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1、汽车进排气系统的噪声与振动 庞剑2005年5月?版权所有刖言这份VV汽车进排气系统的噪声与振动 讲义是作者将出版的学术著作 VV汽 车噪声与振动：理论与分析 的一部分。由于写作时间的仓促和水平的限制，难免 会有些错误，请读者谅解！并欢迎提出宝贵意见。庞剑2005年5月于美国密西根313-206-5991 办公室734-495-1581 家目录第一早官道声学第一节管道波动方程与驻波第二节管道声阻抗第三节管口封闭与管口敞开第四节四端网络分析第二章消音元件声学评价指标1第一节传递损失1第二节插入损失 1第三节 声压级差值及声压级 1第 四节 几种评价指标的比较 1第 三章消音元件声学分析第一节声学元
2、件的分类1第二节消音元件的设计要求1第三节扩张消音器1第四节旁支消音器2第五节赫尔姆兹曰器.波长管统噪声与振动分析与设计2第六节四分之一3第七节半波长第四章进气系3第 一节进气系统概述 3第二节进气系统的噪声问题 3第三节进气多支管的声学分析3第四节空气过滤器（扩张消音器的声学分析4第五节旁支消音器声学分析4第六节进气口噪声实例分析 4第七节进气系统的振动与辐射噪声 5第五章排气系统的噪声与振动分析 54第一节排气系统概述54第二节 排气系统的噪声源 56第三节排气系统消音器的设计57第四节尾管噪声分析64 第五节尾管和中间管的声学分析 67 第六节V型发动机的多支管和丫管与声音质量 67第七
3、节排气系统的消音容积 70第八节排气系统消音调节整体分析71第九节排气系统的背压分析 76第六章排气系统的振动分析7第一节排气系统的振动源的振动模态分析动力分析振器的设计要求管的刚度7第二节排气系统7第三节排气系统8第四节挂钩及隔8第五节柔性连接82第六节排气系统的结构噪声 8第七章进气与排气系统的主动与半主动噪声控制8第节噪声控制基础8第二节主动与半主动噪声控制90一 进气系统主动与半主动噪声控制 90二. 排气系统的主动与半主动控制 93三. 车内噪声的主动控制95四声品质控制97第八章汽车噪声与振动的评价9第一节概述第二节噪声的评价10第三节声品质1（第四节振动的评价10第五节通过噪声评
4、价111第一章管道声学汽车进排气系统是由管道和消音元件组成。声音沿著管道的轴向传播，轴向尺寸远远大于另两个方向的尺寸，因此通常可以用一维声学来分析进排气管中声音的 传播特性。第一节管道波动方程与驻波在汽车进排气管道所考虑的频率范围内，声波的波长远远大于这些管道的直径， 因此在管道中,声波被认为以平面波的形式传播。声波在管道中传播 ，当到达管道顶 端的时候，一部分声波会透过管道继续传播，而另一部分声波则被反射回去，形成反射 波。如图1.1所示。在管道中，波动方程简化为一维波动方程，表达如下：222221tpcx p?=?(1.1管道中任何一点的声波是由入射波和反射波组成。入射波的声压i p和声速
5、i u分别为：(,(kx t j i i e P t x p - = w (1.2(,(kx t j m i i e u t x u - = w(1.3式中,i P和mi u分别是入射声波声压幅值和速度幅值，k和3分别是声波的波数和频 率。反射波的声压r p和速度r u分别为：(,(kx t j r re P t x p +=3 (1.4(,(kx t j m r r e u t x u +=3(1.5式中,r P和mr u分别是反射声波声压幅值和速度幅值。管道中任何一点的声压是入射波声压和反射波声压的合成，或者说是方程(1.1 的解,(t x p p =，可以写成如下形式：(,(kx t j
6、 r kx t j i e P e P t x p +-+=33 (1.6式中第一部分表示入射波，第二部分表示反射波。反射波的速度方向与入射波 声速度的方向相反，所以合成声速为：(,(kx t j m r kx t j m i e u e u t x u +- = 33(1.7声压和速度之间存在下列关系：u p z = (1.8式中,z是声阻抗率。对自由声场的平面波，声阻抗率就变成了特性阻抗czP =0声阻抗率与媒体的密度和声传播的速度有关。将公式(1.8分别代入入射声速(1.3和反射声 速(1.5之中，然后将其结果代入到公式(1.7中，得到：(1 , ( ( (kx t j r kx t j
7、 i e P e P z t x u +-=33 (1.9假设入射波的声压幅值与反射波的声压幅值相等，即P P P r i =方程(1.6可以 写成：cos(2 , (kx Pe tx p t j w =(1.10上式的实部可以写成：2cos( cos(2 , (x c f t P t x pnw = (1.11声压是时间和空间的函数。公式(1.11可以画成图1.2,它表示一个驻波的声波 幅值在不同位子随时间变化的图。图中有些点的声压始终是零，这些点被称为节点。而那 些声压幅值最大的点则被称为反节点。图1.2管道中的驻波图从公式(1.11知道,当nn 21221 x c f时，声压为零,即节点
