（机械设计及理论专业论文）汽车排气系统的降噪特性理论研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h en o i s er e d u c t i o no fa n a u t o m o b i l e se x h a u s t s y s t e m a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h e nb i n a d v i s e db y y i nm i n g d e s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 7 i h 0i卜j s 。弋蜮曩温冒罗 ：、， 4 v u 承诺书 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： e l 期： i ，j，v | 一 上， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高，人们对生活质量的要求日益提高。汽车的噪声不仅是影响其舒 适性指标的重要因素，而且也是评价其性能指标的重要指标之一。在汽车开发设计时，若能降 低汽车的噪声，不仅可以提高汽车乘坐的舒适性，而且可以提高产品竞争力。对用户而言，可 以更好的享受汽车带来的舒适。本文将对汽车排气系统的降噪进行研究。 首先介绍了噪声的危害及现有排气系统的国内外发展状况。主要针对消声器这一主要消声 元件做了详细介绍，对消声器分类及其评价指标做了说明。并介绍了声学基础和计算流体力学 基础，为后面的声学特性分析奠定了基础。 本文以南京依维柯汽车有限公司某发动机匹配的排气系统为原型，在c a t i a 中建立了原排 气系统模型，包括催化器、波纹管、连接管、前消声器及后消声器等，并装配成整个排气系统 模型。然后利用h y p e r m e s h 进行前消声器和后消声器空气模型的网格前处理，再导入到 s y s n o i s e 里进行声学特性分析。对原排气系统进行分析，结果表明，前消声器和后消声器的 降噪特性不理想。根据分析结果，对原排气系统的前消声器和后消声器分别提出了几种改进方 案，并分别进行了传递损失分析。经比较分析，最终确定改进方案，提升了原消声器的降噪效 果。 文中对排气系统的数值模拟不仅积累了一定的改进经验和改进方法，而且为发动机排气系 统的性能预测提供了一种比较有效的分析方法。 关键词：汽车，排气系统，消声器，有限元，传递损失，c a t i a ，h y p e r m e s h ，s y s n o i s e ， m a t l a b 汽车排气系统的降噪特性理论研究 a b s t r a c t a sp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d si m p r o v e ，p e o p l em a k eh i g h e rd e m a n d so nt h eq u a l i t yo fl i f e t h e n o i s ei sn o to n l ya ni m p o r t a n tf a c t o rt h a t a f f e c t sac a r sc o m f o r t ，b u ta l s oa ni m p o r t a n ti n d i c a t o r so fa a u t o m o b i l e sp e r f o r m a n c e i nt h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fac a r , i ft h en o i s ec a l lb er e d u c e d , t h e c o m f o r ta n dt h ec o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t sc a nb ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r , t h en o i s er e d u c t i o no fa a u t o m o t i v ee x h a u s ts y s t e ma r es t u d i e d f i r s t , t h en o i s eh a z a r da n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee x h a u s ts y s t e ma th o m ea n da b r o a da r e d i s c u s s e d t h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o