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1、摘 要随着我国人民生活水平的提高，汽车在我国拥有量越来越大，交通噪声愈发严重，排气噪声是汽车噪声的主要声源之一，所以消声器的研究和设计越来越受人们重视。研究现代计算机模拟仿真在消声器设计上的应用，将更能提高消声器设计水平。通过仿真设计与实验相结合，二者相互补充，从内部结构进行设计，减少设计时间，降低消声器设计成本。消声器的消声量大小是设计消声器的最主要指标，本设计参照国家标准声学消声器测量方法GB/T47601995进行了轻型汽车抗式主消音器的设计与数据处理，通过管道声学实验法，对消声器进行了消声性能实验，采用四传声器法测量原理对制作的两管无孔消声器模型和三管有孔消声器模型分别做了测试，并得到
2、其传递损失曲线和自谱曲线。通过实验和数据处理，完成了消声器的设计，测试结果表明，内部结构相对简单的两管无孔消声器的传递损失仅为20dB，而经过改进的三管有孔消声器的传递损失在6002000Hz频段的传递损失可达到40dB，完全符合消声器设计的标准。关键词:消声器，噪声，传递损失要旨我国人民生活水準高従、自動車我国保有量大、交通騒音深刻、排気雑音自動車雑音主要音源1、消音器研究設計人重視受。近代的研究消音器設計上応用似、更消音器高。通、設計実験互結合、2者互補充、内部構造設計行、設計時間減、消音器設計下。消音器消音大量消音器最主要指標設計、冊国家標準音響学消音器測量方法GB/T47601995参
3、照型自動車式主消音器抵抗設計処理行設計、音響学通、法実験、消音器対消音性能実験行、4法測量原理採用製作2管無孔消音器模型3管有孔消音器模型対、得順次伝曲線曲曲線損害受。実験処理通、消音器設計完成、内部構造比較的簡単2管無孔消音器損失順次伝20dB、進歩3管有孔消音器通損失順次伝6002000Hz損失順次伝40dB達、完全消音器設計標準合結果表明。:消音器、雑音、損失順次伝目 录第1章 绪 论11.1 研究排气消声器的意义11.2消声器研究现状1第2章 消声器设计32.1消声器结构原理分析32.2消声器设计总体方案32.3消声器基本参数选择与设计计算4第3章 传递损失的测量方法103.1声学测量
4、方法103.2传递损失的四传声器法测量原理10第4章 消声器模型的制作与传递损失的测量134.1 两管无孔消声器模型的制作134.2两管无孔消声器模型的传递损失测量134.3三管有孔消声器模型的制作154.4三管有孔消声器模型的传递损失测量17第5章 结论20参考文献21致谢22附 录23附 录27III第1章 绪 论1.1 研究排气消声器的意义在城市环境中交通噪声是辐射最强、影响面最广的污染源。机动车辆噪声中，排气噪声是主要噪声源之一，它的降低主要是通过安装排气消声器。安装消声器后，必然对发动机产生很大影响，一般消声器的功率损失在3%到8%，消声量较大时允许有较大的功率损失；匹配小功率发动机
5、的消声器更要求有较低的功率损失。我国的汽车拥有量越来越大，人们对汽车的要求不再仅仅是交通工具而已，更要求车的节能环保，美观和舒适。机动车辆的交通噪声是城市道路噪声的主要来源，针对汽车的噪声法规将会不断严格。排气噪声作为汽车主要的噪声源之一，这就要求消声器的消声性能要进一步提高。虽然消声器的设计方法已经发展得比较成熟，但随着人类科技的发展，新材料、新技术的成熟与应用，特别是计算机仿真技术的快速发展，使消声器设计又开始了新的篇章。应用现代仿真技术设计理论进行消声器设计必然会降低消声器设计成本，提高实验效率。本文将对发动机排气消声器进行设计研究，同时也是对计算机仿真算法知识的学习和应用。1.2消声器
6、研究现状排气消声器涉及气体流动、传热、振动、声学以及发动机性能和结构等多个学科，具有一定的复杂性，因此早期的研究工作主要以试验为主。对汽车排气消声器的设计，大多是在一维平面波理论计算的指导下，根据样品及有关资料推荐的参数，加上设计者的经验进行设计，试验后满足要求即可。而在计算复杂消声器或分析频率较高时，由于高次模式波的出现，一维平面波的分析结果并不准确。对于复杂的消声器，一维平面波理论和经验设计都不能有效地支持实验工作，而且设计周期长。同上述设计方法相比，三维数值方法可以在计算机上更为准确地计算复杂的消声器，更快地分析多个设计和改进方案，找到最佳的方案，为实验提供更有效的参考。对于消声器的数值
7、研究是在计算机软硬件不断发展的前提下进行的。这时出现两个主要的研究方向，其一是对消声器的各个参数进行多目标优化，以得到最好的消声性能；其二是将声学理论方程在二维或三维空间离散，以准确地计算和分析复杂形状消声器的消声性能。随着计算机计算能力的不断提高以及数值计算方法与理论的不断完善和成熟，有限元法、边界元法和有限差分法在声学分析中都有所应用。消声器具有很多种类,其结构形式也各不相同。根据消声器的消声原理和结构不同,大致可将消声器分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和有源消声器等。阻性消声器是一种吸收型消声器,利用声波在多孔性吸声材料中传播时,因摩擦将声能转化为热能而消耗掉,从而达到消声的