8、发生在一些下面的特定位子：入 41241=-=n f c n x (1.12当nn 1-=n x c f时声压幅值达到最大，反节点的位子是：入2=n x (1.13驻波是由频率相同的向右传播的入射波和向左传播的反射波迭加而成。驻波并不是运动的波，而是静止的，这是 驻”波名称的由来。驻波表示管道中的声音的模 态。对 於长度一定的管道来说，由於有许多频率的波，因此也就有很多驻波。这里所 提到的驻 波是假设管壁刚硬,所有声波遇到管壁时全部被反射回来。可是实际上 ，管 端壁不是完全刚性，因此反射波的声压不完全等於入射波声压，因此在节点处,入射波 和反射波不可能完全抵消。但是这些点处的声压大部分被抵消
9、，声压最低。第二节管道声阻抗阻抗是指当对媒质受到压力或者推动力时，媒质会对传播产生阻碍。管道中的 声学阻抗，Z ,定义声压与质点体积速度的比值，即：Su p U p Z = (1.14式中,u , U和S分别是管道中的速度，体积速度和截面积。体积速度与质点速 度的关系 为：U=Su。声音在管道内传播，当管道的截面积发生变化的时候，声阻抗也发生变化。图1.3 是截面积变化的管道，在变截面的地方，由於阻抗发生变化，一部分入射波就会被发射 回原来的管道，而另一部分入射波会在新的截面管道中继续传播。抗性消音器的工 作原理就是基于这种阻抗的变化。声波从发动机出来并在进气或者排气系统中传 播,当遇到消音元
10、件或者截面积变化时，入射声波被反射回发动机声源，从而抑制声音 的传播。进排气系统中声阻抗不匹配的情况主要有截面积变化，主管道中插入了其他管道(如旁支消音器等进排气系统中管道的长度都是有限的。图 1.4表示一个长度为L的管道。假设 管道两 端的声阻抗分别已知,即在0=x处，声阻抗为0(Z,在L x =处，声阻抗为(L Z。 由公式(1.6和(1.9可以得到管道中任一点的声阻抗为：jkx r jkx i jkx r jkx i e P e P e P e P S c x Z -+=-P ( (1.15图1.4长度为L的管道 将0=x代入公式(1.15中,得到该处的声阻抗为：r i r i P P
11、P P S c Z -+=P 0( (1.1将 L x =代入公式(1.15中，得到该处的声阻抗:jkL r jkL i jkL r jkL i e P e P e P e P S c L Z -+=-P ( (1.17公式(17可以重新写成下面的形式：kL P P P P j kL kL j kL P P P P S c kLP P j kL P P kL P P j kL P P S c L Z r i r i r i r i r i r i r i r i sin cos sin cos sin (cos (sin (cos ( (-+-+=+- += pp (1.18将方程(1.16代
12、入到方程(1.18中，消除i P和r P，就得到输入声阻抗0(Z和输出 声阻抗(L Z的关系，如下：kLZ c S j kL kLc jkL Z L Z sin 0(cos sin cos 0(1.19x=0x=LLkLL Z c S j kL kLS c jkL L Z Z sin (cos sin cos ( 0(pp +=(1.20第三节管口封闭与管口敞开声波从管道入口端发射出来，传播到尾端。管道尾端通常有两种情况，一种是开 口的,如进气管口，排气尾管口 ；另一种是封口的，如四分之一波长管。下面就来分析 这两种尾端的声学特征。1. 开口 -封闭管道图1.5表示管道尾端封闭状况。声音在管道
13、里向右传播，当声波碰到刚性的封闭端时,声波被全部反弹回来，再向左传播。图1.5开口 -封闭管道对一个刚性的封闭口来说，其声阻抗为无穷大,即X (L Z ,根据公式(1.19,得到:0sin 0(cos =-kL Z c S jkL p (1.2声阻抗可以写成下面的形式jX R Z +=(1.22式中R和X分别是阻抗的实部和虚部,R称为声阻,X称为声抗。声阻取 决于结构的材 料特性,而声抗则取决于结构的几何特性。当声抗为零的时候 ，结构就 发生共振。公式(1.21中的声阻抗也可以写成公式(1.22那样的形式，为：jctgkL S c Z - p=0( (1.23上式如果满足下面的条件：0=ctg
14、kLL即:n 21=n kL ,那么这个开口 -封闭管道就发生共振，其固有频率为：L cn f 4 12(-= (1.25当n=1,2, 3,时,分别对应著管道第一阶、第二阶、第三阶,.,等阶次频率。 图1.6是管道声波的第一阶和第二阶模态。这个声波在圭寸闭端时，声压达大最大 值,然后发射到入口处，使得入口端的声压为零，即在开口端形成驻波节点。四分之一波长管就是应用这个原理来工作的。图1.6管道声波的第一阶模态(A和第二阶模态(B公式(1.25可以转变为管道长度与波长的关系，表达如下：入 4 12=n L (1.26当n = 1时，管道的长度是波长的四分之一，即：入4仁L。所以这种开口 -封闭
15、的管 道通常叫著四分之一波长管。2. 开口 -开口管道图1.7为一个尾端开口的管子。声波从入口端向右传播进入开口端时，声音与大气产生声耦合。大气的辐射声阻抗会将一部分声波返回。图1.7开口 -开口管道声波在尾端的声阻抗(L Z为周围环境的声阻抗r Z ,也就是说这个声阻抗不为 零。为了使问题简化起见，我们先假设这个阻抗为零，然后再对所得到的结构进行修 正。如 果在x=L处的声阻抗为零，那么由公式(1.19可以得到下式：0 O(=tgkL S c jZ p (1.2同样,当这个声阻抗中的声抗为零的时候，管道就发生共振，这时必须满 足：O=tgkL (1.28x=Ox=LP A P x=Ox=LBL即：n 12