no fm u f f l e r , w h i c hi st h em a i nc o m p o n e n ti ne x h a u s ts y s t e ma r e e l a b o r a t e da n dt h ec l a s s i f i c a t i o na n de v a l u a t i o ni n d i c e so fm u f f i e ra r ei n t r o d u c e d t h ea c o u s t i cb a s i s a n df o u n d a t i o no fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa r ea l s oi n t r o d u c e d ，w h i c hl a yag o o df o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n gs t u d yo fa c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h em o d e lo fe x h a u s ts y s t e mm a d eb yn a n j i n gi v e c oa u t o m o b i l ec o l t d b r a n c h 锄他 e s t a b l i s h e di nc a t i a ，i n c l u d i n gc a t a l y t i cc o n v e r t e r s ，c o r r u g a t e dp i p e ，c o n n e c t i n gp i p e ，p r e - a n d p o s t - m u f f l e rm u f f l e r n e x t , h y p e r m e s hi se m p l o y e dt og e tt h ea i r 鲥dm o d e li np r e - m u f f l e ra n dr e a r m u f f l e r , t h e nt h e 鲥dm o d e li si m p o r t e di n t os y s n o i s ew h e r et h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i cw i l lb e a n a l y s e d t h eo r i g i n a le x h a u s ts y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r c - m u f f l e ra n dr e a r m u f f l e rn o i s er e d u c t i o nf e a t u r ei sn o ts a t i s f a c t o r y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，s e v e r a li m p r o v e m e n t sa r e p r o p o s e da n dt r a n s m i s s i o nl o s sa n a l y s i sa r ec a r r i e do u t a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h ef i n a l o p t i m i z a t i o ns o l u t i o n sa r ed e t e r m i n e d ，w h i c hc a nd i s t i n c t l yi m p r o v et h ee f f e c to ft h eo r i g i n a lm u f f l e r n o i s er e d u c t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i sp a p e rc 国t na c c u m u l a t es o m ei m p r o v e d e x p e r i e n c e sa n d i m p r o v e dm e t h o d s w h a t sm o r e ，ae f f e c t i v em e t h o df o rt h ec h a r a c t e r i s t i c sp r e d i c t i o no ft h ee n g i n e s e x h a u s t s