汽车消声器设计

苏州大学本科生毕业设计（论文）1前言目前，随着中国经济的快速发展，汽车工业的日益发达和人们生活水平的大大提高，使得我国汽车拥有量迅速增加，带来的交通噪声问题也日益凸显，而其中，私家轿车的发展更为迅速，在大中城市中心，汽车噪声污染问题就更加严重，噪声的危害是多方面的，轻微的噪声会影响人们的休息与睡眠，严重的噪声甚至会损伤人的听力、诱发各种疾病甚至影响人们的心理健康容易使人产生焦虑、失眠等状况。因此，汽车消声器的研究对于缓解城市噪声污染问题，提高人居环境水平具有很强的实际和应用意义。消声器的消声效果取决于很多因素，目前各种类的消声器也存在很大的改进空间，笔者通过对某轿车消声器的声学性能进行分析，并结合影响消声效果的各自变量，通过改进消声器结构，达到优化消声效果，提高消声能力的目的。这对于目前汽车的消声器设计以及如何减小汽车噪声污染具有一定的参考价值。苏州大学本科生毕业设计（论文）2第一章绪论1.1课题提出的背景和意义目前，随着中国经济的快速发展，汽车工业的日益发达和人们生活水平的大大提高，使得我国汽车拥有量迅速增加，带来的交通噪声问题也日益凸显，而其中，私家轿车的发展更为迅速，在大中城市中心，汽车噪声污染问题就更加严重，噪声的危害是多方面的，轻微的噪声会影响人们的休息与睡眠，严重的噪声甚至会损伤人的听力、诱发各种疾病甚至影响人们的心理健康容易使人产生焦虑、失眠等状况。德国柏林环境署在一份研究报告中指出，在平均70分贝的噪声中可使人们心肌梗塞发病率增加30％左右，特别是夜间受扰，发病率更高。在极强烈的噪声如高达140分贝环境下，则会引起听觉器官发生急性外伤，特别的噪声还会损坏建筑物和仪器设备等[1]。统计资料表明，城市噪声中，影响城市环境的各种噪声来源中，工业噪声占8％~10％，建筑施工噪声占5％，交通噪声占30％，社会生活噪声占47％，交通噪声是城市噪声的最主要来源之一[2]。我国重点城市区域环境噪声总体处于中等污染水平，因此对交通工具的噪声控制就相当重要。1979年开始，我国也认识到了问题的严重性，开始进行汽车噪声控制工作，相继制定了机动车辆、内燃机、消声器等的噪声测试标准与规范。相比我国，国外特别是欧美日等发达国家早在上世纪60年代就对车辆噪声有了足够的正视并制定了相关的法规来控制。汽车的噪声是一个包括了各种不同性质噪声的综合性噪声源，汽车噪声源大致可以分为发动机噪声和底盘噪声。发动机噪声是汽车噪声源的主要部分。发动机噪声再细分又可以分为空气动力性噪声、燃烧噪声和机械噪声。其中空气动力性噪声主要包括进、排气和风扇噪声，而其中，排气噪声又是发动机最大的噪声源，进气噪声次之，随着对噪声控制要求的提高，发动机噪声的处理问题显得日益突出，国内外都十分重视降低汽车发动机噪声。因此，为了降低我国汽车噪声水平，首先应以控制发动机动力噪声问主要目标，把握关键，再辅助从其它方面更好的降低汽车噪声水平。1.2国内外研究现状在消声器研究和发展的历史进程中，首先出现的是无源消声器，主要包括以下几种类型：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合型消声器。后来从二十世纪三十年代开始，消声器的研究工作进入了一个快速发展的时期，德国物理学家研究并制造出了一种不同于无源消声器的消声器，即现在所称的有源消声器。在汽车工程应用领域，排气噪声的控制主要苏州大学本科生毕业设计（论文）3是安装无源消声器，这种广泛的应用所带来的经济效益又更能促进无源消声器的研究，这也使得无源消声器的技术越来越成熟[2]。消声器的理论研究历史比较久远，上世纪二十年代美国首先提出了抗性声滤波器理论。而50年代到70年代是消声器理论研究发展最快的时期，在六十年代末期，日本教授福田基一在消声器理论研究方面做出了杰出的贡献。在实验研究方面，上世纪50年代才越来越多，我国在这一方面的研究与世界发达国家相比要晚很多，从1979年颁布机动车辆噪声标准以后才开始的。