汽车排气消声器的设计与工艺

汽车排气消声器的设计与工艺二ΟΟ一年十二月汽车排气消声器的设计与工艺1表1.1不同媒质中的声速媒质温度（℃）声速（m/s）空气0331.5水蒸气100471.5钢5050第1章有关的声学基本概念1.1声波与噪声声的本质是物质的振动。振动源的振动，通过介质（媒质）产生的振动，即声波，传到人耳引起对耳膜等的作用，使人感到声音。声波（介质的振动）可以在固态、液态或气态介质中传播，介质的质点在其平衡位置附近振动，而介质并不传播出去，传播出去的只是声波。声波每秒钟振动的次数，称为声频，以f表示，单位为赫兹（Hz），每秒振动一次为1Hz，人耳可以感觉到的声频只在f=20~20000Hz范围内。声波在媒质中传播的速度称为声速，以C表示，单位为米/秒，几种媒质中的声速如表1.1所示。声音在空气中的传播速度随温度的变化为：C=C0+0.6t其中：C—声速C0—在0℃时空气中的声速t—空气中的温度（℃）同一声波的相邻波同相位点间的距离称为波长，以λ表示，它与频率f及声速之间关系为：λ=C/f单位为：米声波和其它波一样，可以产生反射、折射、绕射、干涉和共振等现象。两个独立的声波同时传播时，相互间的现象是：一方面，各自保持其原有的频率、波速和传播方向不变，继续传播。另一方面，传播介质的质点的振动，是两个波的合振动，称为声波的叠加。由此，两个频率相同，相位差恒定，同向传播的声波产生的叠加，称为声波的干涉，该两个声波，称为相干波。而两个振幅和频率相同的相干线，在同一直线上沿相反方向传播，产生的叠加称为驻波，其特点是在固定的空间合成波的零点（波节）和波幅最大点（波腹）。两个频率不同，振动方向与相位无固定规律的声波，相互间在传播中，也使某些点振动加强或减弱，但其结果与没有相互作用时的情况相同，则这两个声波称为不相干波。噪声是由大量频率不同的，一般都是不相干波的声波组成，其特点是振动的非周期性，表现为紊乱、断续的随机振动。1.2声的客观度量及频率（频程）1.2.1媒质在声波的作用下，其中某些点的压力产生强弱变化，这种压力超过静压的值，称为声压，用p表示，单位为：牛/米2，瞬时声压有正负变化，不能单纯相加，为了表示声压超过静压的程度，一般用有效声压表示，即用一定时间内瞬时声压的均方根值来表示，Tdt)t(pTp021(N/m2)其中：p(t)——瞬时声压（N/m2）T——某时间间隔（s）声波的传播，使声能也得以传播，在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的声能，称为声强，以I表示，单位为：w/m2。人耳开始能听得到的声强为：10—12w/m2（听阈声强）。人耳开始感到疼痛难忍时的声强为：1w/m2。（痛阈声强）汽车排气消声器的设计与工艺2在自由平面波或球面波的情况下，在传播方向的声强：cpI2（w/m2）其中：p——有效声压（pa）ρ——媒质密度（kg/m3）c——声速（m/s）在温度为0℃及1个大气压下，空气的ρc=428.5N·s/m，由于听阈及痛阈声强分别为10-12w/m2与1w/m2，则按上式求得听阈及痛阈声压分别为2×10-5N/m2与20N/m2。声源在单位时间内，向外辐射声能为该声源的声功率w（或者说，声功率是声源的总声强）。对于平面波：W=ISS——包围声源的总面积（m2）对于球面波：W=4πγ2I当声源放在具有反射的地面上，声源只能向半球面辐射，则：W=2πγ2I以上式中的声强I是指与声源的距离和计算声功率的面积与声源的距离相同的某点的声强（即距离都是r）。1.2.2人的听觉由听阈到痛阈声压的绝对值相差100万倍，用绝对值来表示其强弱很不方便，而人耳对声音的听觉与声压等物理量之间，恰近似于对数关系。因此，我们将声的物理量，按被测声与听阈声之比值取对数来表示，称为该物理量的“级”（以分贝即dB表示）。由于它是一个比值，所以是无量纲，并且取对数后，数值差距缩小，便于使用，而且又近似人的听觉。1．