1、0汽车排气系统的声学设计1连接发动机出口，用排气管道连接热端（催化器）和冷端（消声器）构成冷端热端冷端2阻性消声器阻抗复合消声器抗性消声器3主观感受主观感受 物物 理理 量量 限限 制制排气系统声舒适度的限制条件排气系统声舒适度的限制条件心心 理理（与发动机性能联系）（与发动机性能联系）社会习惯社会习惯 (赛车）赛车）生理变化生理变化（听力损伤）（听力损伤）4背压阻力背压阻力 空间几何尺寸空间几何尺寸 布置布置 截面截面 指向指向气流再生噪声气流再生噪声 气流速度气流速度 湍流湍流 指向性指向性其它声源的屏蔽其它声源的屏蔽 消声器材料消声器材料 隔声隔声 隔振隔振 耐热耐热工艺、成本工艺、成本
2、主观感受主观感受 物物 理理 量量 限限 制制排气系统声舒适度的限制条件排气系统声舒适度的限制条件5阻性消声结构阻性消声结构抗性消声结构抗性消声结构阻抗复合消声结构阻抗复合消声结构扩散消声结构扩散消声结构6原理原理 利用声阻进行消声。一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时，声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。7赛宾公式：彼洛夫公式：4.105.1TSPlLSPlL0消声系数，与阻性材料垂直入射系数有关。)(0P气流通流断面周长（饰面部分，无吸声材料的地方不算在内）L消声
3、器有效长度（饰面部分长度）8高频失效：高频不能很好的用平面波近似，方向性强，以窄声束的形式沿通道传播，很少或根本不与饰面接触，造成消声量急剧下降。Dcf85.1上空间几何尺寸空间几何尺寸式中：c 声速，米/秒；D 气流通道的截面直径，米。上限失效频率:9 抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的，利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。常用于汽车消声器设计的技术：扩张室式、共振腔、干涉等 1011峰值消声频率:)2sin)1(411(log101log10221010LmmTTLW扩张消音器的传递损失为：fn=
4、（2n+1）lc4 通过频率:f“n=lnc2 失效频率:f上=1.22c/df下=lVSc22 12扩张比对传递损失的影响 扩张器长度对传递损失的影响 空间几何尺寸空间几何尺寸13原理 利用共振吸声，当声波入射到共振腔口时，因为声阻抗的突然变化，一部分声能将反射回声源。同时在声波的作用下，孔径中的空气柱产生振动，振动时摩擦阻尼又使一部分声能转变为热能而耗散掉，仅有少量声能辐射出去，从而达到了消声的目的。分类旁支型和同轴型14共振消声器传递损失为：L=10lg20021ffffkK=SGV2G=Vcf202 传导率：赫尔姆兹消音器LcVAc151617背压阻力背压阻力 空间几何尺寸空间几何尺寸
5、 布置布置 截面截面 指向指向气流再生噪声气流再生噪声 气流速度气流速度 湍流湍流 指向性指向性其它声源的屏蔽其它声源的屏蔽 消声器材料消声器材料 隔声隔声 隔振隔振 耐热耐热工艺、成本工艺、成本主观感受主观感受 物物 理理 量量 限限 制制排气系统声舒适度的限制条件排气系统声舒适度的限制条件18背压阻力背压阻力191、通流面积突然收缩、通流面积突然收缩 20根据连续、能量和动量方程，经推导可得到下式：Myy01111*MkkkkMMM0101112111110*()PPyykkyyssk*011121111121211当M11*可得到驻压降与面积比在阻塞时的单参数函数关系 21 100111
6、2120 7 8 91 40 7 9 81 2 9lim*.PPkkkssk 也就是说也就是说,面积的突然收缩能引起的驻压损失不会超过来流驻压面积的突然收缩能引起的驻压损失不会超过来流驻压的的21%,从本质上讲从本质上讲,这种驻压损失主要是由气流收缩以后的膨胀而这种驻压损失主要是由气流收缩以后的膨胀而引起的。引起的。222、通流面积突然扩张、通流面积突然扩张A1A2A1A223从连续,动量和绝热能量方程出发,引入理想气体的状态方程,得到:MkkMkkMMM222112121112111 0*可以导出静压比与M*与2之间的函数关系。定义:212AA2*1*22*2*1212111111MkkMM
