毕业论文排气系统的分析与设计说明

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1、 . 毕业设计论文排气系统的分析与设计摘 要随着城市车辆的增多，噪声污染已经严重地干扰人们的生活。汽车排气噪声是汽车的主要噪声源之一,而汽车排气系统的性能决定着排气噪声的水平。故而，一套好的排气系统配备一个好的消声器是更好地降低发动机排气噪声的有效途径，因此对排气系统中消声器的设计越来越受到重视。本文通过对汽车排气系统的全面分析,评价该排气系统的整体性能,同时也研究了消声器以与排气系统的开发设计方法。 建立排气系统分析模型,应用有限元分析软件对汽车排气系统的声场特性进行计算,得到系统的声场分布情况,归纳出穿孔管的结构参数与消声器消声性能的影响关系。其仿真分析结果对排气系统整体性能的优化具有重要

2、指导意义。经过研究分析,总结出排气消声器的开发设计流程、典型消声结构的计算方法等,为下一步开发出可用于排气消声器设计与性能预测的软件提供了重要依据。关键词：汽车，排气系统，声学分析，噪声控制，消声器设计Analysis and design of the exhaustsystemABSTRACTAlong with the city vehicle increasing, noise pollution has seriously disrupt peoples lives.Automobile exhaust noise is one of the main noise source of

3、 automobile, and the automobile exhaust system performance determines the exhaust noise level.Therefore, a good set of exhaust system with a muffler is better for reducing engine exhaust noise effectively, so the exhaust system muffler design is being paid more and more attention.In this paper, base

4、d on the comprehensive analysis of the automotive exhaust system, the exhaust system performance, but also on the muffler and exhaustsystem designmethod.Establishment of the exhaust system analysis model, using finite element analysis software for automotive exhaust system characteristics of sound f

5、ield calculation, system field distribution, summarizes the structure parameters and the perforated tube muffler performance influence.The results of simulation analysis on exhaust performance of the whole system has important guiding significance for optimization.Through research and analysis, summ

6、ed up the development of exhaust muffler design process, typical anechoic structure calculation method as well as the exhaust system design methods and process development for the next step, which can be used for exhaust muffler design and performance prediction of software provides important basis.

7、KEY WORDS:Automotive，exhaust systems,acoustic analysis,Noise Control，the design of muffler40 / 45目录前言1第1章绪论3.1.1汽车排气系统的国外研究状况31.2本课题的主要研究目的与容4第2章汽车排气系统理论基础62.1汽车排气系统理论62.1.1汽车排气系统的基本要求62.1.2汽车排气系统的结构组成与其功能62.1.3汽车排气系统设计中的材料分析与其选择92.2汽车排气系统的声学分析112.2.1排气系统噪声发生机理112.2.2影响排气噪声的主要因素122.2.3降低排气噪声的主要方法13第

8、3章汽车排气系统消声器的开发设计153.1消声器的基础理论153.2汽车排气消声器分析设计方法163.2.1排气噪声的频率特性163.2.2消声器的设计指标的确定173.3消声器结构的确定183.3.1消声器的结构类型的确定183.3.2排气消声器进、出气管径、的确定183.3.3消声器容积与截面形状的确定193.3.4消声器外形尺寸L和D以与消声器腔数n的确定213.3.5消声器各腔长度的确定223.3.6消声器穿孔管扩腔结构参数确定233.3.7消声器各腔连接的确定243.4消声器声学性能分析方法243.4.1 一维平面波理论分析253.4.2 三维数值仿真分析方法253.5消声器空气动力

9、性分析计算273.6消声器的改进设计29第4章汽车排气系统消声器的设计304.1消声器结构基本参数的确定304.1.1 排气消声器进、出气管径、的确定304.1.2 消声器容积与截面形状的确定304.1.3 消声器外形尺寸L和D以与消声器腔数n的确定304.1.4消声器各腔长度的确定314.1.5 消声器结构参数确定结果324.1.6 插管布置方式与长度确定334.2消声器结构模型的建立334.3消声器最终结构的确定34结论35辞36参考文献37前言汽车工业的快速发展和交通的日益发达使得汽车保有量大幅增加，带+来的交通噪声污染也日益严重。据资料表明，城市噪声的80来源于机动车辆，各种机动车辆已

10、成为环境噪声的最大污染源。为了限制交通噪声污染，各国大都制定了严格的相关法规，而且每隔几年就要修改一次。并且随着汽车市场竞争越来越激烈，低噪声已经成为乘坐舒适性的一部分，与动力性、经济性和排放性一起成为了评价汽车品质的重要指标。发动机噪声是汽车的主要噪声源，要降低整车噪声，应首先从降低发动机噪声入手。排气噪声有事发动机的最大噪声源，它往往比发动机的其他噪声高1015dB。可见，控制排气噪声是重中之重。作为降低和控制汽车排气噪声的一种有效途径，消声器在汽车发动机排气系统中得到了广泛的应用。但消声器在降低排气噪声的同时增加了排气阻力，提高了排气背压，从而影响了发动机的动力性和经济性。因此，研究消声

