汽车排气系统

大连1汽车排气系统---噪声2007年11月大连2PRESENTATIONOVERVIEW议程噪声的基本知识汽车排气系统（消声器）设计大连3声波的产生和传播-噪声的基本知识1.声音是由物体的振动产生的。—如用锤敲鼓，就会听到豉声，这时用手去摸豉面，就会感到鼓面在振动。不仅固体振动产生声音，气体和液体振动也会发出声音，如火车的汽笛声，海水的波浪声。2.声音只有在介质中才能传播。—声音不仅可以在空气中传播,在固体和液体也可以传播.3.振动在弹性介质中，以波的形式传播。这个弹性波叫做声波。—声波在弹性介质中的传播过程可用下图说明。当振动体向右侧振动时，右侧邻近部分的空气A受到挤压，密度增大，形成了密部，见上图(a)。由于空气具有弹性，A处的空气又要挤压B处的空气，使B处的空气有变密的趋势。过了片刻，振动体向左振动时，A处造成了空穴，原来密集的空气向空穴疏散，使A处密度下降，形成了疏部。与此同时，由于惯性的作用，B处的空气仍然受到挤压，形成了密部。B处的空气还要向右挤压，有使C处的空气变密的趋势，见上图(b)。这样，随着振动体的振动，它周围的空气不断地疏密波动，声波不断向远方传播。但是，声波在介质中传播的过程中，质介质本身并没有传走，仅在平衡位置附近振动。大连4声波的产生和传播-噪声的基本知识—由于空气变密时，压强增大，变稀时压强降低，故声波的传播过程，实质上又是压力波传播的过程。这种压力波作用于人的耳膜使其作相对振动，通过听觉神经使人产生声音的感觉。由于介质质点振动方向的不同，波动分为横波与纵波。横波是指质点振动方向与波的传播方向垂直的波，纵波是指质点振动方向与波的传播方向相同的波。空气中传播的声波即为纵波。4.频率、波长和声速—声源在1秒时间内完成的振动次数，称为频率，用f表示，单位为赫(Hz)。—声源振动每往复一次的时间隔，称为周期，用T表示，单位为秒(s)。频率是周期的倒数。对人耳来说，只有20-20000Hz的振动才产生声音的感觉。高于20000Hz的声波叫超声，低于20Hi的声波叫次波，人耳对超声和次声都无法感知。—传声介质质点振动一次，声波所传播的距离称为波长，用λ表示，单位为米(m)。—声波在介质中的传播速度称为声速，用c示，单位为米(m/s)。声速、频率和波长之间的关系为:λ=c/f传播介质不同，声速也不同。此外，声速还随介质温度变化而改变。常温(20°C)和标准大气压下，空气中的声速为344m/s。随温度t的变化，声速为:—γ-流体的比热比；R-气体常数；T-热力学温度。—声速随温度t的变化方程，可简化为：c=331.45+0.61t。5、声波的传播—声源辐射的声波在某一时刻到达各点所形成的面，称为波阵面或波前，声波传播的方向常用声线表示。按照波阵面的形状，可把声波分为球面波、平面波和柱面波等。—球面波是以点声源为中心，在各向同性介质中均匀地向四面八方辐射，因而呈现出球面的波阵面。球面波的声线为径向射线。在实际噪声控制中，许多声源均可简化为点声源来处理，如发动机排气噪声，在1m远处，可近似地认为是点声源。cRTttRTccp27320)273(*287*4.1大连5声波的产生和传播-噪声的基本知识—平面波的波阵而为一平面，且在传播过程中诸波阵面彼此平行，其声线为一簇平行线，沿着一个方向传播。在汽车发动机排气管道中传播的声改可看作是一种典型的平面波。—柱面波的波阵面为同轴柱面，车辆在行驶中发出的噪声可近似地认为是柱面波。—声波在传播过程中。当遇到障碍物、不均匀介质或不同介质时，将发生反射、折射和衍射、干涉等现象。由于声波的波长变化范围很大，空气中大约从17.2.到0.0172m,,相差一千倍，而且与一般物休尺寸可以相比拟.因而发生的物理现象也就比较复杂。时，将发生反射、折射和衍射、干涉等现象。—⑴声波的反射与折射当声波遇到障碍物时，有可能发生反射，反射情况与声波的波长和障碍物的大小以及表面光滑度有关。当声波波长比障碍物表面尺寸小时，很容易就反射回去。