y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：c a r , e x h a u s ts y s t e m ，m u f f l e r , t r a n s m i s s i o nl o s s ，c a t i a ，h y p e r m e s h , s y s n o i s e ， m a t l a b 1 i i ， j 1 确 0 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及问题的提出一1 1 2 排气噪音的组成及降噪研究的意义1 1 2 1 排气系统噪音源l 1 2 2 降噪研究的意义2 1 3 发动机排气噪音的研究现状。2 1 4 论文研究的内容、目的。7 第二章排气系统分析中的基础理论及分析方法。9 2 1 声学基础。9 2 1 1 声学的基本概念9 2 1 2 声学方程的建立。l o 2 1 3 声级的评估1 l 2 2 排气噪声理论1 3 2 2 1 基频噪声：1 3 2 2 2 气柱共振噪声1 3 2 2 3 喷柱噪声、涡流噪声1 4 2 2 4 亥姆霍兹共振噪声1 5 2 3 管道声学基本理论1 5 2 4 计算流体力学理论基础1 6 2 4 1 流体的基本性质1 6 2 4 2 流体流动的基本方程1 7 2 4 2 1 连续性方程1 7 2 4 2 2 运动方程一l8 2 4 2 3 能量方程l9 2 4 2 4 状态方程2 0 2 5 边值问题与有限元方法的应用2 0 2 5 1 边值问题2 0 2 5 2 有限元方法_ 21 汽车排气系统的降噪特性理论研究 2 6 本章小结2 4 第三章基本消声元件及典型结构的有限元分析2 5 3 1 消声器的用途与分类2 5 3 1 1 消声器的用途2 5 3 1 2 消声器的分类2 5 3 2 消声元件的评价指标2 6 3 2 1 声学评价指标2 6 3 2 2 空气动力学评价指标2 8 3 2 3 机械性能评鉴指标2 9 3 3 抗性消声器的数值分析2 9 3 3 1 简单扩张腔研究2 9 3 3 1 1 简单扩张腔的理论研究3 0 3 3 1 2 典型简单扩张腔的理论计算与数值分析3 2 3 3 2 穿孔板共振吸声结构研究3 4 3 3 2 1 共振式消声器的理论分析3 5 3 3 2 2 利用传递阻抗率来模拟穿孔板共振吸声结构3 5 3 3 2 3 验证算例3 8 3 4 阻性消声器分析_ 4 2 3 5 本章小结4 3 第四章原发动机排气系统性能分析4 4 4 1 排气系统模型的建模4 4 4 2 声场计算模型的建立4 7 4 2 1 前消声器的声学特性分析4 9 4 2 2 后消声器的声学特性分析5 2 4 2 3 消声器的整体声学性能分析5 5 4 3 本章小结5 8 第五章排气系统的改进优化一5 9 5 1 改进目标的确定5 9 5 2 前消声器的改进优化5 9 5 3 后消声器的优化6 3 - 1 j i | 善 南京航空航天大学硕士学位论文 5 4 改进方案的整体分析6 7 5 5 本章小结7 0 第六章结论7 l 参考文献7 3 至贮谢7 6 在学校期间的研究成果及发表的学术论文7 7 附录am a t l a b 传递损失生成程序7 8 附录b 等效传递阻抗率计算步骤7 9 附录ci m p e d a n c e 数据表8 0 汽车排气系统的降噪特性理论研究 图清单 图1 1 汽车排气系统的声辐射4 图1 2 最小化油底壳的噪声辐射4 图1 3 双模态消声器5 图1 4 排气系统有无控制时尾管噪声的比较6 图2 1 管道中的声波1 5 图2 2 有限元简图2 l 图3 1 简单扩张式消声器结构3 0 图3 2 简单扩张式消声器消声频率特性3 1 图3 3 抗性消声器的二维尺寸3 2 图3 4 抗性消声器有限元图3 3 图3 5 抗性消声器的传递损失曲线3 3 图3 6 亥姆霍兹共振腔3 4 图3 7 多穿孔共振式消声器3 5 图3 8 穿孔板薄壁模型3 5 图3 9 正方形均布的穿孑l 3 7 图3 1 0 正六边形均布的穿孔3 7 图3 1 l 穿孔消声器二维模型3 8 图3 1 2s y s n o i s e 中阻抗数据表的实部和虚部3 9 图3 1 3s y s n o i s e 中p 和k 数据实部和虚部表图线4 0 图3 1 4 模型施加边界条件：速度( 紫红) ，阻抗( 棕色) ，传递阻抗率( 青色) 4 0 图3 1 5s y s n o i s e 计算的传递损失曲线4 l 图3 1 6j w s u u i v a n 和m j c r o c k e r 的试验测量结果4 l 图3 1 7 阻性消声器示意图4 2 图4 1 预催化器4 4 图4 2 波纹管4 5 图4 3 催化器4 5 图4 4 前消声器4 5 图4 5 后消声器4 6 图4 6 排气消声系统的整体三维几何模型4 6 - ， 4 兽 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 7 前消声器的三维几何模型4 7 图4 8 后消声器三维几何模型4 7 图4 9 前消声器内部空气有限元模型5 0 图4 1 0 原前消声器四个频率点声压分部图5 l 图4 1l 前消声器的传递损失曲线。