11、量高、功率损伤小的排气系统消声器便成为降低汽车噪声，从而控制环境噪声的主要措施。传统的排气系统消声器设计主要是一维平面波理论，但该理论难以正确模拟三维波动效应等实际因素的影响，分析结果相对不准确。随着日益严格的噪声和排放法规的规定，排气系统的功能已不仅仅是单纯的将废气导出。对排气系统的要：在尽可能低的排气流动阻力下，排出尽量少的有害物质；并在车辆的特定部位，以尽可能低的热辐射，尽可能少的噪声排气。排气管表面不仅要光滑，流通断面不要突出，外形尽量符合气流流线。排气噪声是汽车与发动机中能量最大最主要的噪声源，除基频噪声与其高次谐波噪声外，排气噪声还包括排气总管和排气歧管中存在的气柱共振噪声、气门杆

12、背部的涡流噪声、排气系统管道壁面的紊流噪声等，此外，排气噪声还包括废气喷射和冲击噪声。排气噪声的控制策略主要是： (1)从排气系统的设计方面入手，如合理设计排气管的长度与形状，以避免气流产生共振和减少涡流。 (2)废气涡轮增压器的应用可降低排气噪声，但最有效的方法还是采用高消声技术，使用低功率损耗和宽消声频率围的排气消声器。本文对汽车排气消声器进行性能分析与设计，对设计高性能的消声器，降低汽车排气噪声有一定的重要意义。第1章 绪论.1.1汽车排气系统的国外研究状况排气系统在汽车的发动机上起着重要的作用，而消声器作为排气系统的一部分，作用更是不言而语。消声器是一种既能降低噪声又能使气流顺利通过的

13、设备。经过众多前人长期的研究，消声器的结构形式和计算方法都得到了不断完善。最早出现的是无源消声器，它包括阻性消声器、抗性消声器与阻抗复合式消声器。其中抗性消声器又发展为扩式消声器、共振式消声器、无源干涉消声器以与近几年我国学者研究出来的微穿孔板消声器等。二十世纪五十年代，国际上提出有源消声器的概念。但在我国应用最多的还是无源消声器。消声器的理论研究最早可追溯到1922年，美国学者Stewart率先应用声学滤波理论指导抗性消声器设计，利用集中参数近似算法分析消声器元件。这种原理只在声波远大于消声器尺寸时才成立。五十年代中期，Davis等人采用以为波动方程，利用截面突变处声压和体积振动速度的连续性

14、，计算了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔。五十年代后期，Igarashi等人利用等效电路的方法计算了消声器的传递矩阵。这种以四极参数为基础的传递矩阵法在不考虑流速和温度梯度的平面波围计算结果比较准确。针对气流对消声器性能的影响，各国学者导出了存在气流时的声传递矩阵，这就是线性声学的声波分析法。这些声传递的矩阵的建立依赖于以下五个假设：1、线性化假设；2、无损耗假设；3、均匀流动假设；4、均匀参数假设；5、平面波假设（一维近似理论）以上都是基于一维平面波理论对消声器部声场做近似的理论分析。当声波长远大于截面几何尺寸，且噪声频率不太高时，平面波假设与实际情况比较一致。但随着消声量要求的加大，消声器的结

15、构形式都比较复杂，截面几何尺寸一般都不会远小于声波波长，这时在扩腔出现了高次模式波，采用平面波与线性化家社会产生较大偏差，特别是当声波频率较高、波长相应较短时，这种偏差更明显。消声器在国的研究也经历了由早期的实验方法到一维平面波理论的辅助分析以与现在的三维数值模拟分析，从单纯考虑声学特性到考虑流速温度的影响过程。1994年理工大学的蔡超等用有限元方法计算了轴对称抗性消声器的传递损失，通过实验验证和声传递矩阵计算结果对比发现有限元具有较高的精度。1998年理工大学的季振林等使用传递矩阵和边界发计算了整个排气消声系统的四极参数，使用双负载法和特征线法确定发动机的声源阻抗和强度，实现燃机排气噪声和消

16、声器插入损失预测，并与实测结果相吻合良好。2003年大学的丁万龙用边界法对摩托车排气消声器进行了数值仿真分析，在实验验证的基础上提出了切实可行的方案。综上所述，在消声器声学特征和空气动力特性预测分析方面前人已做了大量的工作，在形成了很多好的理论和方法供我们借鉴和参考。相对来讲，我国在这方面起步较晚，要缩短我国和国外的差距，在提高消声器实验技术和试验设备，完善数值模拟方法方面我们都有待发展。1.2本课题的主要研究目的与容不同类型汽车的排气系统大都一样，但不同类型汽车发射的噪声功率和频谱特性有很大差异。由于物理性能上的差异，以与文化、传统和生活方式的影响，人们对噪声的接纳已经更多地加入了主观因素，

