研究生汽车噪声控制-第六章消声器(第十三次课)

第1章汽车声学基础第2章汽车振动基础第3章汽车噪声与振动的评价第4章噪声与振动测量分析技术第5章噪声与振动控制的基本原理和方法第一篇基础篇

2023/2/22第二篇：汽车噪声控制专题第6章消声器原理及应用第7章发动机噪声与控制第8章汽车底盘噪声及其控制第9章车身噪声及控制第三篇：汽车振动控制专题第10章发动机整机振动与悬置第11章转向轮摆振问题第12章汽车平顺性与悬架＋讨论课2学时;考试2学时2023/2/23第二篇：汽车噪声控制专题2023/2/24第六章汽车消声器

使用消声器是控制气流噪声的主要技术措施。消声器是一种抑止声传播而允许气流通过的降噪装置。若在空气动力机械(风机)的输气管道中或汽车发动机进、排气口安装合适的消声器就能使噪声降低降低20～50dB。因此，消声器广泛用于各种风机、内燃机、空气压缩机、燃汽轮机及其它高速气流排放的噪声控制中。对汽车内燃机的排气噪声控制问题，通常仅通过内燃机系统改进设计的途径来根治是十分困难的。最简单而有效的降噪措施便是采用排气消声器。目前没有无排气消声器的内燃机作为动力的汽车。2023/2/25消声器的种类很多，根据消声原理，常用的消声器有三大类：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合性消声器。消声器可以有效改变气流通道的声阻抗，达到降低噪声的目的。2023/2/26§6.1.1消声器分类不同消声器的消声原理是不同的，消声效果也不同。阻性消声器是一种能量吸收性的消声器，通过在气流通过的途径上固定多孔性吸声材料，利用多孔吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量转化为热能，达到消声的目的。阻性消声器适合于消除中、高频的噪声，消声频带范围较宽，对低频噪声的消声效果较差。

§6.1消声器分类与性能评价2023/2/27

抗性消声器则利用声波的反射和干涉效应，通过改变声波的传播特性，达到消声目的。主要适合于消除中、低频的窄带噪声，而对宽带高频噪声则效果较差。因此常用来消除内燃机的排气噪声。2023/2/28

鉴于阻性消声器和抗性消声器各自的特点，因此常将它们组合成阻抗复合型消声器，以同时得到高、中、低频率范围内的消声效果。如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合型消声器，其优点是耐高温、耐腐蚀、阻力小等，缺点是加工复杂，造价高。随着声学技术的发展，还有一些特殊类型的消声结构出现。常用的还是阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合性消声器这三种典型的消声结构。2023/2/296.1.2消声器性能评价

评价消声器性能时，应综合考虑声学、空气动力学性能和结构强度、经济性等方面的要求：

1、消声器应在工作气流的温度、流速和压力条件下，在需要的频率范围内具有良好的消声效果，并且阻力损失小，即安装消声器不能明显影响气流畅通、降低气体流量；

2、消声器必须适应其具体的工作环境，具有适当的外形和小的体积，结构简单便于制造和安装，坚固耐用，工作可靠而且寿命长。2023/2/210

对消声器提出的这些要求是互相影响和制约的，应根据实际情况权衡，有所侧重。例如，汽车内燃机排气消声器对阻力损失或功率损失以及体积有严格的要求，因此在设计时应在满足体积限制和功率损失尽可能小的前提下，提高消声量，否则在汽车上就不宜采用。

评价消声器的性能指标主要有三项：消声量、消声频率范围及阻力损失。下面分别介绍。2023/2/2111、消声量评价排气消声器的消声量常用参数有：

插入损失D、隔声量R、末端降噪量LNR。消声器的插入损失是指在安装消声器前后空间某固定点所测得的声压级之差。例如测量汽车内燃机排气消声器的插入损失时，测点应选在距排气口0.5m处，传声器指向排气口并与排气口气流轴向成45。夹角。为保持测点不变，未装消声器时应加装一节空管以使排气口位置不变。可见插入损失的测量简便易行，并反映了使用消声器的实际降噪效果，因此该项指标日渐多用。但应注意插入损失不仅与消声器有关，还与声源特性、消声器末端阻抗有关。2023/2/212