如：声强级LI，定义为：0lg10IILI（dB）其中：I——被测声强（w/m2）I0——听阈声强（10—12w/m2）因此，听阈声强级为0dB，痛阈声级为120dB（如果公式中不加系数“10”，则分别为0dB与12dB，这样，差值太小，使用起来也不方便）。2．声压级LP由于：cpI2，2020lg10lg10ppIILI所以，则：0lg20ppLP（dB）其中：p——被测声压（N/m2）p0——听阈声压（在f=1000Hz下，为2×10—5N/m2）因此，听阈声压级为0dB，痛阈声压级为120dB，与声强级量程相同，如果某声压为p1，另一声压是它的一倍，即：p2=2p1，则p2的声压级为：62lg20lg202lg20lg2012101022ppLppppppL所以，声压增强一倍，声压级只增加6dB。同理，声压增加10倍，声压级增加20dB。所以，既使能将噪声下降10dB，声压也就能下降三倍多，是很显著的。汽车排气消声器的设计与工艺33．声功率级LW定义为：010WWlgLW（dB）其中：W——被测声功率（w）W0——听阈声功率（W0=10—12w）因此，听阈声功率为0dB，痛阈声功率级为120dB，与声压级、声强级的量程都相同。在自由声场中，如不考虑空气中“ρc”的变化，声压级与声强级近似相等，在自由场中，以球面波向外辐射的声功率级：11lg2011lg20lg410lg10lg10104l0glg10201220rLrLIIIWWLPIW在半自由场中，以半球面波向外辐射的声功率级：8lg208lg20lg210lg10lg10102l0lglg10201220rLrLIIIWWLPIWr——离声源的距离（m）以上两式可用于在距声源为r处，已知声压级（声强级），求声源的声功率级。当然，也可以用于已知声源的声功率级，求某处的声压级（或声强级）。4．两个声压级的合成是原较大的一个声压级加一个增值，如表1.2所示。表1.2（dB）原两声压级之差012345678910合成后之增值3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.4在多个声压级求合成声压级时，先将两个最大的声压级合成，再与第三个大的声压级合成，如此类推，到声压级之差大于10dB，以后的声压级可以不计入。5．两个声压级的分解如已知总噪声与本底噪声的声压级，求被测噪声的声压级，则被测噪声的声压级等于总噪声声压级减去一个修正值（见表１.３）。表1.3（dB）总声压级与本底声压级之差12345678910修正值6.94.432.31.71.250.950.750.60.45在总声压级超过本底声压级10dB时，可以不考虑本底噪声的影响。总之，声级的合成与分解不能按算术和或算术差来运算。1.2.3如前所述，噪声是由许多不同频率，不同强弱的声波无规律组成的。为了解某噪声中各种不同频率成份及其强弱分布，以便对其采取有效的降噪措施，我们可以声压级（或声功率级、声强级）为纵座标，以频率为横座标，将不同频率的声压级标出来，并联成曲线，即频谱曲线，这种方法称为频谱分析法。但人耳的可听声频范围从20到20000Hz，有1000倍，不可能对所有频率都作测量。事实上，噪声测量中，是把声频范围划分成几个小段进行的，这种段叫作频带或频程。具体分法，一般有“倍频程”和“1/3倍频程”两种。倍频程的每一个频程的中心频率以f中表示，其上、下频率以f上和f下表示，则中心频率为63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000Hz，两个相邻频率之间的频率之比都是2∶1，故汽车排气消声器的设计与工艺4称倍频程。而上、下频率按f上=2f中，f下=f中／2列出（见表１.４）。表1.4（Hz）f中f下~f上f中f下~f上31.522.5~451000710~14006345~9020001400~280012590~18040002800~5600250180~35580005600~11200500355~7101600011200~22400而1/3倍频程，则是将以上各频程再按：1∶21/3∶22/3：2分为三段，在实际进行频谱分析时，用一般的附有滤波器的声级计。