1、 河 北 工 业 大 学 毕 业 论 文 作 者： 田赛龙 学 号： 100284 学 院： 机械工程学院 系 (专业 )： 车辆工程 题 目： 消声器消声性能分析 指导者： 武一民 教授 (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2014 年 6 月 8 日 毕业设计（论文）中文摘要 题 目 消声器消声性能分析 摘要： 汽车在我国的经济发展过程中承担着重要的角色，但其 引发的噪声问题越来越引起关注。排气消声器的应用可有效解决这一问题。 本文在对该课题研究 理论学习理解的基础上，分别使用一维传递矩阵法和三维有限元法对简单消声器进行数值仿真分析，通过对传递损失
2、曲线的评价，得出有限元法的适用性。针对 WP7 发动机的 性能参数要求，按照消声器设计原则，确定消声器的结构尺寸，并在 UG 里建立三维模型，导入到 ANSYS 里划分网格，最后导入到 LMS Virtual.Lab 里面计算得到传递损失曲线，由图对该消声器性能进行评价。利用对消声器影响因素的分析结果，改进该消声器，最终确定的消声器在整个频率范围具有良好的消声效果，尤其是低频处，这点与该发动机的排气频谱是吻合的。 关键词： 消声器 排气噪声 传递损失 LMS Virtual.Lab 毕业设计（论文）外文摘要 Title Analysis of the Performance of Muffle
3、rs Abstract Automobile plays an important role in the process of economic development in our country, but the noise created by cars has caused more and more attention. Application of exhaust muffler can be an effective solution to this problem. In this paper, based on the understanding and study of
4、the theory which will be needed , the paper uses one dimensional Transfer Matrix Method and the Finite Element Method for numerical simulation analysis of simple mufflers.Through the evaluation of the transmission loss curve, this paper comes to conclusion about the applicability of the Finite Eleme
5、nt Method.According to the requirements of the performance parameters of WP7 engine , this paper determines the structure size of muffler in accordance with the muffler design principle, and then creates a three-dimensional model in UG. After that the model is imported into ANSYS for meshing.Finally
6、, inside the LMS Virtual.Lab the transmission loss curve is calculated, and the muffler performance is evaluated by the graph. By using the result of factors on muffler performance which has been analyzed before , this paper improves the muffler.The muffler finally has good noise reduction effect in