5 2 图4 1 2 后消声器内部空气的有限元模型。5 3 图4 1 3 原后消声器声压分部图5 4 图4 1 4 原后消声器传递损失曲线5 5 图4 15 前后消声器整体的有限元模型。5 6 图4 1 6 原前、后消声器共同作用声压分布。5 7 图4 1 7 前消声器，后消声器及整体传递损失曲线。5 7 图5 1 前消声器改进方案一6 0 图5 2 前消声器改进方案一的声压分布图6 0 图5 3 原消声器和改进方案一的传递损失对比6 l 图5 4 前消声器改进方案二6 2 图5 5 改进方案二的声压分布图6 2 图5 6 原消声器，改进方案一，改进方案二的传递损失比较6 3 图5 7 后消声器改进方案一6 4 图5 8 后消声器改进方案一声压分布“ 图5 9 改进方案一和原后消声器比较6 5 图5 1 0 后消声器改进方案二。6 6 图5 1 l 后消声器改进方案二声压分布。6 6 图5 1 2 改进方案二、改进方案一和原消声器比较。6 7 图5 1 3 改进方案二整体声压分布6 8 图5 1 4 前消声器方案二、后消声方案二、改进方案二整体传递损失。6 8 图5 1 5 原消声器整体和改进方案整体作用比较。6 9 一 汽车排气系统的降噪特性理论研究 = 二一一 表清单 表2 1 声级参考值1 2 表4 0 ! 空气和吸声材料相关物理量的温度指数4 5 表4 2 空气和吸声材料的属性5 4 - - l 毒 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 随着科学技术的不断发展和人们生活水平的不断提高，汽车作为为人类提供方便的交通工 具，越来越多的走进人们的家庭。但是，在它给人类提供方便的同时，也带来了尾气污染和噪 声污染。对于尾气污染的控制，我们国家乃至于整个世界都在开发新能源无污染的汽车。而由 车辆所带来的噪声污染也在日益加剧，严重影响了广大人民群众的身心健康，因此噪声控制已 成为环境保护的一项重要内容。据统计，城市环境噪声的8 0 来源于机动车辆，各种机动车辆 已成为环境噪声的最大污染源。为了限制交通噪声污染，各国都制定了严格的汽车噪声允许法 规。2 0 0 2 年e c e 颁布了更为严格的法规，对于m 1 类轿车的限值已降低到了7 1 d b ，我国对 m 1 类汽车的规定值为7 4 d b 1 l 。而且低噪声已经成为乘坐舒适性的一部分，它与动力性、经济 性和排放性能一起成为了评价汽车品质的重要指标。如今顾客对汽车的n v h 特性要求日益增 高，当满足他们的方便以后，舒适性与低噪声成为他们关注的对象。而作为汽车厂家，要想在 竞争中求得生存与发展，必须满足消费者的需求，就必须投入精力致力于降噪的研究。 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着手。排气 噪声又是发动机的最大噪声源，它往往比发动机的其他噪声高1 0 d b - - 1 5 d b 。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，研制消声量高，功率损失小的排气消声器便成为 降低汽车噪声，从而控制环境噪声的主要措施。 本课题来源于南京依维柯汽车有限公司，针对于南京依维柯某型号汽车匹配的发动机排气 系统噪音过大，超过了g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限制及测量方法标准中规定的 肥类汽车噪声低于7 7 d b 的现象，所以按照厂家要求，对原排气系统进行改进，使其最终达到 国家规定和厂家要求。 1 2 排气噪音的组成及降噪研究的意义 1 2 1 排气系统噪音源 排气系统的噪声源包括空气噪声、冲击噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声。发动机在运动的 时候产生压力波，这个压力波在排气管道中传播而形成空气噪声。在管道中，这股气流是稳定 的，空气噪声与排气管道的直径有关。在一定的气流量时，直径越大，空气噪声就越稳定，空 汽车排气系统的降噪特性理论研究 气噪声的大小取决于排气系统的结构，在排气系统中，纯粹的声学设计就是针对这类噪声的。 排气管道中不稳定的气流会对管道产生冲击，从而形成冲击噪声。比如，排气多支管弯曲的弧 度太小，发动机出来的气流会对它产生强烈的冲击，从而发出冲击噪声。在管道截面积突然变 化的时候，也会产生冲击噪声。加大管道过度圆弧和渐进地改变结构的截面积是减小噪音的途 径。 排气系统的管道和消声元件被机械振动激励后和受内部流体压力波动引起振动，这些被激 励的结构对外将声音辐射出去，形成了辐射噪声。