需要一个频程一个频程地进行测声级，但当测下一个频程时，上一个频程已不是先前测得数值，因为频率分布是随机变动的，因此，需要采用实时分析仪，可在几分之一秒内，把整个频谱曲线显示在荧光屏上。当然，对于那些频率分布相对较稳定的，要求不是太高的场合，用带滤波器的声级计还是可以的。如图1.1所示，是按倍频率程测出的某汽车噪声的频谱曲线。当然，在这种情况下，曲线已经变成折线了。1.3声的人耳主观感觉及其度量1.3.1人耳与人的大脑组成的听觉系统，由声音强弱引起的声感强弱两者之间不是成线性关系的。在20~20000Hz的可听范围内，人耳对低频声不敏感而对高频声则较敏感，低于20Hz的次声及高于20000Hz的超声，则尽管有较高的能量，则都听不见。只有在1000Hz时，声音的强弱（客观物理量）与声感的强弱（主观感知量），才是成正比的。前面提到的听阈与痛阈也都是在1000Hz的条件下的数值，如果不在1000Hz时，这些数值也不同了。同样，例如声压级为40dB的一个客观声音，如果不是1000Hz的，给人耳的感觉与在1000Hz时的40dB声压级的声音给人耳的感觉是不一样的。如在63Hz下，声压级为60dB的声音，听起来与一个1000Hz、40dB的声音才是一样的。为了引出一个与人耳感觉相同的度量，人们在以声压级（dB）为纵座标，以频率（Hz）为横座标（按1/3倍频程分配）建立座标系，把与1000Hz某声压级听起来同样响的点连起来，如把与1000Hz40dB一样响的点连起来（图1.2），叫作40方响度线，把与1000Hz、70dB一样响的点连起来，叫作70方响度线等等，如类推，这样可以从0~120，得到13条响曲线，以此分为13个响度级（单位为方，phon）。从图1.2的横座标方向看，在低频部分，声压级要较高才能达到较低响度级，而在高频部分，声压级与响度级差不多，说明人耳对低频较迟钝，对高频较敏感。从图1.2的纵座标方向看，在低dB区，等响曲线的起伏变化大，在高dB区，等响曲线的起伏变化小，比较平坦。说明在低声压级下，频率的变化对人耳的感觉影响大，而在高声压级下，频率的变化对人耳的感觉影响不大。响度级是个相对量，从响度级可以引出响度，以表达听觉大小，响度的单位为宋（Sone）。10240)L(NNN——响度（宋）LN——响度级（方）汽车排气消声器的设计与工艺51宋相当于1000Hz下，声压级为40dB的纯音（即响度级40方）听觉反应量。50方为2宋，60方为4宋，70方为8宋。图1.2等响曲线1.3.2声级计是测量声音强弱的仪器，它能将客观的声压得到正确地反映，而且不论一个声音是什么频率，都能将声压转换成对应的声压级。但它不能转换成与人耳的听觉相符合的响度级，比如：在63Hz下的声压级为60dB的声音，听起与1000Hz下声压级为40dB的声音是一样的。声级计只对它们分别指出为60dB与40dB，而不能指出它们同为40方。如果对一条40方的等响曲线，是可以在声级计的电路上设置一套滤波网络，在不同的频率下对声压级作不同的修正，而获得40方的指示。但如前所述（图1.2）不同响度级的等响曲线，其曲率变化是不同的，因而不可能对不同响度级都设置一套滤波网络。为了尽量接近人耳的听觉，人们效仿40方等响曲线设置一套修正电路，对所有不同响度级的声音都作相同的修正。这样，声级计的指示数既不是声压级（因为已经过修正），又不是响度级（因为除40方外，其它都不符合对应的等响曲线），人们给它另取名为：A声级，如指示数为40，则称为40dB（A）（即A声级为40dB），指示数为60，则称作：60dB（A）。另外，效仿70方等响曲线而设置的修正电路得出的指示数，称为B声级，效仿100方等响曲线时，则称为C声级。这样，一般声级计设置了三种计权网络，可以测：声压级、A