8、目的。这种消声器的有效频带较宽,对中高频噪声的消声效果较好。缺点是吸声材料的孔易被烟尘油污阻塞,在高温侵蚀性气体中使用寿命短,低频噪声效果较差,实际消声量的大小与噪声频率有关,存在上限失效频率等。阻性消声器按气流通道的几何形状不同,又分为直管式、片式、蜂窝式、折板式、盘式、弯头式消声器等。其中,片式消声器应用最为广泛;而弯头式消声器在国外已经得到广泛应用,以前国内对它重视不够,发展相对比较缓慢。阻性消声器性能的改进主要在于寻求具有防潮、防火、耐高温、耐腐蚀等特点的高性能吸声材料。同时,根据不同的工程需要选取不同形状的阻性消声器和吸声材料的护面结构。抗性消声器与阻性消声器不同,它不使用吸声材料,
9、是借助管道截面的突然扩张和收缩,或旁接共振腔,使沿管道传播的噪声在突变处向声源反射回去,而不通过消声器,从而达到消声的目的。按其消声原理又可分为干涉型、共振型和扩张型等。这类消声器构造简单,耐高温和气体侵蚀,但频率选择性较强,适用于窄带噪声和中低频噪声的控制,高频噪声消声效果较差,与阻性消声器相比,阻力损失较大。在工程实际中,为了改善单个扩张室式消声器消声性能,通常将多个单节扩张室消声器串联起来。对于共振式消声器,除了串联不同频率的共振腔外,还可在共振腔中填充一些吸声材料以增加声阻,使有效消声的频率范围展宽。此外,气体流动对消声器性能也有一定的影响。对于不同结构形式的消声器,气体流动影响声学性
10、能的效果不同,如:单端插入结构对抑制中低频气流再生噪声效果较好,而插入共振和典型空腔两个结构的中低频再生噪声较大。如何使抗性消声器自身的声学性能好而气流再生噪声较小,是需要进一步研究解决的课题之一。第2章 消声器设计2.1消声器结构原理分析抗性扩张式消声器是利用消声器截面的突然扩张(或收缩)，造成消声器内声阻抗突变，以及腔壁使声波产生折射、反射干涉和散射，从而使沿管道传播的某些频率的声波不能通过消声器，因此产生消声效果。消声器的结构具有消声效果明显，结构简单，制造容易，耐用耐碰撞等特点。但消声的一维依赖性强，从而高频效果不好。特别是由于追求大消声量而增大扩张比，使背压增大、流场环境恶劣，这从流
11、场分析中也可以看出的。实际中，发动机的排气噪声中低频噪声占主要地位，静态设计主要是针对这点。声波在单纯管腔里，气体流速同向的条件下比较准确的满足声波一维性传递，特别是频率在1000Hz以内的声波。因此采用平面波理论进行1000Hz以内设计是比较准确的，就本形式的消声器而言，对于高于2000Hz的噪声消声也具有实际意义。也就是说这样设计的消声器最低在整个频域内满足了一维性消声。所以应用上述原理进行简单抗性消声器设计是有实际指导作用的。2.2消声器设计总体方案抗性消音器是利用各种形状、尺寸的管道或所谓共振腔的适当组合，造成声波在系统中传播时阻抗失配，使声波在管道和共振腔内发生反射或干涉，从而降低了
12、它输出的声能。由于它的消声效果随频率而变化，故又称声学滤波器。抗性消音器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，高频较差。从对汽车排气消音器的要求来看，采用抗性消音器最为合适，因为它是全金属结构，结构简单，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。轻型车是指载重量在12.5吨的汽车，其内燃机气缸排量大约在22.5升，轻型车在汽车中所占比重较大。轻型车排气消音器具有如下特点：消音器入口管径，即内燃机排气管径在50mm左右；消音器腔直径为120200mm ,相应的扩张比在616mm之间；消音器长度在5008
13、00mm范围。轻型车排气噪声一般在120125dB，相当于中型卡车的水平，而其消音器限制容积较小，基本上是中型卡车的1/2；另外，轻型车内燃机的转速较高，因此要达到重型车消音器所具有的消声量，其内部结构就更趋复杂。2.3消声器基本参数选择与设计计算2.3.1消声器结构参数的选择已知消声器必需的消声量，要设计最佳的抗性消声器结构，目前尚无直接的优化方法。为了满足消声量要求必须通过恰当的形状组合或附加共振器来反复验算。一般扩张式消声器主要在31.55000Hz的频率范围内获得普遍的消声，穿孔共振式消声结构可进一步消减10008000Hz的高频噪声。（1）消声器扩张比m的选择扩张比m增大，消声量增大
14、。增大m有两种途径，一是缩小消声器入口或出口管的直径，二是增大消声器外壳的直径。消声器出入口管的直径不得小于内燃机排气歧管出口或排气道口的直径，否则因排气背压增高，引起功率损失增加；同时也会使排气流速增加，容易激发再噪声，影响消声器的实际消声效果。消声器的外形尺寸将受到安装位置限制，不能过大；且消声器外壳直径过大，降低了其上限失效频率。统计资料表明，重型汽车排气管直径约为90mm左右，消声器直径在250300mm范围；中型卡车排气管直径大致为65mm，消声器直径在180250mm；轻型车排气管直径在50mm左右，消声器直径在120200之间。一般消声器的m值在916范围内选取。（2）消声器容积的选择消声器容积合理的选择方法应是在实用条件允许的情况下，尽量取大的容积为宜。因为容积增大，有助于降低下限失效频率，增加消声效果；容积太小会引起功率损失增大。一般四冲程内燃机轿车的消声器容积为内燃机排量的47倍；载重汽车消声器容积是内燃机排量的35倍；二冲程内燃机由于每转都要排气一次，因此其相应车型的消声器容积一般取为四冲程车型的二倍。此外，在扩张比m确定后，选定了容积，实际上就已确定了消声器的长度。通常的长度、直径比在26范围内取值。（3）消声器内部结构的选择单个扩张腔很难满足对汽车排气噪声消声量的要