声波从介质1入射到介质2时，在分界面上，一部分声能反射回介质1，其余部分穿过界面在介质2内继续向前传播，前者称反射现象，后者称折射现象，如图所示。—反射定律:反射线、入射线和界面的法线在同一平面内，人射线与反射线分居于法线的两侧，且反射角θ1等于入射θ。—折射定律:折射线、入射线和界面法线在同一平面内，入射角θ的正弦与折射角θ2,的正弦之比，等于介质1与介质2中声速c1、c2之比，即:sinθ/sinθ2=c1/c2可见，声线发生折射是由两种介质中的声速不同所决定的。因此，即使在同一种介质中，若存在声速梯度时，也同样会产生折射现象。大连6声波的产生和传播-噪声的基本知识—反射系数和一透射系数反射声波和折射声波的声压幅值(P1max和P2max)、声强(I1和I2)与入射声波的声压幅值(Pmax)声强(I)之比分别称为声压反射系数、声强反射系数和声压透射系数、声强透射系数。在各向同性均匀介质中当声波是无哀减传播，斜入射时，则声压反射系数为：式中,Z1=ρ1*c1。Z2=ρ2*c2,称为介质的特性阻抗，ρ为介质密度。声压透射系数为：声强反射系数为：声强透射系数为：大连7声波的产生和传播-噪声的基本知识由上述各式可知，声波在介质中传播时，反射系数和透射系数由两种介质的特性阻抗之比决定。因此可以利用声波在多种介质传播过程中特性阻杭不相等就有反射波的原理，来控制噪声的传播。即在机械设计时，对同样厚度的隔声屏障，用两种或两种以上的材料相叠，各层间造成界面，每层界面上便有一部分声能被反射回去。经过反射与再反射，便有更多能量被各层介质所消耗。特别对于界面两侧介质的ρc乘积相差很大时更有效。所以在一些轻质材料中插人一层密质材料，就是利用这个原理。—⑵声波的绕射与干涉声波在传播途中遇到障碍物或其它不连续性时，其波阵面发生畸变，这种现象称为声绕射或衍射。也就是，部分声音能够绕过障碍物的边缘前进。声绕射现象同障碍物的尺寸和声波波长的比值有关，如图所示。图中声影区是指由于障碍物或折射关系，声线不能到达的区域，是安静的区域。l一障碍物的线度尺寸;γ一声波波长声波传播时，还可以互相叠加，这个现象叫做声波的干涉。当两个频率相同的声波以同样位相到达某一点时，即他们在同一时间内将密部或疏部传到某一点时，则两波互相加强，合成振幅为两波振幅之和，如图(a);如两波位相相反，则互相减弱或完全抵消，合成振幅为两波振幅之差，如上图(b).产生干涉的波叫相干波。同时从两波源出发而到达相遇点时所经路程之差，叫波程差。理论可以证明，在波程差等于零或波长的整数倍的各点，振动加强，幅达到最大；在波程差等于半波长的奇数倍的各点，两声波是反相的，振动减弱，振幅最小。当两个振幅和频率相同的波相干涉，在同一直线上沿相反方向传播时，叠加后产生的波称为驻波。可见，驻波是干涉的一种特例，其特点是具有固定于空间的波节和波腹。波节是驻波中幅值为零的点，波腹是驻波中幅值最大的点，见上图(c)，且两相邻的波节〔或波腹)间的距,等于相下波的半波长。大连8声波的产生和传播-噪声的基本知识声源在封闭的室内辐射声波时，由于壁面的强烈反射,入射波与反射波叠加的结果，会在若干个频率成分上产生驻波。此时，室内某些方向上，会出现声音随着传播位置而大小交替变化的情况，这就是有驻波存在的特有现象。—⑶声波的衰减声波是一种能量，在传播过程中，由于扩散、吸收、散射等的作用，使声波的能量随着离开声源距离的增加而逐渐减弱，这种现象称为声波的衰减。声波衰减量与传播距离和声波频率等有关。声源所产生声压幅值与离开声源的距离成反比。高频声波，质点速度高，能量损耗也多。因此，在相同传播距离下，高频声波比低频声波衰减大。如果声能量一定，则低频传播距离就大。大连9噪声的物理度量-噪声的基本知识1.噪声的物理度量—⑴声压:声波传播过程中，空气质点也随之振动，产生压力波动。一般把没有声波存在时介质的压力称为静压力Pa。有声波存在时，空气压力就在大气压附近起伏变化，出现压强增显，这个压强增量就是声压，用p表示。声压的单位为N/m2,或记为Pa(帕)。