7、kkMPP11222*212121)1(1ksskkkkPP2429.1548.04.1528.0121*20lim1kkkPPkkss当20,即A2 时,对上式求极限,得到:PPS02*当当 20.1时时,就很接近极限值了。而实际的消声器设计中就很接近极限值了。而实际的消声器设计中,2往往是很小的。往往是很小的。25噪声限值加严油耗标准实施排放标准加严26 尽量分离气流通道与消声通道；尽量分离气流通道与消声通道；优化传统声学元件的设计；优化传统声学元件的设计；发展和应用新的声学元件。发展和应用新的声学元件。27二、特殊结构的消声元件二、特殊结构的消声元件28XYX0Y00Sx0Sc锥形扩散管
8、及声电类比图ZPVCCj x001129 只要扩散管的锥角只要扩散管的锥角 不过份大以免造成气体脱流不过份大以免造成气体脱流,这种这种结构所造成的气流阻力是很小的结构所造成的气流阻力是很小的,几乎没有局部压力损几乎没有局部压力损失失,可以有效地抑制气流再生噪声。可以有效地抑制气流再生噪声。这种结构常被用作传声筒这种结构常被用作传声筒,然而用作消声元件然而用作消声元件,还未见还未见报道。报道。以下的推导证明以下的推导证明,锥形扩散管对于低频噪声有明显的抑锥形扩散管对于低频噪声有明显的抑制作用制作用 30根据球坐标下声扰动的波动方程,假设波是均匀的,波阵面上的各个参量相同,可得 PUABCDPU1
9、1222222sin 11xStPCxPSxS锥形扩散管的四端网络系数APPBPUCUPDUUUPUP1201201201202222出口阻塞时入口两端的声压比。出口完全开放时的转移阻抗。出口阻塞时的转移导纳。出口完全开放时的流速比。31Zlxxklkxkl Zjxx KSklSSlxx KkxklkljSxkx lxKkllkl Zll100020000020002002111cossinsincossinsincos 由此式,锥管作为一种声学元件其声学特性全部已知 32 实部是声阻实部是声阻,虚部为声抗虚部为声抗。声抗表示辐射不出去的能。声抗表示辐射不出去的能量。声抗越大量。声抗越大,则表
10、示储存在接近场的声能越多则表示储存在接近场的声能越多,即消声即消声效果越好效果越好 RZk l Zk lCS S ZXjCklS SS SCZk lCS S Zllllllll22 22 22202002222 2220211133当当L给定时给定时,可找出某一频率可找出某一频率,在此频率上声抗最大在此频率上声抗最大,即消声量最大。这个结果只限于低频即消声量最大。这个结果只限于低频 klCZS SkClZS Sllll1100 34 2、直颈锥管声电类比图、直颈锥管声电类比图 35直颈锥管式消声结构阻力小，可有效地抑制中低频直颈锥管式消声结构阻力小，可有效地抑制中低频噪声；噪声；其结构特点适合
11、于圆形截面的消声器。尤其适合于其结构特点适合于圆形截面的消声器。尤其适合于要求功率损失小，底盘空间较大的车型（例如：要求功率损失小，底盘空间较大的车型（例如：SUV，载重货车）的主消声器。，载重货车）的主消声器。362、螺旋整流式消声结构、螺旋整流式消声结构 整流前整流后373839背压阻力背压阻力 空间几何尺寸空间几何尺寸 布置布置 截面截面 指向指向气流再生噪声气流再生噪声 气流速度气流速度 湍流湍流 指向性指向性其它声源的屏蔽其它声源的屏蔽 消声器材料消声器材料 隔声隔声 隔振隔振 耐热耐热工艺、成本工艺、成本主观感受主观感受 物物 理理 量量 限限 制制排气系统声舒适度的限制条件排气系
12、统声舒适度的限制条件40三、气流再生噪声的控制技术三、气流再生噪声的控制技术41定义：气流之间相互作用或气流和固体相互作用产生的噪声。要素：相互运动-质量-作用力 例如：运动气流之间相互作用：气流再生噪声；运动气流和静止固体之间相互作用：喘流噪声；运动气流和静止大气之间相互作用：射流噪声；运动固体和静止大气之间相互作用：旋转噪声；1、气流噪声产生机理、气流噪声产生机理42Ligthill 理论：WVnA/cm V 气流速度；C声速；A-作用因子。N=4 :单极子声源，脉动气流噪声、旋转噪声等；N=6 :偶极子声源，喘流噪声等；N=8 :射流噪声等；2、气流噪声的模型和影响因素、气流噪声的模型和