17、对消声器的性能提出了更高的要求。性能的影响因素。本文对单扩腔消声器进行分析研究，总结了消声器结构参数、气流温度、流速等对消声器综合性能的影响情况，为消声器的设计与改进提供为了设计出高性能的排气消声器，研究消声器综合消声依据。本文针对某一典型发动机排气系统，设计了消声器，预测了其综合性能。本文的具体容如下：1）总结当前排气系统的理论基础和消声器的设计理论方法，分析消声器声学性能与空气动力学性能的影响因素。2）采用基于相关声学分析的方法，分析消声器结构参数等对消声器部流场、声场等的影响，从而研究消声器中的流场、压力损失、再生噪声等对消声器性能的影响，为消声器的设计与改进提高依据。3）针对某典型发动

18、机，利用当前消声器的设计方法，确定消声器的结构尺寸和基本参数。4）预测分析各改进消声器的综合性能，选择综合最优的消声器结构，并绘制排气系统装配图和零件图。第2章 汽车排气系统理论基础2.1汽车排气系统理论2.1.1汽车排气系统的基本要求1）必须满足发动机的有关要求，如排气背压、功率损失等。2）排气系统中的元件不得承受由于重量、惯性力、元件的相对运动或由于过热膨胀产生的直径变化而引起的过大应力。3）排气系统必须能防止由于路边飞溅、下雨、冲洗或其他任何途径的水进入发动机或增压器。4）排出的废气必须扩散，以免对进气的清洁功能、冷却系统的效率、发动机合适的环境和运转产生不良影响。5）排气系统必须能使由

19、于发动机产生的噪声降低到符合相关法规要求的程度。2.1.2汽车排气系统的结构组成与其功能排气系统是客车底盘一个重要的组成部分。它的主要作用是将发动机工作时产生的废气排出，并且降低排气时所产生的噪声，减少环境污染和产生辅助制动。它的设计质量直接关系到客车的动力性、舒适性和安全性能。另外，它对发动机的使用寿命也会产生重要影响。排气系统从靠近发动机的方向开始，由排气歧管、前管、挠性管、催化转换器、中心管、主消音器和末端管等7个零部件构成。根据车种的不同，有的安装了数个催化转换器，有的安装了副消音器。客车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。客车排气系统主要用

20、于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆。1）排气歧管排气歧管，又叫排气支管，是发动机的一个重要组件，它的设计是一项很专业化的工作。排气歧管与发动机的匹配由发动机厂完成。作为客车生产厂家，只要买进发动机总成就可以了。发动机在工作过程中所产生的废气通过排气歧管进入排气管。它与排气管之间通过挠性法兰或者弹性波纹管联接。图 2-1 排气系统的组成2）前排气管排气管的主要作用是将发动机工作过程中所产生的废气排除。排气管不能因为自身的重量与产生的惯性、弯矩和相对运动或因其受热膨胀产生形变而影响排气歧管和涡轮增压器的正常工作，以至于过载产生附加应力，造成损坏。所以设计时要在其满足其刚度、强度的前提条件下，

21、要尽量使排气管的质量减轻，其材料可以选薄壁中碳钢钢板或者不锈钢钢板。当排气管过长时，要考虑增加辅助支撑来固定排气管，减少因排气管过长所产生的弯矩、扭矩对发动机排气歧管涡轮增压器产生影响。但是从另一方面来看，这样做又会影响排气歧管连接法兰的运动自由度。同时，为了减轻排气管的热膨胀应力，在排气管路采用热补偿装置。常用的热补偿装置一一般有两种形式：一种是采用弹性的波纹管；另一种是挠性连锁式接管。这两种方式各有特点。弹性波纹管的的密封性能比较好，但它的热补偿性较差，使用寿命不长，而且它的价格相比也较贵，相比之下，挠性连锁式接管的热补偿性和使用寿命都好于弹性波纹管,但它的密封新不太好。在设计时，应根据具

22、体要求来选择。3）催化反应器为减少汽车排出的废气对空气的污染，安装了被称作“催化转换器”的排气净 化系统。催化转换器安装在排气歧管下面或底盘下面等，因此要能够经受住高温和 振动等苛刻条件的考验。对于催化载体，在使用了铁素体系不锈钢箔材制作的金属 载体。使用铁素体系不锈钢箔材的原因是它的热冲击特性小且热容量小的缘故。金 属载体由采用不锈钢钢箔制作的蜂窝状型芯和采用不锈钢钢板制作的外壳构成。蜂 巢上的型芯是把平箔材和波浪状箔材卷起后通过钎焊等焊接结合而成的。外壳要求 具有高温强度、耐高温盐害性加工性。4）消声器排气消声器是一种既能让气流通过，又能消除或减弱排气噪声的有效装置，是控制气流噪声的主要装

