设计M.中国环境科学出版社,1991.12.2吴正权.摩托车排气噪声探源及防治J.摩托车技术,2003,(1):10-15.3摩托车噪声探源及防治.摩托

16、车技术.2003.4P.O.A.L.Davies , Exhaust System Acoustic Predictions Programme Description and Operating Manual , The Southampton University , 1987.5Fukuda M , Okuda J.A , Study on Charateristics of Cavity-type Mufflers (2nd report) Bulletion of JSME , 1970:13(55)96-104.6Sullivan J W , Modelling of Engine

17、 Exhaust System Noise , paper presented at ASME winter conference , Atlanta , Georgia , 1977:161-1697Doige A G ,Thawani P T , Mufflers Performance Form Tranmission Matrices , Noise-con 79：245-254.8 S. N. Y. Gerges et al. Muffler Modeling by Transfer Matrix Method and Experimental VerificationJ. J. o

18、f the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng,2005, April-June 2005, Vol. XXVII, No. 2 :132-140.9胡玉梅,许响林,褚志刚,李景渊.基于声传递矩阵法的汽车排气消声器设计J. 重庆大学学报(自然科学版), 2005,28(1):15-18.10马玥,毕凤荣,李志军. 摩托车消声器设计及算法研究J. 小型内燃机与摩托车,2005,34(3):35-38.11T.W.Wu , G.C.Wan , Muffler Performance Studies Using a Direct Mixed-Body Boundary El

19、ement Method and a Three-Point Method for Evaluating Transmission Loss , Journal of Vibration and Acoustics , Vol.118:479-484.12吴诰硅，刘晓玲，张镇波，后置柴油机客车的降噪研究（），华南理工大学学报（自然科学版），1995，,23（7）：69-76.13袁兆成,丁万龙,方华,高峥. 排气消声器的边界元仿真设计方法J.吉林大学学报（工学版），2004，34（3）：357-361.14陈达亮,舒歌群,卫海桥,梁兴雨. 基于边界元法的近场声全息实验研究J.中国机械工程, 2009,20(2):1