13、影响因素43（1）旋转噪声（也称风扇噪声）旋转噪声（也称风扇噪声）旋转物体周期性作用空气介质产生：f0=n Z/60 式中：n-风扇转数，Z-叶片数。离散性噪声和有调噪声：2 f0,3 f0,-LW =10 log Q+20 log P+K式中：Q-流量，m3/h;P-风压，P a;K-比声功率级，和风扇（包括叶片、蜗壳等）结构设计有关。3气流噪声主要类型气流噪声主要类型44 f=sh u/d式中：sh-斯脱哈罗常数，0.14-0.20 之间，u-气流速度，d-运动物体在速度平面上的投影。连续谱噪声，声功率和气流速度的6 次方成正比。（2）喘流噪声）喘流噪声45（3）射流噪声射流噪声46707
14、580859095100100020003000400050006000rpmdB(A)单极子噪声单极子噪声和偶极子噪声低转速 rpm,几乎重合高转速 rpm,产生偶极子甚至四极子声源（4）尾管噪声）尾管噪声47 典型的气流脉动噪声是有压缩机激发管道和空气产生的噪声。（5 5）气流脉动噪声气流脉动噪声激发力机壳体辐射噪声进排气口辐射噪声管道共振噪声壳体结构设计进排气消声器合理选择管道长度和悬挂点48 小喷口高压排气或放空所产生的空气动力性噪声是环小喷口高压排气或放空所产生的空气动力性噪声是环境噪声中的强声源之一。对其声源特性的研究和控制境噪声中的强声源之一。对其声源特性的研究和控制技术的研发均
15、有较大的发展。诸如小孔喷注、多孔扩技术的研发均有较大的发展。诸如小孔喷注、多孔扩散、节流降压等消声器有效地控制了这类声源的环境散、节流降压等消声器有效地控制了这类声源的环境污染。污染。原理原理：利用小孔的移频效应，把喷注噪声频率移到人耳不敏利用小孔的移频效应，把喷注噪声频率移到人耳不敏感的超声频范围。感的超声频范围。49定值噪声测量结果定值噪声测量结果30秒加速，平均降低秒加速，平均降低4.7dbA50怠速定值噪声频谱对比怠速定值噪声频谱对比怠速条件下，与空管比较，6.7dbA消声量，不影响排气51怠速定值噪声频谱对比怠速定值噪声频谱对比怠速定值噪声测量，与空管相比，6.7dbA消声量，不影响
16、排气52大排量（4500rpm）条件下，消声量6.6dbA喷注尾管定值噪声测量结果喷注尾管定值噪声测量结果53喷注尾管定值噪声测量结果喷注尾管定值噪声测量结果大排量（4500rpm）条件下，消声量6.6dbA54背压阻力背压阻力 空间几何尺寸空间几何尺寸 布置布置 截面截面 指向指向气流再生噪声气流再生噪声 气流速度气流速度 湍流湍流 指向性指向性其它声源的屏蔽其它声源的屏蔽 消声器材料消声器材料 隔声隔声 隔振隔振 耐热耐热工艺、成本工艺、成本主观感受主观感受 物物 理理 量量 限限 制制排气系统声舒适度的限制条件排气系统声舒适度的限制条件55四、空气导声的隔声机理与控制四、空气导声的隔声机
17、理与控制56 材料一侧的入射声能与另一侧的透射声能相差的分贝数就是该材料的隔声量，通常以符号R（dB）表示 式中 R 隔声量；E入 入射声能；E透 透射声能；透射系数。1lg101lg10lg10lg10入透透入EEEER571匀质薄板的隔声频率特性曲线1）影响隔声频率特性曲线的几个参量 薄板的隔声性能主要由控制板振动的三个物理量决定，即：板的面密度M；板的劲度B；材料的内阻。2）隔声频率特性曲线 典型的匀质薄板隔声频率特性曲线如下图所示。曲线可分为三个区域：劲度控制区；质量控制区；吻合效应控制区。58质量定律延伸质量控制区6dB/oct隔声量/dBfc频率/Hz劲度控制劲度控制区质量控制区吻
