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1、第三章 消音元件声学分析第三章 消音元件声学分析第一节声学元件的分类进气系统和排气系统可以看成是由一些管道和声学原件(或者叫消音元件)组成的系统。消音元件包括扩张消音器、赫尔姆兹消音器、四分之一波长管等。在进气系统中，扩张消音器同时也是空气过滤器。这些元件将使得一些频率的声波通过，同时也阻止了另一些频率的声波传递，这样就起到了消音的效果。这节将介绍这些消音元件的声学特性。消音器分为被动消音器、主动消音器和半主动消音器。在被动消音器里，声能或者被反射或者被吸收，从而达到消音目的。在主动消音器内，安装了一套电子控制系统并产生一个与声源声波幅值相等而相位相反的次声波，这样两个波相互抵消从而达到消音效
2、果。而在半主动消音器内则是安装一套被动控制装置，当空气流动状况改变时，消音器的消音效果由气流来调节。在汽车进排气系统中，绝大多数是被动消音器。半主动消音器有些应用，如排气系统中的双模态消音器。主动消音器由於成本太高，在进排气系统中用得很少。本节只介绍被动消音器的声学性能。主动与半主动消音器将在第二十五章“汽车主动与半主动噪声与振动控制”中介绍。被动消音器又可以分为抗性消音器和阻性消音器。抗性消音器主要包括扩张消音器和旁支管消音器，如赫尔姆兹消音器、四分之一波长管。抗性消音器的原理是声波经过消音器时，声阻抗发生变化，一部分声能被反射回声源，这样传递声能减少。抗性消音器对降低单频，特别是低频噪声特
3、别有效，传递损失很大。在高温和不干净的空气流中，使用抗性消音器比较理想。阻性消音器是在内部安装了一些吸声材料，当声波通过消音器时，一部分声能被吸收，从而达到消音效果。在进气系统中，基本上只使用抗性消音器。在排气系统中也主要使用抗性消音器，有的汽车也采用阻性消音器。而这些阻性消音器也往往是与抗性消音器做成一体而成为混合消音器。第二节消音元件的设计要求消音元件的首要目的是消除噪声，因此要满足声学要求。气体在进排气系统中运动，又必须满足空气流动的要求。另外还有材料、安装空间等方面的要求。下面较详细地列出了这些要求：第一，声学要求。消音元件的目的就是减少声能的传递。前一节已经详细地介绍了消音元件的评价
4、指标，如传递损失、噪声降低量和插入损失。在评价单个消音元件的消音效果时，通常用传递损失，因为传递损失只与自身结构有关而与声源和出声口的声学特性没有关系。第二，空气流动要求。空气流过消音元件时，会受到阻力，这样消音元件中的流体压力会上升。如果消音元件两边的压力差太大，气流流通的阻力会增加。这样带来两个坏处，一是能量损耗增加，二是在气体流速过高的时候，摩擦引起的噪声会很大。在开发一部汽车时，进气系统和排气系统的功率损失都会被限定在一定范围内。如果这两个系统的能量损失太大，那么发动机的功率就会大幅度下降。第三，机械和材料方面的要求。气流和温度等因素对材料性能是一个考验。比如排气系统中温度很高，材料在
5、这样的高温气体环境中很容易腐蚀。又比如，管道和消音元件都是薄板材料制造的，在机械振动和气流冲击下，很容易辐射噪声，结构设计(包括材料)必须满足一定的刚度和强度要求。第四，成本的要求。在汽车进排气消音应用中，成本的因素有时是决定的。有些很好的消音技术或者消音器因为成本太高而不被采用。比如排气消音器中，双模态消音器对发动机高转速时消音和减少功率损失都有好处，但是可能成本过高而不被采用。第五，安装空间的限制。要达到良好的消音效果，消音器的容积应该越大越好，但是进排气系统能够安装的空间都非常有限。所以往往是在限定的空间内来设计消音元件。第三节扩张消音器扩张消音器是由一个主要腔室和两边与之相连接的管道组
6、成，如图3.1 18所示。进气管道的截面积和出气管道的截面积比扩张腔室的截面积要小些。由于截面积的变化，声阻抗就变化，因此扩张消音器是一种抗性消音器。入射波到达扩张室后，一部分能量被反射回进气管，从而消耗声能。在消音器里面并没有能量损耗。图3.1 扩张消音器示意图声波在进气管道中前进，当到达与扩张室的交界处时，一部分被发射回来，形成反射波；一部分进入扩张室。气体的声阻抗率为。入射声波和反射声波的声压和速度分别如下：进气管中入射波声压：(3.1)进气管中入射波速度：(3.2)进气管中反射波声压：(3.3)进气管中反射波速度：(3.4)声波进入扩张室后，同样，一部分入射波被反射回来，而剩下的被透射
7、到出气管道中继续传播。扩张室内的入射波和反射波的声压和速度分别为：扩张室内入射波声压：(3.5)扩张室内入射波速度：(3.6)扩张室内反射波声压：(3.7)扩张室内反射波速度：(3.8)透射波在出气管道中的声压和速度分别为：出气管中透射波声压：(3.9)出气管中透射波速度：(3.10)在处，压力和体积速度满足以下条件：(3.11)(3.12)将公式(3.2)(3.4)(3.6)(3.8)代入到公式(3.12)中，然后与公式(3.11)相除得到下面的式子：(3.13)在处，压力和体积速度满足以下条件：(3.14)(3.15)将公式(3.6)(3.8)(3.10)代入到公式(3.15)中，然后与公