7、 the whole frequency range, especially at low frequency, which is consistent with the engine exhaust spectrum . Keywords ： Muffler the exhaust noise Transmission loss LMS Virtual.Lab 目 录 1 绪论 错误 ! 未 定 义 书 签 。 1.1 论文研究的背景及意义 1 1.2 排气噪声产生的原因和主要成分 2 1.3 排气消声器的基本类型 4 1.4 消声器研究理论的发展进程 5 1.5 此次毕业设计的主要研究内容
8、 7 2 排气噪声的理论基础 8 2.1 基本声学理论知识 8 2.1.1 声压、声功率、声强 8 2.1.2 声级 8 2.2 消声器消声性能评价指标 9 2.2.1 声学评价指标 9 2.2.2 空气动力学性能 9 2.2.3 结构性能 10 2.3 声波波动方程 10 2.3.1 声波连续方程 10 2.3.2 声波运动方程 11 2.3.3 声波物态方程 12 2.3.4 声波波动方程 12 3 单节扩张腔式消声器的分析 13 3.1 用传 递矩阵法对消声器进行分析 13 3.1.1扩张比 m的影响 13 3.1.2扩张腔长度 L的影响 14 3.2 用有限元法对简单消声器进行分析 1
9、5 3.2.1 扩张比 m 的影响 15 3.2.2 扩张腔长度 L 的影响 17 3.3 传递矩阵法与有限元法结果比较 20 3.4 出口管长度的影响 22 3.5 内插管对传递损失的影响 24 3.6 出口管偏置对传递损失的影响 27 3.7 扩张腔腔数对传递损失的影响 30 3.8 扩张腔长度分配的影响 32 4 WP7 发动机消声器设计 37 4.1 消声器尺寸确定 37 4.1.1 WP7 发动机参数表 37 4.1.2 消声器结构参数选择 37 4.2 三维模型建立 39 4.2.1UG 软件介绍 39 4.2.2 建立的模型 39 4.3 网格划分 41 4.3.1 ANSYS
10、软件介绍 41 4.3.2 有限元模型 41 4.4 传递损失计算 42 4.4.1 LMS Virtual.Lab 软件介绍 42 4.4.2 传递损失计算过程 42 4.4.3 结果分析 44 结论 47 参考文献 48 致谢 50 - 1 - 1 绪论 1.1 论文研究的背景及意义 最近几年，人类工业技术在不断进步，大量先进技术的成熟运用使得世界汽车行业迅猛发展， 从私人轿车、货车到客车、特种结构车，各式各样的汽车服务于我们的生活。随着我国经济的迅猛发展，汽车的保有台数在持续增加（见下图），尤其是在一些人口密度较大的大城市， 汽车在走进千家万户，给人们的生活带来方便快捷的同时，也带来了一
11、系列的问题。除了交通拥挤、排气污染之外， 汽车引起的噪声问题也已经成为城市环境噪声的主要问题。为了限制汽车噪声，改善环境质量，国家已经制定了愈加严格的强制性噪声标 准，汽车产业发布的政策也严格规定汽车产品必须经过认证达到合格标准，否则不得应用于销售、进口和使用。同时，对于汽车经营者来说，在激烈的商品角逐战中，能否降低汽车噪声，提高乘车质量，已经成为决定其发展前景的关键因素之一。 【 1】 图 1.1 2004 年至 2009 年我国汽车保有量变化直方图 - 2 - 与汽车噪声有关的实验结果显示，排气噪声在汽车噪声中占很大比例，因而减小汽车噪声的有效措施是改善排气噪声。 【 2】 当前降低汽车噪
12、声的最有效手段是安装排气消声器。 【 2】 排气消声器本质上是一种声滤波器，其消声性能随声频率的变化而变 化。未安装消声器时，排气噪声有时可达到 80 分贝 【 3】 ，安装消声器以后，噪声情况得到有效缓解，可降至 50 60 分贝。 【 3】 表 1.1 各类型车辆加速最大声压级表 【 4】 车辆类型 加速最大声压级 dB(A) 1985 年 1 月 1 日前 1985 年 1 月 1 日后 载重车 载重量 3.5t 89 84 3.5t载重量 8t 90 86 8t载重量 15t 92 89 轻型越野车 89 84 公共汽车 总重量 3.5t 88 83 4t总重量 11t 89 86 摩
13、托车 90 84 轮式拖拉机 91 86 小客车 84 82 1.2 排气噪声的产生和成分 发动机在工作时，可燃混和气在气缸内高温高压的条件下燃烧，打开排气门以后，产生的废气流入排气管，以脉动的姿态迅速流动，产生了强烈的排气噪声。 由于发动机排出的废气呈脉动形式，产生的噪声能量高，频谱复杂，而且具有明显的宽频带特征，呈现的频谱形状随着发动机结构、种类、转速等条件的变化而变化。排气噪声的频谱包含多种频率成分 【 2】 ，以下是分类介绍： 1、基频排气噪声 发动机工作时，各缸交替发火做功，因而每缸排气门的开闭是呈周期性的，当排气门打开时，缸内突然高速排出的高温高压气体冲击到排气门附近的气体，使这些