隔声量也称传声损失，它表示消声器输入、输出噪声能量的相对变化关系。定义为消声器进口的噪声声功率级与消声器出口的噪声声功率级的差值。它是从构件的隔声性能的角度来反映构件的消声量，传递损失的数学表达式为式中W1为消声器进口的声功率；W2为消声器出口的声功率；LW1为消声器进口的声功率级；LW2为消声器出口的声功率级。2023/2/213式中Lp1为消声器进口处平均声压级；Lp2为消声器出口处的平均声压级；S1为消声器进口处的截面积；S2为消声器出口处截面积，单位为平方米。

研究发现，消声器的传声损失LTL主要取决于消声器本身所具有的特性，受声源影响较小，在理论分析和设计计算时使用较方便。实际工程测试中，通常通过测量消声器前后截面的平均声压级，再按下式计算获得末端降噪量LNR：消声器输入端与输出端的声压级之差。2023/2/2142．消声的频率范围

仅知道消声器的消声量是不够的，消声量随噪声的频率范围的不同而不同。还必须了解消声器的频率特性，即在各频率或频带上的消声量。一般以倍频程和l／3倍频程来表示消声器的频率特性，进行较深入的分析时，也可用窄带谱来表示。消声的频率范围就是指消声量显著的频率或频带，这方面没有统一的定量评价指标。一般要求2023/2/215所消声的有效频带范围越宽越好；人敏感的频率范围应有足够的消声量；声源辐射噪声大的频段应有较大的消声量。这样应用消声器降噪的效果就比较好。

3．阻力损失消声器的空气动力性能是评价消声器性能好坏的另一项重要指标，它反映了消声器对气流阻力的大小，也就是：安装消声器后输气是否通畅，对气体量有无影响，压力有无变化。消声器的空气动力性能具体用阻力损失表示。2023/2/216

阻力损失，简称阻损，是指气流通过消声器时，在消声器出口端的流体全压比进口端降低的数值。（全压等于静压+动压，若动压在进出口是常数，则为静压之差）对于汽车内燃机排气消声器，通常用功率损失比来评价消声器的空气动力性能，它反映了消声器的阻力损失对内燃机性能的影响。消声器的功率损失比定义为：内燃机在标定工况下不装消声器时的功率Pe1与装消声器后的功率Pe2之差和Pe1的比值，即一般要求功率损失比RN<5％。2023/2/2176.2阻性消声器

一、原理及结构种类阻性消声器的消声原理，就是利用吸声材料的吸声作用，使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减。把吸声材料固定在气流通过的管道周壁，或按一定方式在通道中排列起来，就构成阻性消声器。当声波进入消声器中，会引起阻性消声器内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，就起到消声的作用。阻性消声器应用范围很广，它对中高频范围的噪声具有较好的消声效果。

2023/2/218最简单的是单通道直管式阻性消声器

2023/2/2192023/2/220二、隔声量计算

在有关的文献和著作中，计算阻性消声器隔声量的公式很多，但都不够精确，一般均要用实测法得到隔声量。在设计直管式阻性消声器时，可按一些经验公式估算。不详细介绍。2023/2/221三、阻性消声器的设计步骤1)确定消声器结构型式。首先根据气体流量和流速，计算所需的通流截面．然后再由截面的尺寸大小和现有空间来选定结构型式。2）正确选用吸声材料。吸声材料的性能好坏，是决定消声器声学性能的重要因素。选用吸声材料时，除考虑性能外，还要考虑消声器的工作环境，如气流速度、温度、压力、烟尘微粒含量、化学腐蚀性等。2023/2/2223)决定消声器的长度。增加阻性消声器的长度就可以增加消声量，同时也使阻力损失有所增加。因此，消声器的长度应根据具体噪声源的强度和降噪要求来决定。4)合理选择吸声材料的护面结构。通常采用玻璃布、穿孔板、窗纱或铁丝网将吸声材料以护面结构的方式固定起来。护面结构应确保在消声器的工作环境下可靠地固定吸声材料，以免吸声材料被吹散或护面结构发生振动造成消声性能下降。考虑高频失效、气流速度和气流再生噪声等实际因素的影响，并验算、测量消声效果。2023/2/2236.3抗性消声器