8、式(3.14)相除得到下面的式子：(3.16)将公式(3.13)和(3.16)进行整理并简化后，就得到传递功率系数为：(3.17)在进排气系统中，扩张管道两边的进气管和出气管的截面积通常是相同的，即。於是功率传递系数简化为：(3.18)所以，扩张消音器的传递损失为：(3.19)式中，称为扩张比。对园管道来说，。D 和d分别是扩张腔的直径和管道的直径。从公式(3.19)知道，扩张消音器的传递损失取决于扩张比和扩张腔室的长度，同时也是波长(或者频率)的函数。下面就来分析这扩张比和扩张室长度对传递损失的影响。1扩张比对传递损失的影响首先固定扩张器的长度L，来观察扩张比对传递损失的影响。假设L=30c
9、m，图3.2给出了传递损失随著m值变化的曲线。图3.2 扩张比对传递损失的影响公式(3.19)和图3.2都表明，当扩张比m增加的时候，传递损失就增加。由於，所以增加扩张比的途径有两条，要么是增加扩张器的截面积，要么是减小管道的截面积。但是增加扩张器的截面积或者减小管道的截面积都是有限制的。在进排气系统中，增加扩张器的截面积往往受到安装空间的限制，而减小管道的截面积却会影响到气流流通。当截面积过小时，如果气流的速度太快，则会引起管道壁上很高的摩擦噪声。在选择进气管道时，有时会用到扩张管道，如图3.3所示。这种管道既可以减小进口的截面积以便增加传递损失，同时也不至於使气流受阻太大以便减小功率损失。
10、图3.3 扩张管道2扩张器长度对传递损失的影响固定扩张比m，来观察扩张器长度L对传递损失的影响。图3.4表示当扩张比m=10时，不同长度下(15cm，20cm和30cm)的传递损失。图3.4 扩张器长度对传递损失的影响公式(3.19)和图3.4表明，当扩张器的长度变化时，传递损失的幅值不变，但是其最大值和最小值对应的频率却变了。从公式(3.19)知道，的最大值是1，所以传递损失的最大值只是扩张比的函数。当扩张比固定了，传递损失的最大值也就固定了。当，即时，传递损失最大。这时的扩张管长度与波长的关系为：(3.20)即当扩张管的长度L为时，传递损失达到最大。对应的频率称为中心频率，表达如下：(3.
11、21)公式(3.21)表明当扩张器的长度增加时，最大值的中心频率是减小的。图3.4也表明了这种趋势。图还表明当长度增加时，传递损失的带宽却减小。当时，即时，传递损失等於零。对于这样的频率声波，其入射波穿过扩张器而全部透射。这时扩张管的长度为(3.22)即当扩张管的长度为时，扩张管的传递损失为零，而声波全部透过。对应的频率称为全透射频率，表达为：(3.23)公式(3.23)表明当长度增加时，其全透射频率减小。因此调整扩张器长度可以达到所希望中心频率、透射频率和传递损失的带宽。第四节旁支消音器旁支消音器是将消音器接在进排气主管上，如图3.5所示。当声波传到旁支消音器后，一部分入射波被反射回主管形成
12、反射波，一部分入射波继续在主管传播形成透射波，还有一部分声波进入旁支消音器。在消音器内，入射进来的声波遇到边界时会将一部分波反射回消音器。在主管与消音器接口处，消音器内某些频率的反射声波与主管的入射声波相位相反，两个波相互抵消形成一个声压的节点或者使得入射波的波幅降低。声波能量在旁支消音器内并没有消耗，而仅仅是旁支管和主管之间能量发生转换，一部分能量相互抵消，所以旁支消音器是抗性消音器。这种消音器通常只能消除单频噪声或者窄频带的噪声。旁支消音器通常包括赫尔姆兹消音器和四分之一波长管。赫尔姆兹消音器传递损失频带比四分之一波长管的消音频带要宽一些。赫尔姆兹消音器通常用来消除低频噪声，而四分之一波长
13、管用来消除频率比较高的噪声。在旁支管处，声音有三条分流。第一条是进气管中的入射波和反射波，第二条是出气管中的透射波，第三条是旁支管道中的入射波和反射波。图3.5 旁支消音器进气管中的声压是入射声压与反射声压之和，为：(3.24)进气管中的体积速度为：(3.25)透射波在管道中没有发射，因此其声压可以写为：(3.26)透射管道中的体积速度为：(3.27)旁支管的声压为：(3.28)旁支管的声阻抗可以写为：(3.29)旁支管的体积速度为：(3.30)假设在旁支管与主管连接处的坐标为原点，即。在这个连接点处，入射声压等於透射声压，也等于旁支管的声压，即：(3.31)将公式(3.24(3.26)(3.
14、28)代入(3.31)，得到：(3.32)空气从管道上流流出，一部分被返回，一部分进入旁支管，而另一部分则透射过去。这样在连接处，必须满足体积流速度相等的条件，如下：(3.33 114)将公式(3.25)(3.27)和(3.30)代入公式(3.33)，得到：(3.34)整理公式(3.32)和(3.34)，得到：(3.35)传递声功率与入射声功率的比值可以用上式的声压幅值平方的比值来表示，如下：(3.36)於是，声功率传递系数(3.37)第五节赫尔姆兹消音器赫尔姆兹消音器是旁支消音器的一种，如图3.6所示。赫尔姆兹消音器是一种历史悠久的消音器，它由一个消音容器和一根短管组成，短管与主管连接。图3.6 赫尔姆兹消音器入射波在主管运动，当到达消音容器时，一部分被反射回来，另一部分分成两个分路。一路进入在容器里或者是推动容器内的空气运动，另一路继续在主管中传播，形成透射波。由於管道交界处声阻抗的变化，从而达到消音目的。赫尔姆兹消音器类似于动力减振器(图3.7)。动力吸振器中一个附加的质量和一个附加的弹簧上组成一个子系统，子