14、气体压力发生急剧变化，形成压力波，激发生成周期性的噪声，称为基频噪声。基频噪- 3 - 声的频率与同周期内的排气次数相同，即 Hzznf 601 ，其中， Z 为发动机气缸数， n为发动机转速，单位为 min/r 为行程数。 基频噪声一般频率 较低，通常在 1f 或 12f 、 13f 处出现峰值。 2、排气管内的气柱共振噪声 发动机排气系统管道内的空气，在周期性噪声的激励下，会产生共振，引起共振噪声。对于一个进出口均闭合的空气柱振动系统，其共振频率是 lncf 2 Hz ，处于这一频率的噪声将在管道内产生反共振。对于一端开口的的空气柱振动系统，其共振频率是： l cnf 2 12 Hz 。其
15、中 c 为声速，单位 m/s； l为总管长，单位 m；n 取 1、 2、 3 气柱共振噪声的频率在 一千赫兹 以下时对基频噪声的影响 较小 。 3、排气歧管处的气流吹气声 发动机 工作时，假设从某一气缸内排出大量废气，当废气气流吹到气道开口处时，便会生成周期性的涡流，引起排气歧管内的气体压力波动，生成噪声。当气体波动时的频率正好等于能使管内空气发生共振的频率时，便会产生共振噪声。周期性涡流的产生频率为 dvSft Hz ，其中， tS 为斯托哈尔数，与流场的不定 常性有关， v 是废气经过排气歧管时的流速，单位 m/s， d 为气道直径，单位 m。 当流速 v发生变化时，总会有涡流频率等于共振
16、频率，从而引起气柱振动系统共振，产生共振噪声。 4、 亥姆霍兹共振噪声 亥姆霍兹共振器： 用 理想刚体 形 成的一个封闭的容积为 V 的腔室 就叫做亥姆霍兹共振腔，在 该 腔表面开一个小孔，并穿过一根截面积为 S 、长度为 l 的空心管，空心管两端与大气相通，这样的 结构 形成的共振系统叫做亥姆霍兹共振器。对于发动机， 打开排气门 ， 密闭的 气缸与 空心管形式的 排气管 道 相通，正好形成一个亥姆霍 兹共振 器 ，内部的 气体共振 ， 产生 共振噪声 。共振频 率为= 2 ( + 2 )hcSf V l S Hz 亥姆霍兹共振噪声亥姆霍兹共振噪声 ，其中 c 声速， /ms； V 气缸工作容
17、积， L ； - 4 - S 排气管截面积， 2m ； l 排气管长度， m 。 亥姆霍兹共振噪声与发动机的转速没有关联，因此，在发动机排气噪声频谱中发现的与转速无关的噪声往往就是亥姆霍兹共振噪声。而且，亥姆霍兹共振噪声在单缸发动机中表现 较为突出，随气缸数增加，尤其是四缸以上的发动机，由于各缸之间的相互影响以及排气管长度增加，表现并不突出。 5、废气喷注和冲击噪声 当发动机处于自由排气时间段时，排气门处的气流高速喷出，形成气流喷注，产生喷注噪声。在气体排出后，由于废气流的粘性特质，会产生卷吸作用，带动后面的气体一起旋转，产生涡流，辐射出涡流噪声。另外，排气门附近的压力不连续形成冲击波，产生冲
18、击噪声。废气喷注和冲击噪声的峰值频率为 dcSft Hz ，其中， tS 为斯托哈尔数，与超临界压力比有关， c为声速，单位 m/s， d 为喷口特征尺寸，单位 m。 另外，在强制排气阶段，在排气门处也会产生喷注噪声。 6、紊流噪声 发动机处于超临界排气阶段时，当某一段气道内的气体流速接近声速时，气体流动呈现紊流；当流速由进口的零值增加时，流速的变化引起涡流，而排气管内的高温进一步增加了紊流程度，加剧了排气管内壁面的涡流，辐射出了宽频带的高频噪声。 1.3 排气消声器的基本类型 按消声机理划分，消声器分为阻性、抗性、阻抗复合型三大类 【 5】【 6】 ： （ 1） 、阻性消声器：在消声器腔体壁面上填充或粘附一些吸声材料，一方面产生流动阻力降低废气流速，进一步使废气能量降低，达到降低噪声的目的，另一方面利用吸声材料的吸声属性，使噪音经过一定距离的吸声效果后衰减。 阻性消声器的声学性能主要取决于吸声材料和吸声结构，由于它所能降低的噪声频带较宽，所以一般应用于轿车。同时由于排出的气流带有高温、高速、带油污的特点，对此阻性消声器所采用的吸声材料应该具有耐高温、耐冲击、抗 油污、不易燃的性能。 （优点：适用于中高频范围内的噪声 【 7】 ； 缺点：吸声材料在废气流速的带动下容易丢失。）