23、置。它是控制气流噪声的一种主要方法。一个好的消声器在其工作气流的温度、压力环境下，在需要的频率围应有效的消声效果和较小的阻力损失。也就是说，其插入损失要大，功率损失要小。另外，在消声器空腔，一般要发生许多共振，因而在高频区域要产生较多的通过频率，消声器的效果也就变得复杂起来。考虑到柴油机排气噪声中高频程（250Hz400Hz）上的噪声最高，所以，对消声效果要求较高的消声器可以在腔衬以吸声材料。同时，消声器体积要小，结构要简单合理、坚固耐用。因此，需合理选择消声器的形式和主要参数。5）排气尾管发动机的末端管的设计必须合理，必须保证客车排出的尾气不至于吹到车身上，也不能是排出的尾气被吸进空气滤清器

24、，影响发动机的工况。末端管设计的合理性和美观性将影响客车整体的设计质量和外观性。在设计排气尾管的时候，为了有效控制排除尾气的排出方向，可以将尾气排器口设计成“鸭嘴”行或者是朝下45度开斜口。2.1.3汽车排气系统设计中的材料分析与其选择1）排气歧管汽车排气歧管使用的氏球墨铸铁，但随着发动机性能的提高，排气温度会上升，且由于对减轻零部件重量的需要，因此不锈钢的使用量正不断增加。 排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。奥氏体系不锈钢的高温强度好，但容易发生氧化皮剥落，因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。另一方面，铁素体系不锈钢的抗氧化性好，但高温强度不如奥氏体系不锈钢。热膨胀系数

25、小的铁素体系不锈钢在热疲劳特性方面是有利的。因此，铁素体系不锈钢钢种主要可用作排气歧管。初期为适应排气温度为800左右的需要，使用的是YUS409D（11Cr-TI）。其后，由于排气规定的强化，为适应排气温度的升高，采用了高温特性好、添加19%Cr-Nb的YUS180（19Cr-Nb）。再后来，由于在高温特性的基础上又对经济性提出了要求，于是开发了优化成分的YUS450-MS（14Cr-0.5Mo-Nb-Ti）。另一方面，近年来随着排气规定的强化，排气温度变得更高，如果达到950，以往的材料就无法适应，因此开发了增加Cr和Nb添加量、再添加Mo，以此提高抗氧化性和高温强度的YUS190-EM（

26、19Cr-2Mo-Nb-Ti）。新日铁生产的排气歧管材料（YUS450-MS和YUS190-EM）的特征在于Nb-Ti的混合添加。由此可以提高高温特性，尤其是可以提高热疲劳特性。根据合金元素对铁素体系不锈钢在950时0.2%屈服强度的影响可知，Nb、Mo、W和Ta有助于提高屈服强度，尤其是添加少量的Nb，效果更好。另外，Mo和Nb在固溶状态下有助于高温强度化。但是，Nb在高温下长时间使用过程中会析出碳化物和莱夫斯相，固溶Nb会随着时间推移而下降，高温强度也会下降。因此，为抑制这种固溶Nb量的下降造成高温强度下的下降，研究了Nb-Ti混合添加的作用。根据Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在90

27、0时的0.2%屈服强度随900时效变化的曲线可知，Nb-Ti混合添加钢伴随时效的强度下降小。这是由于添加Ti可抑制粗大Nb碳化物（M6C）析出的缘故。具有高温强度的14Cr系Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在约束率变化后热疲劳试验的结果表明，在100%约束的情况下，Nb-Ti混合添加钢有时高温强度低，热疲劳寿命比Nb单独添加钢的短。但是，当约束为50%时，Nb-Ti混合添加钢的热疲劳寿命会大大延长，超过Nb单独添加钢的热疲劳寿命。可以认为这是由于当约束率降低时，热疲劳强度在总体上会提高，由于延长在高温下的保持时间，如果是在采用上述Nb-Ti混合添加钢，它能通过添加Ti抑制Nb碳化物的析出，