抗性消声器，是通过控制声抗的大小来消声的。它不使用吸声材料，而是在管道上安装截面突变的管段或旁接共振腔，使某些频率的声波在声阻抗突变的界面处发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的。常用的抗性消声器有扩张室式和共振腔式两大类。

2023/2/2242023/2/225大通道分成多个扩张室并联2023/2/2262023/2/2272023/2/2282023/2/2292023/2/2302023/2/2312023/2/2322023/2/2336.3.1扩张式消声器扩张式消声器也称扩张室式消声器，是一种应用十分广泛的抗性消声器。它主要利用截面突变造成声传播通道的阻抗失配，从而达到消声目的。这类消声器一般是全金属结构，其构造简单、耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、不会被废气中的碳灰微粒堵塞、成本低而且寿命长，因此汽车发动机采用这种消声器十分合适。为了弥补其高频消声效果差、频带狭窄的缺陷，常采用多级组合或加上穿孔板等高频消声效果好的结构，组成相对而言宽频带的消声器。本部分重点讨论在汽车上用得较多的扩张式消声器。2023/2/234扩张室（式）消声器也称为膨胀室（式）消声器，它是由管和室组成的。它是利用管道截面的突然扩张（或收缩）造成通道内声阻抗突变，使沿管道传播的某些频率的声波通不过消声器而反射回声源去。由于声波通不过消声器，也就传不出来，从而达到消声的目的。

基本单元式突变截面管！

三级消声器2023/2/235

声波在两根不同截面的管道中传播，如图所示，从截面积为S1的管中传入截面积为S2的管中，传播性能发生改变，S2管对S1管相当一个声负载，会引起部分声波的反射和透射。设在管道中满足平面波的条件下，在Sl管道中有一入射波pi和一反射波pr，在S2管道仅有透射波pt。假定坐标原点取在S1管与S2管的接口处，现分别写出上述三种波的声压表示式：2023/2/236它们各自对应的质点振速为式中ρ0c为空气的特性阻抗，k为波数2π/λ。上述的入射波、反射波以及透射波不是各自独立的，而是互相联系的。这种联系的关键在两根管子的接口处（即交界面处），在此界面上存在如下两种声学边界条件：1、声压连续，即2、体积速度连续，即单位时间流入的体积等于流出的体积为便于计算，取边界处x＝0，2023/2/237利用以上两个边界条件可得到反射声压与入射声压的幅度之比—声压反射系数为式中面积比S21＝S2/S1，也称为扩张比。上式表明：在以上的假设以及情况下，声波的反射与两根管子的截面积比值有关。当S21＜1即第2根管子比第1根管子细时，rp＞0见这相当于声波遇到“硬”边界情形；当S21＞1即第二根管子比第一根管子粗时，rp

＜0这相当于声波遇到“软”边界情形。极端的情况是：若S21＜＜1，相当于声波遇到刚性壁，发生全反射；若S21＞＞1，好象声波遇到“真空”边界。2023/2/238从声压反射系数可以获得声强反射系数声强透射系数则为扩张管式消声器的消声量（末端降噪量LNR

）为上式表明：截面突变引起的消声量大小，主要由扩张比S21决定。2023/2/239对截面不同的两根管道，除了采取以上截面突变形式连接外，还经常采用锥形变径管作为过渡部件来连接。锥形变径管也可降低噪声，同时其阻力损失较小。见图。2023/2/240其消声量的大小由扩张比S21、锥形管长度与波长之比t/λ来确定。当t=0，即成为扩张管，此时消声量最大；随着t/λ的增大，消声量相应减小；当t/λ＞0.5即在锥形变径管长度t大于半波长的相应频率处，消声量趋向于零。也就是说：在将两个管径不同的管子连接时，截面渐变，声能透过量增大，反射很少。但锥形变径管可以减少阻力损失。2023/2/241在管道中加一个开孔的横隔板，如图所示，也可以看成是有一定消声性能的抗性结构。这类结构的消声量为：式中Sl为管道横截面积，G＝S2/l2为孔的传导率，其中S2为小孔的面积，l2为孔的长度。2023/2/242利用扩张管原理制成的最简单的消声器就是单节扩张室消声器，最典型的单节扩张室消声器如图所示，它是由两个突变截面管对接起来而成的。主管截面为S1，扩张部分截面积为S2，扩张部分长度为l