消声器研究设计知识面广，工作复杂，早期主要采用实验方法进行研究。90年代后，在充分掌握了消声器设计计算的基本理论和分析方法后，已经能比较精确地计算穿孔消声器的消声性能。而王诗思和高宗英在抗性消声器插入损失模型上的研究发现，以及胡立臣推导出六种不同消声单元的传递矩阵并在实际中的具体应用，都对消声器的理论研究起到了很大的推动作用。当然，这些分析计算都是基于一维理论开展的，而在实际的声波传播都是二维或者三维的，上述理论在实际应用中的准确性就有待商榷了。在面对这一难题的时候，计算机技术的出现产生了很大的作用，有限元法和边界元法[5]数据量大，由于计算机技术的迅猛发展得以进行实际应用。通过计算机模拟计算，节省了消声器开发成本，加快了消声器开发进程，目前，各消声器研究机构和厂商都在应用该项技术，计算机在消声器设计上的应用也日臻成熟。本文也是基于有限元法对消声器消声性能进行设计改进。1.3本文研究的主要内容在消声器研究的早期，人为因素占主导作用，消声器的设计主要依靠研究人员的经验。这种方法存在很多弊端，首先，设计人员的技术水平直接影响到消声器的设计生产；其次，这种方法浪费人力、物力、财力；最后，这种设计周期长，资源利用效率低下。而从上世纪末期开始汽车工业的迅猛发展使得这种设计模式跟不上时代的发展，提高自主研发能力是汽车厂商要解决的一大难题。本文的主旨在通过研究某轿车消声器的声学性能，分析出其中存在的不足，针对改进消声器的内部结构，以达到提高消声性能，应用于实际的思想。本文的内容具体包括以下内容：第一章引用资料说明噪声给人们生活带来的危害以及消除交通噪声的必要性，并且介绍了国内外专家学者在消声器研究发展进程中所取得的各项成果。间接的引出了本文的主要研究方向。第二章主要介绍了和消声器相关的声学方面的知识，如声学的基本理论，消声器研究的理论方法等。并介绍了消声器的分类，消声器的性能指标以及本文的分析计算流程设想。苏州大学本科生毕业设计（论文）4第三章是在对前人总结出的影响消声效果的因素进行了整合概括，通过公式总结和运用有限元法讨论了包括扩张比、插入管长度、扩张腔长度和形状等对消声性能的影响，然后介绍了共振式消声的原理，穿孔对消声效果的影响，最后简略概括了阻性消声器的声学新能的影响因素，因为本文的设计改进主要偏向于抗性消声器，所以阻性消声只做辅助介绍，通过介绍，为我们的排气消声器的分析计算和改进提供了理论基础和依据。第四章通过对某轿车的排气消声器建立有限元模型，运用软件进行网格化和声学性能分析，计算消声器的消声效果，并针对消声器存在的问题进行改进，达到学以致用的目的。第五章主要对第四章的内容进行总结并概括全文以及对未来工作的展望。苏州大学本科生毕业设计（论文）5第二章消声器基本理论与评价指标2.1声学基本理论1.声速声速C表示空气中声音速度的大小。/CK（1ms）（2-1）式中K——弹性模量（12Kgms）；——空气密度的大小（3Kgm）。一般情况下，声音在不同的传播介质中的速度是不同的，在固体中的传播速度最大，本文所指的传播介质为空气，并且声速随温度变化的影响也很大。2.声压当声在空气中传播时，压强会随着空气形成的压缩形式的变化而增大，随着介质空气膨胀形式的变化而变小，压强在压缩和膨胀两个状态之间的变化量与静压强之间的差值定义为声压，从压缩和膨胀的对称性可以看出：声压变化的平均值大小为零，工程上所指的声压一般为：瞬时声压，峰值声压和有效声压（简称声压）。由于人对声音分辨能力的限制，凭肉耳很难分辨出声压的变化，一般人直观感受到的声学量为：有效声压。有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根，即(2-2)式中1P——瞬时声压（aP）；T——压缩周期（s）。3.声压级声压级pL是指声音的声压P和听闻声压0P(4210Pa)比值的常用对数的20倍，单位为分贝，即𝐿𝑝=20𝑙𝑔𝑃𝑃0(dB）(2-3)4.