在排气系统中，辐射噪声源来源于三方面： 一是机械振动。发动机会带动整个排气系统振动，车体的振动也会通过挂钩也会通过传递给排 气系统。排气系统中有很多薄板，如消声器外壳、催化器的外壳和管道的外壳等。一旦这些薄 板被激起振动，就会对外辐射噪声。二是稳定的空气气流。这种稳定的气流对薄板结构施加稳 定脉冲力，从而激起板的振动并向外辐射噪声。三是不稳定气流。当管道中的气流非常高的时 候，在管壁附近就会形成紊流，这股紊流不断冲击薄板产生辐射噪声。辐射噪声的大小取决于 这些板结构的几何尺寸、形状结构和刚度等。辐射噪声的频率与薄板结构振动的频率是对应的。 消声元件辐射的声音频率一般比较低，而管道辐射的频率一般比较高，因为管道的刚度比消声 元件的刚度高。解决辐射噪声的途径一般是减少声波的扰动和改变结构的特征，如采用双层板 壳结构、加阻尼处理等。气流摩擦噪声是管道中的气流传到尾管对外发出的巨大噪声。降低摩 擦噪声的办法是减小气体流动速度，增加管道的截面积，管壁尽可能地光滑，避免管道中的突 然转弯，在排气关口避免障碍物体，使用吸声材料等。 1 2 2 降噪研究的意义 近几年，虽然我国研究设计人员也陆续用边界元或有限元方法对消声器进行了数值分析设 计，但大都只研究消声器的声学特性，而且很少考虑流速、温度等外界因素的影响，对于消声 器的空气动力特性只是做定性的分析。而消声器的这两个特性是相互制约的，而且受到流速、 温度影响，必须同时加以考虑，不能顾此失彼。基于此目的，本文运用有限元方法对排气消声 系统的声学特性进行三维数值模拟分析，并针对原结构的弱点，提出相应的改进措施。本文的 研究涉及到声学、流体力学等多门学科和声学有限元理论，具有一定的学术价值和工程应用价 值。 1 3 发动机排气噪音的研究现状 发动机进排气系统噪声问题是乘用车n v h 研究领域的重要内容，从最初的仅靠试验改进， 发展到当前运用各种先进科学技术进行优化设计。而消声器作为排气系统的核心部件，是一种 既能有效降低噪声又能使气流顺利通过的设备。经过声学工作者几十年的长期研究，消声器的 计算方法和结构形式都得到了不断完善和发展。 2 争， 南京航空航天大学硕士学位论文 消声器的理论计算分析研究经历了从一维平面波理论到二维或三维分析发展的过程。经过 大量声学工作者的努力，在用声传播法计算消声器的传递损失和用传递矩阵法计算消声器的插 入损失方面，有了较成熟的计算公式。其中传递矩阵法相对于声传播法具有简单方便、实用性 强等特点，而得到了广泛应用。但这些公式成立的前提条件是：气体按平面波形式传播；没有 流速和温度梯度的影响；消声器壁面无振动，不透射声能；忽略介质粘性和介质能量耗散。由 于这些假设与实际情况有较大出入，致使理论分析结果与实际测量结果之间有较大的差距。因 而这些理论只能用于消声系统设计方案的比较，距离对排气消声器的实际应用要求还有不少差 距。a l f r e d s o n 等人通过将一膨胀腔消声器的消声量测量值与理论预测值加以比较，发现考虑流 动时理论值与实测值一致，忽略流动时两者存在差别。s r e e n a 和m u n j a l 的研究认为忽略温度梯 度的变化会导致预测与实测的差异。可见对消声器消声特性的研究必须要考虑到流速和温度梯 度的影响。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。 以上都是基于一维平面波理论对消声器内部声场作近似的理论分析。当声波波长远大于管 道截面几何尺寸，且噪声频率不太高( 频率小于1 0 0 0 h z ) 的情况下平面波假设与实际情况比较 一致。但随着消声量要求的增加，消声器的结构形式都比较复杂，截面几何尺寸一般都不会远 小于声波波长，这时在扩张腔内出现了高次模式波，采用平面波与线性化假设会产生较大偏差， 特别是当声波频率较高波长相应较短时，这种偏差更明显。所以应该寻求更加接近真实情况的 二维或三维分析方法。 各种数值方法的发展及计算机技术的应用和普及，为合理的预测复杂消声器声学性能并从 理论上指导消声器设计提供了可能。有限元法和边界元法是消声器卢学性能分析中最常用的数 值方法。在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于分析汽车结构振动引起的车内噪声问题。 声学有限元法是用有限单元将声传播的空气域周围的结构进行离散化，同时考虑结构一空腔耦 合问题研究问题求解，在解得结构振动的同时，也解得空气中的声传播。边界元方法对处理结 构声辐射、声散射和结构声腔问题有独特的优越性，它与有限元法这类区域型方法相比，只需 离散区域边界而不必对内部区域进行具体划分，相当于仅在区域的外表面上取有限单元。边界 元法特别适合于求解无限域问题，能够方便的计算管口的声辐射特性。 