。2023/2/243在图中，假设噪声从左向右传播，记消声器入口端入射声波声压为pi，反射声压为pr，穿过消声器最后透射出去的声压为pt，其中入射和透射的声波向前传播，而反射的声波向后传播。在消声器内部，同时存在向前和向后传播的声波，分别记为p1和p2。设其表达式分别如下：

2023/2/244在消声器的入、出口两个边界处，均满足声压连续和体积速度连续条件，在x＝0处在x＝l处2023/2/245最后得到消声器的消声量计算公式为式s12＝s1/s2、s21＝s2/s1

。由式可以看出，最大消声量大小由扩张比s21决定，消声频率特性取决于扩张部分的长度，因为sinkl为周期函数，可见消声量也随频率作周期性变化。

当管道截面收缩s21倍时，其消声作用与扩张s21倍是相同的。这就说明，扩张管与收缩管在理论上并无区别。然而在实用上限于空气动力性能的要求，常用的是扩张管，因此也就称为扩张室消声器。2023/2/246式同时还表明：当sin2kl＝1时，即kl＝π/2的奇数倍时，扩张室消声器的消声量达到最大值。此时通常扩张比s21总是大于1的，而要取得明显的消声效果，则S21应取5以上的数值。此时，上式可进一步近似为消声量最大的对应频率称作扩张室最大消声频率2023/2/247n=1时对应第一最大消声频率，即f1＝c/4l。上式可进一步改写为：上式说明：当扩张室长度等于声波的1／4波长的奇数倍时，可以在这些频率上获得最大的消声效果。

当sinkl=0时，即kl为π/2的偶数倍时，扩张室消声器的消声量达到最小值。LNRmin＝0，相应的声波会无衰减地通过消声器。这是单节扩张室消声器的一个缺点。此时的相应频率叫通过频率，可由下式计算：fmin＝nc/2l2023/2/248fmin＝nc/2lkl为π/2的偶数倍l＝nλ/2上式说明：当扩张室长度等于声波的1／2波长的整数倍时，其相应频率的声波会无衰减地通过，即起不到消声效果。另外，扩张室消声器的消声量随着扩张比s21的增大而增加的，但是，这种增加不是没有限制的，s21

增加大到一定值以后，会出现与阻性消声器的高频失效相似的情况即在扩张室中部穿过，使消声效果急剧下降。扩张室消声器的上限截止频率常用下式估算：2023/2/249

扩张室消声器除有上限截止频率的限制外，还存有下限截止频率。在低频范围，当波长比扩张室或连接管长度大得多时，可以把扩张室和连接管看作是集中参数系统。当外来声波频率在这个系统的共振频率附近时，消声器不消声，反而会对声音起放大作用。扩张室有效消声的下限频率可用下式计算式中S2为连接管（扩张室）的截面积；V2为扩张室的容积；l为连接管的长度。2023/2/250略为复杂一点的是：外接管双节扩张室消声器，如图所示。

双节扩张室消声器的分析过程与单节扩张室消声器的推导方法完全相同，在4个边界处满足声压连续和体积速度连续的条件，最后可以得到它的消声量为l1l12l2到此2023/2/251

此类消声器的消声量有所增加，但不是简单的算术相加。根据前述，可以看出：扩张管消声器的消声特性是周期性变化的，即会出现某些频率的声波能够无衰减地通过消声器。由于噪声的频率范围一般较宽，如果消声器只能消除某些频率成分，而让另一些频率成分顺利通过，这显然是不利的。为了克服扩张室消声器这一缺点，必须对扩张室消声性能进行改善处理，方法有二：2023/2/252（1）采用多节不同长度的扩张室串联的方法，也可解决扩张室对某些频率不消声的问题，如图所示。把各节扩张室的长度设计得互不相等，使它们的通过频率互相错开。比如，使第二节扩张室的最大消声量的频率设计得恰好为第一节扩张室消声量为0的通过频率。这样，多节扩张室消声器串联，不但能够提高总的消声量，而且可以改善消声器的频率特性。由于各节扩张室之间有耦合现象，故总的消声量不等于各阶扩张室消声量的算术相加。2023/2/253