28、使高温下热疲劳强度下降变小的缘故。实际汽车排气系统零部件材料会因周围部件的影响而在约束状态下承受反复的热滞后，所以其热疲劳特性是很重要的，但在实际中是无法获得100%约束率，因此在约束率低的情况下Nb-Ti混合添加对提高热疲劳特性非常有效。作为今后的发展趋势是，排气温度将继续升高，因此需要高温度和热疲劳特性更好的材料。另外，由于排气歧管具有复杂的形状，因此希望提高成形性，使加工变得更加容易。2）前管前管使用的材料有SHU409L、SUS436L（17Cr-1Mo-LC，N），SUS430J1L等铁素体系不锈钢，但在采用中空双重时，还有的使用奥氏体系不锈钢作管。作为今后的发展趋势，低成本、抗氧化

29、性和热疲劳特性好的铁素体系不锈钢毫无疑问将成为主流。尤其是，由于排气温度的高温化和管子的薄壁化，可以认为将采用高温性能更好的钢种。3）催化转换器对于催化转换器用箔材的要抗氧化性要好，因此使用了Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢。具有代表性的钢种是Fe-20Cr-5Al合金。为提高氧化皮膜的密封性，还有的添加了少量Hf、Y、Ce等稀土类金属元素（REM）。今后对抗氧化性的要求将会进一步提高。对于催化转换器的外壳，大部分是使用SUS430（17Cr）系不锈钢，但随着排气温度的升高，目前还有的正在使用SUS430J1L或SUS429系等高温特性更好的铁素体系不锈钢。4）主消声器各种不锈钢耐冷凝水腐蚀性的

30、比较结果表明，在有盐化物共存的条件下，容易发生点腐蚀。为抑制在这种环境下发生点腐蚀，有效的办法是添加Cr和Mo，基于这一点考虑，目前正在加快材料的开发。作为外面都处于严酷腐蚀环境下的主消音器用材料，以往使用的是热浸镀铝钢板和SUS410L与YUS409D，但目前正采用耐蚀性更高的不锈钢予以替代。最初采用的是高Cr、耐蚀性好的YUS180和减少Si含量、提高加工性的YUS180S。其后，随着实际消音器用材料在腐蚀环境下评价的发展，提出了各种与之相应的不锈钢评价试验法。新日铁提出了半浸渍加热循环试验法（下称NSC试验法）。采用这种方法能对接近实际环境下的消音器用材料耐蚀性进行评价。结果可知，添加C

31、r和Mo能有效地抑制不锈钢在冷凝液中发生局部腐蚀，于是开发了YUS436S（17Cr-1.2Mo-Ti）。该钢的特征是通过优化Cr和Mo的添加量，抑制了决定消音器寿命的点腐蚀的发生和扩大，另外为固定碳化物，不选择添加Nb，而是选择添加Ti，因此采用高效率的普通钢生产工序（采用串列式轧机冷轧-连续退火-酸洗）就能生产出。目前，YUS436S正被广泛用作排气系统用零部件。最近，由于降低成本的需要，正重新看待实际消音器的腐蚀环境，随之液正在进行相应的材料选择，有的已开始使用YUS432（17Cr-0.5Mo-Ti）。出于美观和防腐的需要，有的外壳或末端板采取镀铝处理。5）排气尾管由于末端管的使用温度

32、低，因此从材料的性能来看，使用镀铝钢板就可以了，但是，从图案性的方面来看，有的使用SUS409L和SUS430系等高纯度铁素体系不锈钢，有的则使用奥氏体系的SUS304不锈钢。在对图案有特别要求的情况下，还有的使用镀Cr不锈钢钢管或热浸镀铝不锈钢钢管。2.2汽车排气系统的声学分析2.2.1排气系统噪声发生机理发动机的排气过程按照排气气流的流速可分为自由（或称超临界）排期阶段和强制（或称亚临界）排气阶段。当排气门开启时，高温高压的排气由气缸已接近当地声速的流速排入排气管中，在排气门附近发生压力剧变，形成强烈的压力扰动波。压力波在气缸发生多次反射，产生强烈的噪声。影响排气噪声的主要因素有：气缸压力

33、、排气门直径、发动机排量以与排气门开启特性等。排气噪声一般包含以下成分：基频排气噪声、气柱共振噪声、涡流噪声、废气喷注和冲击噪声、紊流噪声等。2.2.2影响排气噪声的主要因素1)发动机转速和负荷对排气噪声的影响影响排气噪声的主要因素是：气缸压力、排气门直径、法定与排量以与排气门开启特性等。对同一台发动机来说，影响排气噪声最大的因素是发动机的传递和负荷。以一台4缸、2升的柴油机，在空负荷、不同排气系统时的排气噪声与传递作比较。由相关数据显示，当转速增加一倍时，排气噪声增加1214dB；不同的排气系统对噪声级随转速变化的影响不大。由于排气压力与发动好几负荷密切相关，因此，排气噪声在空负荷和全负荷时