c a t i a 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为p l m 协同解决方案的一个重要组 成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、 模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。广泛应用于航空航天、汽车工业、造船工业等领 域，拥有无与伦比的3 d 设计和模拟解决方案1 2 1 。美国a l t a i r 公司的h y p e r m s e h 软件是世界领 先的、功能强大的c a e 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级c a e 平台，它集成了设计 与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。 3 囊 i 0 式消声器。其中抗性消声器又发展为扩张式消卢器、共振式消声器、无源干涉式消声器以及微 穿孔板消卢器等。二十世纪五十年代，国际上提出了有源消声器的概念。这种消声器是通过人 为的产生一个与声源幅值相同、相位相反的声波来控制声源的发声特性，使噪声源辐射的可听 声的声功率降低，从而达到消声的目的。随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置 性能的提高，有源消声器也得到了进一步的发展。但在我国应用最多的还是无源消声器。 排气系统中的消声器里面往往设计得非常复杂，比如有针对不同频率的赫姆雷兹消声器和 1 4 波长管等。复杂的内部结构会使气流不通畅，增加排气系统的背压，从而增加功率损失。如 果把排气系统设计的简单，虽然空气流通通畅，阻力小，功率损失小，但消声效果下降。在设 计的时候，要平衡好降低噪声与减少功率损失这对矛盾。但对于不同的汽车公司，有着不同的 设计思想，比如雅阁( a c c o r d ) 比福特金牛星( t a u r u s ) 安静，但是雅阁排气系统的功率损失 达1 1 ，而金牛星的排气损失仅为6 。 在2 0 世纪8 0 年代，人们提出了双模态消声器来解决这一矛盾。图1 - 3 为双模态消声器， 在这个消声器里安装了一个阀门。低速转动时，阀门关闭，消声效果好。高速转动时( 通常大 于3 0 0 0 r m i n ) ，在气流的冲击下，阀门被冲击开，空气阻力减小，因此功率损失降低。阀门打 开之后，尾管中由于发动机燃烧而产生的空气噪声增加，但是气流摩擦产生的噪声却减小。高 转速时，摩擦噪声是尾管噪声的主要成分，因此总体噪卢降低1 7 j 。 ( j ) i ， 图1 3 双模态消声器 ( a ) 阀门关闭状态( b ) 阀门开启状态 双模态消声器主要是在日本车和欧洲车上采用。1 9 8 7 年尼桑的c e d r i c 、g l o r i a 和c i m a 等 系列汽车采用了双模态消声器。随后，丰田、马自达、b m w 、大众和法拉利等汽车都采用了这 种消声器。尼桑的一部车在采用了这种消声器之后，在6 0 0 0 r r a i n 时，尾管噪声降低了1 0 多d b ， 5 汽车排气系统的降噪特性理论研究 而背压减小了1 5 0 m m h g 。一般来说，如果消卢器容积相等，那么双模态消声器比一般消声器多 降低5 d b 1 0 d b 噪声，而功率损失也减少约3 0 。如果噪声与功率损失相等，那么双模态消声 器的容积可以减少5 1 0 l 。但是双模态消声器由于多了一个阀门，因此成本增加，另外，系统 的可靠性降低、维修难度增加。 除了上述的半主动控制的双模态消声器外，还有主动控制的双模态消声器。发动机转速信 号传递给控制系统，控制系统推动阀门的开关。在不同的转速下，阀门开关的大小可以由控制 系统来控制。它分为两种：第一种是在半主动控制系统中加上电子控制系统组成。也就是说， 消声器或者是排气管上的阀门不是靠气流产生的压力大小来打开或者关闭，而是靠电子控制系 统来控制，这种控制往往是与发动机转速有关。第二种排气系统的主动控制是在尾管口附近安 装个传声器测量排气噪声，作为误差信号，与发动机信号一起输入控制器中。控制器控制扬 声器产生一个与主动源幅值相等而相位相差1 8 0 。的次级声波。排气系统主动控制的频率一般 从5 0 h z 7 0 0 h z 。图1 4 所示为排气系统有控制与没有控制时的尾管噪声。在4 0 0 0 r r a i n 以下转 速时，噪声降低1 0 d b 以上，在4 0 0 0 r r a i n 以上时，噪声降低为3 d b 。但由于排气管的温度通常 达到3 0 0 甚至更高，这样对扬声器来说是一个考验，只有特别设计的扬声器才能适应这么高 的温度。 1 2 0 1 1 5 号1 1 0 、 腿10 5 凿 10 0 厂控掌闭 y 一 ，、。