图为内接管双扩张室式消声器的示意图。这类消声器的计算公式推导与前面完全相似，故不赘叙。内接管双节扩张室消声器的消声量计算公式如下：这种形式消声器的消声性能，由扩张比、内接管长度和扩张室长度三个量来确定。2、在扩张室消声器内插入内接管，以改善它的消声性能。2023/2/254由理论分析可知，当插入的内接管长度等于扩张部分长度的1/2时，能消除那部分奇数倍的通过频率（kl是π/2的奇数倍）；当插入的内接管长度为扩张部分长度的1/4时，能消除那部分偶数倍的通过频率（kl是π/2的偶数倍）。这样，如果综合两者，即在扩张管消声器内从一端插入长度等于1/2倍的内接管，从另一端插入长度等于l/4倍的内接管，如图所示，就可以得到在理论上没有通过频率的消声特性。2023/2/255

在实际工程上，为了获得较高的消声效果，通常将这两个方法结合起来运用，即将几节扩张室消声器串联起来，每节扩张室的长度各不相等，同时在每节扩张室内分别插入适当的内接管，这样就可在较宽的频率范围内获得较高的消声效果。扩张室消声器由于通道截面的扩张和收缩．将会使阻力损失增大，特别是当气流速度较高时，空气动力性能会变坏。为了改善扩张室消声器的空气动力性能，常用穿孔管(穿孔率大于25％)把扩张室的插入管连结起来，如图所示。2023/2/256这样改进，对气流来说，通过一段壁面带孔眼的管段比通过一段截面突变的管段，其阻力损失要小得多；而对声波来说，由于穿孔管的穿孔率足够大，仍能近似保持其断开状态的消声性能。实验证明：这种改进，除对高频消声效果有些变化外，低频基本不受影响。由于这种抗性消声器主要用于消除低中频噪声，所以这种改进从实用角度来看是很可取的。2023/2/2576.3.2共振腔式消声器

共振腔消声器是由管道壁开孔与外侧密闭空腔相通而构成的。典型的旁支型共振器如图所示。当声波的波长比共振器几何尺寸大得多时（3倍以上），可以把共振器看成一个集中参数系统，共振腔内的声波运动可以忽略。这时，管壁上小孔颈中的气柱类似活塞，具有一定的声质量；密闭空腔类似空气弹簧，具有一定的弹性；空气在小孔中振动与孔颈壁面存在着摩擦和阻尼作用，具有一定的声阻。这样声质量、弹性和声阻就在气流通道构成声振动系统，它们就象电学上电感、电容和电阻构成谐振电路一样。2023/2/258

共振消声器实际上是共振吸声结构（亥姆霍兹腔）的一种应用。共振频率为式中S0为小孔截面积；V为密闭空腔容积；l‘。为孔颈有效长度；l‘。=l。+Δl，这里l。为小孔颈长，如为穿孔板，则为板厚；Δl为修正项，对于直径为d的圆孔，Δl=0.8d。定义传导率G=S0/l‘。，对于圆孔得到工程上的共振器往往不是开一个孔的，而是由多个孔组成，此时应注意各孔之间要有足够大的距离。当孔心距为孔径的5倍以上时，各孔间的声辐射互不干涉。2023/2/259如图所示，当某些频率的声波到达分支点时，由于声阻抗发生突变，使部分声能向声源反射回去；还有一部分声能由于共振器的摩擦阻尼转化为热能而散失掉，只剩下一小部分声能通过分支点继续向前传播，从而达到消声的目的。设在分支点处的入射声压为pi；反射声压为pr，透射声压为pt；孔颈处的入射和反射声压分别为pbi、

pbr，1、根据声压连续条件可知2023/2/260设管道截面为S，共振器的声阻抗为Z（非声阻抗率），2、根据体积速度连续的条件可知：联立以上两式，可以得到而共振器的声阻抗为：式中RA为声阻。为简便计，引入参数：2023/2/261则得到则得到共振器的消声量为

