汽车排气系统的声学设计

北京绿创汽车排气系统设计所0北京绿创环保设备股份有限公司汽车排气系统设计所姜鹏明（PhD）汽车排气系统的声学设计北京绿创汽车排气系统设计所1排气系统的构成连接发动机出口，用排气管道连接热端（催化器）和冷端（消声器）构成冷端热端冷端北京绿创汽车排气系统设计所2常用汽车消声器的分类阻性消声器阻抗复合消声器抗性消声器北京绿创汽车排气系统设计所3主观感受物理量限制排气系统声舒适度的限制条件心理（与发动机性能联系）社会习惯(赛车）生理变化（听力损伤）北京绿创汽车排气系统设计所4背压阻力空间几何尺寸布置截面指向气流再生噪声气流速度湍流指向性其它声源的屏蔽消声器材料隔声隔振耐热工艺、成本主观感受物理量限制排气系统声舒适度的限制条件北京绿创汽车排气系统设计所5一、汽车消声器的常规结构设计1.阻性消声结构2.抗性消声结构3.阻抗复合消声结构4.扩散消声结构北京绿创汽车排气系统设计所6阻性消声器原理•利用声阻进行消声。一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时，声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。北京绿创汽车排气系统设计所7阻性消声器的计算方法赛宾公式：彼洛夫公式：4.105.1TSPlLSPlL0－消声系数，与阻性材料垂直入射系数有关。)(0P－气流通流断面周长（饰面部分，无吸声材料的地方不算在内）L－消声器有效长度（饰面部分长度）北京绿创汽车排气系统设计所8高频失效：高频不能很好的用平面波近似，方向性强，以窄声束的形式沿通道传播，很少或根本不与饰面接触，造成消声量急剧下降。Dcf85.1上消声器的高频失效空间几何尺寸式中：c—声速，米/秒；D—气流通道的截面直径，米。上限失效频率:北京绿创汽车排气系统设计所9抗性消声器•抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的，利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。•常用于汽车消声器设计的技术：扩张室式、共振腔、干涉等北京绿创汽车排气系统设计所10扩张室消声器原理•利用管道的截面突变引起声阻抗变化，使得一部分沿着管道传播的声波反射回声源；同时，通过腔室和内接管长度的变化，使得向前传播的声波与在不同管道截面上的反射波之间产生180º的相位差，相互干涉，从而达到消声的目的。北京绿创汽车排气系统设计所11峰值消声频率:),(txpi),(txpr),(2txpi),(2txpr),(txptS1S2S30xLx),(txpi),(txpr),(2txpi),(2txpr),(txptS1S2S30xLx)2sin)1(411(log101log10221010LmmTTLW扩张消音器的传递损失为：fn=（2n+1）lc4通过频率:f“n=lnc2失效频率:f上=1.22c/df下=lVSc22北京绿创汽车排气系统设计所120510152025303502468TLm增加波数扩张比对传递损失的影响051015202530350500100015002000TLL=1.5L=2.0L=2.5扩张器长度对传递损失的影响空间几何尺寸北京绿创汽车排气系统设计所13共振腔消声器原理•利用共振吸声，当声波入射到共振腔口时，因为声阻抗的突然变化，一部分声能将反射回声源。同时在声波的作用下，孔径中的空气柱产生振动，振动时摩擦阻尼又使一部分声能转变为热能而耗散掉，仅有少量声能辐射出去，从而达到了消声的目的。分类旁支型和同轴型北京绿创汽车排气系统设计所14cAclV共振消声器传递损失为：ΔL=10lg20021ffffkK=SGV2G=Vcf202共振消声器设计方法传导率：赫尔姆兹消音器LcVAc北京绿创汽车排气系统设计所15阻抗复合式消声器•阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗性消声器则适于消除低、中频噪声。