多一一r 一，1 7 广i 、，7 一 控制打开 转速( r ，m i n ) 图1 4 排气系统有无控制时尾管噪声的比较 另外国际先进汽车厂家已经建立完备的发动机进排气系统噪声模拟和试验平台，通过发动 机排气系统噪声模拟，对发动机进排气系统进行多项评价，主要内容包括：消声元件传递损失 计算分析、消声元件插入损失计算分析、排气系统管口噪声计算分析、进排气系背压计算分析 和发动机功率损失计算分析等，结合试验的标定和校对，为发动机排气系统的设计和改进提供 依据。如通用、福特、奔驰、大众、丰田等大的国际跨国公司都拥有专门的发动机排气系统噪 6 南京航空航天大学硕士学位论文 声研究团队，且人力和物力的投入很大，具有很强发动机排气系统设计能力，具有很强发动机 进排气系统噪声模拟和试验能力。 国内汽车厂家和高校已经开始发动机进排气系统噪声方面的研究，但还不完善，如：奇瑞 汽车有限公司、长安汽车有限公司和吉林大学等具有发动机排气系统噪声模拟仿真能力，但不 具备排气系统噪声的试验平台；一汽技术中心具备发动机进排气系统噪声的试验平台，但进排 气系统噪声模拟仿真刚刚起步。 1 4 论文研究的内容、目的 本文研究的主要目的就是在初步掌握声学理论及其数值分析方法的基础上，应用数值仿真 分析方法研究常用消声器结构的消声性能和规律，以南京依维柯汽车有限公司某发动机匹配的 排气系统为研究对象，对其声学特性进行分析研究，并对原排气系统的不足之处提出了改进方 案，并最终达到国家标准及厂家要求。更重要的是从中掌握消声器及整个排气系统的设计、分 析的思想方法，所以本课题具有一定的工程实用价值。 首先为了充分了解原排气系统的消声特性，并能针对其不足之处进行改进设计，本文应用 三维数值方法先对原排气系统的声学特性进行分析。然后根据发动机排气频谱特性对排气系统 性能进行评价，并针对其消声量不足的频率或结构不合理的地方进行切实可行的改进设计。具 体内容如下： 一、基本消声结构及其典型算例的数值模拟 复杂消声器都是由基本消声结构组合而成的，而且消声频谱还满足一定的叠加性。因此对 简单消声单元的消声特性进行研究有助于我们对复杂消声器设计意图的理解和进一步的改进设 计。 虽然现在有越来越多的先进消声器，比如前面介绍的双模态、有源消声器等，但由于其结 构复杂，造价高昂，在高档车上一般才使用。所以对于一般车辆，穿孔板共振吸声消声器、扩 张式消声器及复合消声器仍是消声器中最常用的结构形式。通常情况下，管壁或隔板上穿的小 孔数量多，尺寸小，增加了建模难度和模型规模。所以有必要研究某种等效边界条件来代替小 孔作用。 二、排气系统三维模型的建立 根据南京依维柯汽车有限公司提供的数据图纸，采用c a t i a 三维软件建立了排气系统的几 何模型。在此基础上用h y p e r m e s h 建立其声场网格分析模型，然后导入到s y s n o i s e 进行声场 特性分析。 三、排气系统消声性能的三维数值模拟 排气系统应具有良好的声学特性，如传递损失高、消声频带宽等。s y s n o i s e 基于有限元 7 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章排气系统分析中的基础理论及分析方法 由于排气系统的声场分析涉及的基础知识范围比较广，比如声学、计算流体力学、振动学、 有限元、边界元等，所以非常有必要对声学、流体力学及各种计算分析方法做一简单介绍。 2 1 声学基础 2 1 1 声学的基本概念 当物体振动的时候，会引起周围空气的扰动。空气具有质量和弹性，是可压缩的。空气被 压缩后会扩张，然后又被压缩，由于这种不断的扰动，空气就形成了一定的压力，从而产生了 声波，声音速度取决于流体的特性和气体的热力学温度。在理想气体中，声速c ( n e s ) ，定义如 下： c = , y r z o ( 2 - 1 ) 式中，y 是流体的比热比，也就是绝热系数：r 是气体常数；疋( k ) 是热力学温度。 描述声音的参数有声压、频率、质点振速和声功率等。其中声压和频率是两个主要的参数， 所以也是测量的主要对象。描述声波的三个重要物理量是波长旯( m ) 、频率f ( h z ) 和声速c ( m s ) 。声压是指当地声压与大气压之差。存在声压的空间成为声场，声场中某一瞬时的声压 成为瞬时声压，在一段时间内最大的声压成为峰值声压，瞬时声压对时间取均方根值成为有效 声压，一般声学仪表测得往往是有效声压。如果不专门注明，习惯上一般提到的声压就是有效 声压。声压公式如下： p ( x ，f ) = 只s i n ( c o t 一缸) = 己s i n ( 2 a f 一觑) ( 2 _ 2 ) 式中，已是声压幅值；t ( s ) 是传播时间：x ( m ) 是传播的距离；国= 2 a f 为角频率( t a d s ) ： k = 2 州见为谐波数。 声音的传播取决于介质的特性。声阻抗z ( p a s m 3 ) 是表示介质特性的一个十分重要 的参数，它是声压与体积速度的复数比值，它表示为： z ：旦( 卜3 ) 【， 式中，p ( p a ) 为声压；u ( m 3 s ) 为体积速度，其中： u = 鼬( h ) 式中，u ( m s ) 是质点速度；s ( m