34、差别较大。由相关数据显示，几种不同的发动机在转速增加一倍时，空负荷的排气噪声增加1014dB，二全负荷时的排气噪声仅增加59dB。这就说明发动机在全负荷时，各转速下的排气压力变化是不大的。综合试验数据得出排气噪声与发动机转速、平均有效压力、发动机排量的关系如下：四冲程汽油机：L=28lgn+20lgPe+15lgVh+K1四冲程柴油机：L=25lgn+20lgPe+13lgVh+K2式中，n为发动机转速，r/min； Pe为平均有效压力，kgf/ cm2; Vh为发动机排量，l; K1、K2为与发动机结构有关的常数。2)不同类型发动机排气噪声的比较 同等功率的二冲程机比四冲程机的排气噪声大，主

35、要原因是：二冲程机为了充分换气，一般比四冲程机排气开始时刻早，因而排气开始时气缸压力较高，故排气噪声大些。二冲程机通常转速较高，单位时间平均换气量比四冲程机多，排气次数也多一倍，因此产生的气流声和涡流声大，频率也高。为了保证扫气效果，二冲程发动机不宜采用结构复杂的消声器。柴油机一般比汽油机的排气噪声大，这是因为：柴油机工作时，最高爆发压力和压力增长率均比汽油机的高，因此，同等功率相比，柴油机排气噪声较大。同一功率的发动机，往往汽油机的缸数较多，因而改善了排气系统中的气流脉动。3)涡轮增压对排气噪声的影响采用涡轮增压后，由于气门开启瞬间所产生的噪声通过涡轮机之后，其能量将有很大衰减，再自涡轮机排

36、气口排出时噪声将明显降低。这是非增压四冲程机明显的低频部分的基频噪声消失了，而涡轮机本身所具有的高频涡流噪声仍然具有较高的噪声。2.2.3降低排气噪声的主要方法1) 从噪声源本身采取措施这需要从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，但这些措施往往又要涉与到排气系统，如凸轮轴、气门机构以与气缸盖的设计，而这些又要影响到燃机其他方面的性能，因而需要综合考虑并进行大量的试验研究。主要工作集中在不改变发动机性能和排气系统不做大的改变的情况下，采取一些措施来降低声源噪声“诸如：改变排气歧管的布置，使吹过管口的气流方向与该管的轴线方向夹角保持在最不易策动该管发生共振的角度围；合理设计各支管的长度，使管的声共

37、振频率错开，使各排气支管管口与各管之间连接处都有较大的过渡圆角，减小界面突变，避免管口存在尖锐的边缘，以减弱声共振作用；提高排气门杆、气门歧管和排气道壁面的光洁度，以减小紊流附面层中的涡流强度；在保证排气门刚度和强度的条件下，尽可能地减小排气门杆直径，等等。2) 从噪声源外围采取措施 噪声减振措施包括采用消声器和控制由发动机排气歧管传来地机械振动，这些措施的采用不影响发动机的性能，又比较容易实现，其中最主要、最有效、最简单的是采用排气消声器。隔离排气歧管传递的振动隔振是一种有效的降低噪声的方法。将软弹性管装在排气歧管和前排气管之间，以便隔离由排气歧管传来的振动用消声器消声现在用得最普遍的方法是

38、安装消声器消声，消声器消声与其它消声方法相比更具有针对性，它可针对峰值频段制定消声策略，其实际效果也随着消声器设计技术的发展而最为显著，这也正是本文所研究的主要容。第3章 汽车排气系统消声器的开发设计3.1消声器的基础理论3.1.1消声器的基本工作原理汽车消音器的原理就是其排气管是由两个长度不同的管道构成，这两个管道先分开再交汇。由于两个管道的的长度差值等于汽车所发出的声波图3-1 汽车消声器波长的一半，使得两列声波在叠加时发生干涉时相互抵消而减弱声强，使声音减小，从而起到消音的效果。 3.1.2消声器的分类与结构形式阻性消声器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。把吸声材料固定在气流通道的壁上

39、或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。阻性消声器就好象电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。因此，人们就把这种消声器称为阻性消声器。阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。 抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，好象是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。与电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。当包含有各种频率成分的声波进

40、入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔只能在小室中来回反射，因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。选取适当的管和室进行组合就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。抗性消声器适用于消除中、低频噪声。 把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器。微穿孔板消声器一般是用厚度小于1mm的纯金属薄板制作，在薄板上用孔径小于1mm的钻头穿孔，穿孔率为1%一3%。选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消声器的频谱性能，使其在需要的频率围获得良好的消声效果。小孔消声器