—声压随时间起伏变化，每秒钟内变化次数很大，传到人耳时，由于耳膜的惯性作用，辨别不出声压的起伏，即不是声压的最大值起作用，而是一个稳定的有效声压起作用。有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值，这段时间应是周期的整倍数。有效声压用数学式表示为:式中p1为瞬时声压。在实际使用中，通常所说的声压，一般均指有效声压。声音的大小可用声压来度量。正常人耳刚刚能听到的声压是2*10-5Pa(频率为l000Hz)，称为听阈声压；而刚刚能使人耳产生疼痛感觉的声压是20Pa，称为痛阈声压。当声压达几百帕以上时，会使耳膜损伤以致引起耳出血。—声学中把介质中任一点处的声压p1，与该点的质点速度v之比，称为该处的声阻抗率，用Zs表示，即Zs=p1/v，单位为Pa*s/m。对于在自由声场中传播的平面正弦波，有大连10噪声的物理度量-噪声的基本知识式中:A为质点位移幅值，ω为角频率，t为时间，x为沿传播方向传播的距离，k=ω/c=2π/λ，为波数，ρ为介质密度，kg/m3，c为声速，m/s。由上式可知，此时p1与v是同相位的，介质中各点的声阻抗率是同一恒量，即ρc反映了介质的声学特性，它随温度和大气压而变化，是介质对振动面运动的反作用的定量叙述，称为介质的特性限抗。一些常见介质的特性阻抗见表。大连11噪声的物理度量-噪声的基本知识一般情况下，p1与v不一定同相位。因此，声阻抗率是两个频率不同相的正弦量之比值，并不一定是一个恒量。此时，声阻抗率是声压p1与质点速度v的复数比，即Zs=Rs十jXs式中:R，为声阻率，是声阻抗率的实部;X，为声抗率，是声阻抗率的虚部。—⑵声强:声音具有一定的能量，也可以用它的能量来表示它的强弱。声强就是在单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能，用I表示，即,I=W/S，其中w为声功率，瓦(w);S为面积，m2。I的单位为w/m2。—介质承受声压p1作用，微体收缩，从而储存位能，若处在运动中还储存动能。随同声波的传播，介质中储有这两种能量。单位体积储存的位能Ep，动能Ek和总能量E分别为:这是以速度c向前传播的，因此在dt时间内单位面积通过能量为Ecdt，取其连续一个周期的平均值，并引入式，则在自由声场中传播的平面波和球面波的声强为：则有：I=ρcv2=p*c大连12噪声的物理度量-噪声的基本知识上式表明声强I等于声压p与介质质点速度v的乘积。声强I和声压p都可以用来表示声音的强弱。声强不易用一般仪器测得，但可以用测声压的办法来求得。声强的大小和离开声源的距离有关。因为声源在单位时间内辐射的声能是一定的，离开声源越远，声波辐射的声能面积越大，因此通过单位面积的声能就越小，声强也越小。—对于在自由声场中向四周均匀辐射声能的点声源来说，在距离声源r米处的声强为:I球=W/4πr2。—对于声源放在开阔空间的地面上，声波只能向半球而辐射时，其声强为:I球=W/2πr2。—⑶声功率:声源在单位时间内辐射出的总声能量称为声功率，用W表示。单位为瓦(W)。W=S*Ids式中:S为包围声源的封闭面面积，I为声强在微元面积ds法线方向的分量。将前面的一些公式代入上式，可得到球面和半球面声源的声功率为声功率只是声源总功率中以声波形式辐射出去的一小部分功率。声功率是表示声源特性的重要物理量它与声波传播的距离、环境等无关。声功率可以用测量声波辐射面上的声压和辐射面上的面积，计算得到声强，然后再换算成声功率。大连13噪声的物理度量-噪声的基本知识2.级的概念:—从听阈到痛阈，声压的绝对值之比是106：1，即相差1百万倍；声强的绝对值之比是1012：1，即相差亿万倍。用声压的绝对值表示声音的强弱，或用声强的绝对值表示声能量的大小很不方便。因此人们用一个成倍比关系的对数级来表示声音的大小，即声压级LP、声强级LI，和声功率级LW。这正如用级来表示风的大小、地震的强弱一样。它们的数学表达式为式中：p0=2*10-5N/m2，I0=10-12