计算共振器的声阻值RA很复杂，在通常情况下，孔附近若不加阻性的吸声材料时，声阻是很小的，一般可忽略，因而α值也可忽略。当忽略共振器声阻时，上式可简化为如下消声量计算公式：2023/2/262由上式可见：这种消声器具有明确的选择性。即当外来声波频率与共振器的固有频率相一致时，共振器就产生共振。共振器组成的声振系统的作用最显著，使沿通道继续传播的声波衰减最明显。因此，共振腔消声器在共振频率及其附近有最大的消声量。而当偏离共振频率时，消声量将迅速下降。这就是说，共振消声器只在一个狭窄的频率范围内才有较佳的消声性能。因此，它适于消除在某些频率上带有峰值的噪声。若把共振消声器的共振频率设计得恰好等于峰值频率，就能把噪声中这个峰值降低，取得显著效果。

2023/2/263右图是利用上式绘制的曲线。从图中可以看出对消声量也有明显影响，其值越小则曲线越尖。为了使这种消声器有较宽的消声频率范围，应尽量选择较大的K值。另外，增加共振腔的声阻也可拓宽消声频率范围，例如可在孔颈处衬贴簿而透声的材料，或在共振腔内填充适量吸声材料。还有一种拓宽消声频率范围构办法是采用多节共振式消声器串联，并使各节消声器的共振频率互相错开，从而获得较宽频率范围上的较大消声量。2023/2/264

汽车、拖拉机上实用的共振振式消声器结构如图所示，这种多孔共振消声器是在一段气流通道的管壁上开若干小孔，孔与外面的密闭空腔相通，形成共振腔。式中So为管壁上开的小孔截面积；S为内管通道截面积；Sc为同心的空腔部分截面；G为传导率。如果开n个孔，则G=1.5ΣGi；Gi为一个孔的传导率；K值同前。2023/2/2656.4阻抗复合式消声器

阻性或抗性消声器的有效消声频率均有一定范围，因而使消声器对宽频带的气流噪声适用性受到局限。为了获得宽频带的消声效果，可将两种类型的消声器结合起来，这就是所谓的阻抗复合式消声器。在噪声控制中，阻抗复合式消声器的应用很多，对一些强度大的宽频带噪声，几乎都采用这种型式的消声器来消除。2023/2/266

常用的阻抗复合式消声器有：阻性——扩张室式复合消声器、阻性——共振腔式复合消声器、以及阻性——扩张室式——共振腔式复合消声器。阻抗复合式消声器可以认为是阻性和抗性在同一频带上的叠加，但由于声波在传播过程中反射、衍射、折射、干涉等特性，所以其消声值并不是简单的叠加关系。尤其当声波的波长较长时，阻抗复合以后因耦合作用而相互有干涉等因素的影响，使声波传播过程的衰减机理变得极为复杂。在实际应用中，阻抗复合式消声器的消声值通常由试验或实际测量来确定。2023/2/267

目前要设计一个最佳消声器的结构尚无直接的优化方法。为了满足消声量的要求，必须通过恰当的形状组合或附加共振器来反复验算。在设计消声器时，除应与试验充分配合外，还应参考过去设计中使用的经验和已发表的资料。在设计时要着重考虑以下几个主要问题。6.5消声器设计中的几个问题2023/2/268(1)气流对消声量的影响高速气流通过消声器时，将对消声性能产生很大的不良影响，其主要原因是发动机排气的高速脉动气流产生气动噪声，其次是这种高速脉动气流会冲击消声器中的管道，壳体和隔板等，从而激发起振动产生固体辐射噪声。当消声器的结构参数选择不当，结构不合理或制造质量有问题时，都会造成消声器内的气流速度过高，使消声嚣内发出气流噪声。这种噪声将会抵消消声器的消声效果、降低消声量，同时过高的气流速度还会使消声器的阻力损失加大，从而增加发动机的功率损失。因此，在设计时要从结构上尽量消除产生再生噪声的可能性，不使局部气流速度过高，不使强气流直接冲击管口边角，更不应使两股气