41、的结构是一根末端封闭的直管，管壁上钻有很多小孔。小孔消声器的原理是以喷气噪声的频谱为依据的，如果保持喷口的总面积不变而用很多小喷口来代替，当气流经过小孔时、喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频，使频谱中的可听声成分明显降低，从而减少对人的干扰和伤害。有源消声器的基本原理是在原来的声场中，利用电子设备再产生一个与原来的声压大小相等、相位相反的声波，使其在一定围与原来的声场相抵消。这种消声器是一套仪器装置，主要由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成。3.2汽车排气消声器分析设计方法3.2.1排气噪声的频率特性燃机工作时，废气以脉冲的形式从排气缝隙中喷出，产生能量很高、频谱很复杂的噪声。

42、这种噪声呈现出明显的宽频带特征，随着燃机结构、种类以与燃机转速等的不同，将会有不同形状的频谱。燃机的排气噪声一方面通过气道的气体传播，另一方面激励气道壁振动，产生二次噪声。排气噪声的组成主要分为：低频脉动噪声、排气管道的气柱噪声、气缸的赫尔姆霍茨共振噪声、高速气流在通过排气门环隙与曲折的管道时所产生的喷注噪声、涡流噪声以与排气系统在管压力波激励下所产生的再生噪声形成连续性高频噪声。汽车的排气噪声呈明显的低频性，能量主要集中在基频与其倍频的围；中频围主要是排气管气柱震荡的固有噪声；高频围主要包括燃烧噪声和气流通过其口的空气动力噪声，频率在 I000Hz 以上，并且随气流速度增加，频率显著提高。大

43、量实验表明，排气噪声的强弱与燃机的类型、排量、功率、转速、平均有效压力和排气口的面积直接相关，且气噪声随排量、转速、功率、平均有效压力的增加而提高。燃机周期性燃烧过程和进、排气门开闭时所产生的低频脉动冲击噪声的基频与其谐波频率： （3-1） 式中 N为燃机主轴转速；i为气缸数;k为谐波序数；为冲程系数，对于二冲程 =1 ，四冲程= 2。 3.2.2消声器的设计指标的确定由于汽车排气消声器需要在不同负荷、不同转速下工作，这就要求排气消声器在不同温度、流速下，在宽频带围具有较高的消声值，较低的功率损失.重要的是选择合理的设计指标.国际上评价汽车噪声通常采用以一定工况加速或匀速行驶时产生的A计权整车

44、噪声级作为评价量.汽车噪声是一个典型的综合噪声源，包括排气噪声、发动机噪声、车体振动噪声等.排气消声器的功能仅是降低排气噪声.消声量过大，牺牲发动机功率和增加成本，并不能进一步降低整车噪声.反之， 消声器的消声量过小， 排气噪声仍是主要噪声源，达不到降低整车噪声的目的.消声器的合理设计指标取决于车辆类型和其它噪源的强度.针对我国汽车噪声的现状，表 3.1所列各类消声器推荐设计指标是合理可行的。表3.1各类消声器推荐设计指标 车辆类型插入损失IL.dB(A)功率损失比.%摩托车20255载重汽车20255工程车辆15305大中型客车25305小轿车30403000 rpm,这时第一腔长度L1主要

45、应考虑中低频成分中最突出的噪声频率。即对发动机直管噪声的分析，根据直管排气声频谱合理选择第一腔对应的中心频率。第一腔的长度 L1应取其中心频率波长的 1/4, （3-13） （3-14）式中：C 为膨胀腔声速(m/s)，Te为标定功率时排气温度(K)。 第一腔长度 L1 确定之后,第二腔长度 L2、第三腔长度 L3 等便可相继确定。L2=L1/2,L3=L2/2。目的是为了实现消除低、中、高频噪声的全频消声。 确定各腔长度后， 还应将由各腔长度确定的总长与有扩比 m 和消声器容积确定的总长综合比较，若有矛盾还需做微量调整以最终确定能实现两者协调的消声器外形尺寸 L 和D以与各腔长度 等各尺寸参

46、数。 确定消声器各尺寸参数后，还需根据公式（3-15）和（3-16）确定消声器消声频率的的上下限。 (3-15) (3-16)式中：c为扩腔声速(m/s） ；D为扩室截面特征尺寸(m)；f0 为消声器共振频率；s 为扩腔的横截面，L为消声器各腔的长度，V为消声器各腔对应的容积。3.3.6消声器穿孔管扩腔结构参数确定由于扩腔结构的低频消声效果不是很理想，往往设计消声器时需要将扩腔结构与穿孔管共振腔结构相结合，以弥补扩腔结构低频消声量不足的缺陷。 共振腔消声器是由一段开有若干小孔的管道和管外一个密闭的空腔所组成。小孔和空腔组成一个弹性振动系统,当气流的声波频率和共振腔振动系统的固有频率一样时,这个