18、合效应控制区高阻尼中阻尼低阻尼59 在很低的频率（低于板的简正频率）范围里，板受本身的劲度控制，隔声曲线随频率的升高而降低，此时板的质量和阻尼并不重要。频率再升高，质量开始起作用。在劲度和质量共同的作用下，板将产生一系列共振，共中f 0为最低共振频率。各共振频率（Hz）可由下式确定，)(22222rbqapMBf式中 B 板的劲度，；E 材料的弹性模量（N/m2）；t 板的厚度（m）；M 板的面密度（kg/m2）；a，b 板的长宽尺寸（m）；p，q 任意正整数。60入射B反射透射入射B反射透射sinA吻合入射B反射透射入射B反射透射sinA吻合图 吻合效应原理图 61式中 c 声速（m/s）；
19、M 板的面密度（kg/m2）；B 板的劲度，；E 弹性模量（N/m2）；t 板的厚度（m）；板的密度（kg/m3）；EtcBMcf122222c62 消声结构的设计必须与消声器材料的隔声性能消声结构的设计必须与消声器材料的隔声性能相匹配；相匹配；当传输损失远远大于插入损失时，在排除了其当传输损失远远大于插入损失时，在排除了其它声源的掩蔽效应后，首先要核检材料的隔声它声源的掩蔽效应后，首先要核检材料的隔声性能。性能。63五、消声器设计改进工程实例五、消声器设计改进工程实例64例一、例一、替代某替代某SUV、某载重车原消声器的设计、某载重车原消声器的设计问题：1、消声量严重不足。2、功率损失超过5
20、%；3、消声器表面辐射噪声严重。65锥管消声器锥管消声器VVVLP00SSX0SLe00SX21CV22CV23CV0SeLMaRa声电类比图66EQ140六缸发动机在3000rpm130马力噪声频谱67EQ140六缸发动机动力性能与经济性能对比68492Q492Q四缸发动机在四缸发动机在3500rpm703500rpm70马力下的噪声频谱对比马力下的噪声频谱对比69492Q发动机动力性、经济性和消声量的对比70CA-10C发动机动力性能和经济性对比71例二、双模消声器问题：1、消声量不足，IL22dbA2、背压阻力大。72改进设计消声器改进设计消声器1、容积不变；、容积不变；2、IL33db
21、A3、频谱改变声质量、频谱改变声质量4、背压阻力减少、背压阻力减少设计思想设计思想1、优化设计抗性声学元件。例如增加共振腔；、优化设计抗性声学元件。例如增加共振腔；2、增加阻性消声元件、增加阻性消声元件3、缩短气流在消声器内的流程、缩短气流在消声器内的流程73例二例二 试验数据试验数据静态插入损失试验频谱静态插入损失试验频谱74例二 汽车A计权消声器020406080100120原消声器空管新消声器插入损失到达插入损失到达33dbA33dbA；优于原消声器优于原消声器12dbA12dbA75例二 改进方案定置噪声数/图对比76例二 怠速消声效果比较77定置匀加速对比图 78例三例三 改进设计改
22、进设计例二、消声器问题：1、达不到国II噪声标准，判断是消声器消声量不足2、背压阻力大。79改进方案：背压达要求的前提下，优化声学元件设计。80例三:传递损失比较81例三:消声器插入损失发动机台架试验82例三试验数据83定置匀加速定置匀加速700.005400.00rpm50.00100.00dB(A)Pa0.001.00AmplitudeFOverall level(A)out let:S(A)FOverall level(A)out let:S(A)定置匀加速2阶次800.005600.00rpm70.00120.00dBPa0.001.00AmplitudeFOrder 2.00 out
23、 let:SFOrder 2.00 out let:S定置匀加速4阶次800.005600.00rpm50.00100.00dBPa0.001.00AmplitudeFOrder 4.00 out let:SFOrder 4.00 out let:S定置匀加速6阶次800.005600.00rpm50.00100.00dBPa0.001.00AmplitudeFOrder 6.00 out let:SFOrder 6.00 out let:S84例三例三 背压测试背压测试试验条件试验条件发动机型号：发动机型号：BJ491EQ1 排量：排量：2.237L发动机转速发动机转速4500r/min(此时空气流量为此时空气流量为364kg/h)扭矩扭矩160N.m/功率功率75Kw测功器测功器:D250电涡流电涡流 设计限值35KPa85背压测试结果背压测试结果86