声强2101TPPdtT苏州大学本科生毕业设计（论文）6声强势单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能，IWS。其中，W为声功率，S为面积，声强的单位是2Wm。平面波的声强为一定值，平面波的声强是24Wr，r为球面半径。声强的大小与衡量点到声源的距离紧密相关。一定的时间内，声源辐射的声能量是一定的，距离越远处，辐射的总面积越大，这就使得单位面积上的声能量越小，声强也就随之变小。5.声功率单位时间内声源向外散发的全部声能量定义为声功率，单位时间内穿过垂直于声波传播方向面积为S的声能量的大小，定义为平均声功率。W=∮IdS，单位是瓦，声功率的大小是能够表示声源属性的相关物理量。它是由声源本身的性质决定的，与计算增量的位置和传播的介质无关。声功率的多少一般是通过计算获得的，而不能够被直接测量获得，在自由声场中，没有反射声波的影响，通过测量声压和声强的数值然后通过计算都可以得到声功率的数值，如果非自由声场内环境中，声功率的计算只能通过测量声强的大小计算得到。6.声阻抗率任意点处所测量得到的声压值大小1P除以所测量点处质点速度大小所得到的商数，定义为测量点的声阻抗率，数学表达式为1ZsPv，计算自由声场中的正弦平面波可以得到：1cos()PCAtkx（2-4)（2-5)上述公式中，表示声音传播介质的密度大小，一般情况下指空气密度。是角频率，A是介质位移的幅值，k是波数，2kc，是波长。上述两个式子可知，1ZsPVc，这表明，在平面波的声场中，不同点处的声阻抗率都可以用一个共同的c表示，它表示声波传播介质的声学属性，随介质压强和温度的不同而不同，定义为传播介质的特性阻抗，通常情况下，1P、1V相位不同，两个物理量的复数比值即为声阻抗率。声阻抗定义为测量点处声压的大小和测量点体积速度的比值，对声阻抗取倒数即可得到声导纳。7．声波学运动方程[3][4]分别计算任意一点（x，y，z）处在没有扰动的条件下压强的大小和末端的大小并分别记录为0P和0，当出现声扰动以后，这点的压强和密度就产生了变化并分别记录为10PPP和10，如图2-1所示，根据物理学中的牛顿定律x轴上可以得到运动方程如下：cos(())xVAtc苏州大学本科生毕业设计（论文）7图2-1牛顿定律立体模型1111xdvppdydzpdydzdxdydzxdt（2-6）上述公式中，xxxxxxyzdvvvvvvvvdttxxx，将此式代入运动学公式（2-6）中，将其高阶小量省略，可以得到表达式11xvpxt（2-7）可以看到1ppxx，数学代号是微小量，可以得到下面计算式0xvpxt（2-8）同理，y，z两方向声波方程为：0yvpyt（2-9）0zvpzt（2-10）（2-8）、（2-9）、（2-10）用向量表示为：∇p=−𝜌0𝜕𝑣→𝜕𝑡（2-11）上述方程即为声波的运动方程。其中，符号ijkxyz，xyzvvivjvk。苏州大学本科生毕业设计（论文）82.2消声器的分类消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要装置，是安装在空气动力设备（如鼓风机、空压机）的气流通道上或进、排气系统中的降低噪声的装置。消声器能够阻挡声波传播。同时允许气流通过，是控制空气动力噪声的有效工具。一个参数得到合理匹配的消声器，可使气流噪声减小20-40dB，相应地响度降低75％~93%。因此，消声器在噪声控制领域得到了广泛的应用。消声器通常分为有源消声器和无源消声器两大类。不同的结构形成了不同原理的消声器，下面介绍几种常见的消声器。常用的消声器结构有很多种，根据消声原理的不同，一帮可以分为以下几种，阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和微穿孔板消声器[5]。一、阻性消声器阻性消声器的消声原理和抗性消声器完全不同，它是利用内部的吸声材料或吸收结构的吸声特性达到降低噪声的目的。阻性消声器一般情况下不是在所有频率内都有很好的声学性能，哥哥频率段的噪声被吸收的多少差别