47、振动系统就发生共振,孔颈中具有一定质量的空气柱运动速度加快,摩擦阻力增大,大量声能转化为热能而消耗掉,从而达到消声的目的。共振腔消声器的共振频率见公式（3-17） (3-17)式中：C声速;V共振腔体积;G传导率,是一个以长度为单位的物理量由公式（3-18）确定。 （3-18 )式中：d为孔径;t为板厚。工程设计中,穿孔管的消声量可按公式（3-19）计算。 （3-19）式中，k为与共振腔消声器消声性能有关的无量纲常数。 （3-20）式中，S为消声通道截面积。由公式（3-17） 、 （3-8）可确定穿孔直径。由公式（3-19） 、 （3-20）可知穿孔直径直接影响着穿孔管的消声性能，实际上穿孔管

48、的消声特性有与穿孔管的位置与穿孔率有关。3.3.7消声器各腔连接的确定由一维声波理论得到简单扩腔村在通过频率，可以通过采用插入管与多节扩腔串联。 消声器各腔的长度确定之后， 腔与腔之间可用管子或开小孔连通，只要流通面积一定，本质上无多大差别。采用插入管连接时，插入管的长度为 L/2可以消除偶数倍通过频率，而插入管长度为 L/4 可以消除奇数倍通过频率，故插入管连接时，其插入管长度可用 L/2 和 L/4 相互匹配，实际应用时，插入管长度可比计算长度减少(0.30.4)d（其中，d为插入管径） 。试验证明，中心对正插入管的性能差些，插入深度越大，阻力系数越大，性能下降越多。随着两插入管的接近，高

49、速脉动气流越不能在消声器中得到充分膨胀，排出气体仍以脉动形式从排气管中排出，出入口处排气产生的涡流越强，因而在某些频率形成再生噪声。因此，最好是采用错开式插管，它能避免简单膨胀腔出现通过频率的缺点，又能使气流在消声器得到充分的膨胀，因而消声性能较好。3.4消声器声学性能分析方法由于消声器的声学性能评价指标中传声损失反映的是消声器本身的传递声波特性，不受声源管道系统和消声器之后尾管的影响，故对消声器进行理论分析和设计计算时，采用传声损失比较方便。消声器声学性能分析方法主要有：基于一维平面理论传统的消声结构分析法和三维数值仿真分析方法。3.4.1 一维平面波理论分析如果消声元件的轴向尺寸比其径向尺

50、寸大得多，为便于分析，将部声波近似简化为平面波，即声压只与一个轴向位置有关。则波动方程简化为：对于角频率为的简谐波，其一般解为：式中，号表示反向声波，号代表正向声波。A 为声压幅值， 为初始相位角。3.4.2 三维数值仿真分析方法在消声器截面几何尺寸较小,且噪声频率不太高时， 一维平面波理论分析法是适用的;但噪声频率提高后,在消声器扩室存在有高阶模式波,而且由于实际的排气消声器具有复杂的结构,其部声波本质上是三维的。 三维数值方法在整个求解域上使模型离散化,并求解波动方程,不需对波动方程和边界条件进行简化,能够比较直观和准确地分析复杂的消声结构，故三维数值方法在计算传声损失方面得到了广泛的应用

51、和发展。传声损失的计算方法主要有传统法、四极传递矩阵法、三点法等三种。本文利用声学计算软件 SYSNOISE 进行声场分析，并采用三点法计算分析消声器的传声损失1） 传统法传声损失的定义是入射声功率和传播声功率之比。假设消声器进口和出口截面相等,空气温度和密度不发生改变,则传声损失可表达为 （3-21）式中, 为直管进口的入射声波声压均方根； 为消声器出口的透射声波声压均方根； 、 别通过计算直管和消声器两个模型得到,直管和消声器分别需要施加一样的边界条件,即进出口管施加c(、c 分别为空气密度和声音在空气介质中的传播速度)的阻抗,同时进口管施加单位振动速度。2） 四极传递矩阵法使用四极传递矩

52、阵法需要计算进出口声压和振动速度,矩阵形式的方程为式中,、 分别为消声器进口和出口声压;、 分别为消声器进口和出口振动速度,并且： (3-23)四极传递矩阵法的传声损失为 (3-24)3） 三点法为了提高消声器传声损失的计算速度,WAN 提出了三点法。三点法类似于用在传声损失测量的四传声器法,与传统的四极传递矩阵法相比,它仅需要单个边界类型来获得每个频率下的传声损失。故本文有限元法分析计算传声损失时采用的方法便是三点法。消声器进口需要均匀的速度或声压来获得激励,只要在进口管和出口管高阶模态不被激起,认为声波为平面波。出口管需要施加吸声终端和c的阻抗,这样由于吸声终端出口管仅有透射声波。如图3.1所示。其中,3点为出口管上的点,透射声压,进口管的声波包括入射声压和反射声压,1点和2点分别是进口管上的两点,z1和z2是两点消声器轴向坐标。在进、出口管道中，我们认为声波