将阻性、抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果。•不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗复合消声器。一般情况下，是抗性部分放在前面(入口端)，阻性部分放在后面。北京绿创汽车排气系统设计所16消声器空间几何尺寸的限制•原则上，增大消声器的外几何尺寸，可以提高消声量。但是受到底盘布置的限制，增大背压阻力。•截面形状对消声效果也有不可忽视的影响。•排量频繁变化的脉动气流使得静态的声学计算要做出很多修正。北京绿创汽车排气系统设计所17背压阻力空间几何尺寸布置截面指向气流再生噪声气流速度湍流指向性其它声源的屏蔽消声器材料隔声隔振耐热工艺、成本主观感受物理量限制排气系统声舒适度的限制条件北京绿创汽车排气系统设计所18消声器中的压力损失计算气流在净化消声器中的流动状况虽然比较复杂,但是引起局部压力损失最大的通流结构,可以简化为两种基本的物理模型:通流面积的突然扩张和通流体面积的突然收缩.背压阻力北京绿创汽车排气系统设计所191、通流面积突然收缩P’P”22北京绿创汽车排气系统设计所20根据连续、能量和动量方程，经推导可得到下式：Myy01111*MkkkkMMM0101112111110*****()PPyykkyyssk*011121111121211当M11*可得到驻压降与面积比在阻塞时的单参数函数关系北京绿创汽车排气系统设计所211001112120789140798129lim*....PPkkkssk也就是说,面积的突然收缩能引起的驻压损失不会超过来流驻压的21%,从本质上讲,这种驻压损失主要是由气流收缩以后的膨胀而引起的。1.00.90.80.00.20.40.60.81.00SSPP北京绿创汽车排气系统设计所222、通流面积突然扩张A2A2A1A2A1A2北京绿创汽车排气系统设计所23从连续,动量和绝热能量方程出发,引入理想气体的状态方程,得到:MkkMkkMMM2221121211121110*****可以导出静压比与M*与2之间的函数关系。定义:212AA2*1*22*2*1212111111MkkMMkkMPP11222*212121)1(1ksskkkkPP北京绿创汽车排气系统设计所2429.1548.04.1528.0121*20lim1kkkPPkkss当2→0,即A2→时,对上式求极限,得到:PPS02*当20.1时,就很接近极限值了。而实际的消声器设计中,2往往是很小的。1.00.80.60.00.20.40.60.80.51.0SSPP2北京绿创汽车排气系统设计所25增大消声器体积增加内部结构增加紧偶合催化器增加背压增大油耗增加功耗噪声限值加严油耗标准实施排放标准加严排放、噪声、油耗三个标准同时满足对传统设计理论的挑战北京绿创汽车排气系统设计所26重要的设计原则1.尽量分离气流通道与消声通道；2.优化传统声学元件的设计；3.发展和应用新的声学元件。北京绿创汽车排气系统设计所27二、特殊结构的消声元件北京绿创汽车排气系统设计所28XYX0Y00Sx0Sc锥形扩散管及声电类比图ZPVCCjx00111、锥形扩散管北京绿创汽车排气系统设计所29锥形扩散管•只要扩散管的锥角不过份大以免造成气体脱流,这种结构所造成的气流阻力是很小的,几乎没有局部压力损失,可以有效地抑制气流再生噪声。•这种结构常被用作传声筒,然而用作消声元件,还未见报道。•以下的推导证明,锥形扩散管对于低频噪声有明显的抑制作用北京绿创汽车排气系统设计所30锥管的声阻抗推导•根据球坐标下声扰动的波动方程,假设波是均匀的,波阵面上的各个参量相同,可得PUABCDPU11222222sin11xStPCxPSxS锥形扩散管的四端网络系数APPBPUCUPDUUUPUP1201201201202222出口阻塞时入口两端的声压比。出口完全开放时的转移阻抗。出口阻塞时的转移导纳。出口完全开放时的流速比。北京绿创汽车排气系统设计所31锥形扩散管的声阻抗ZlxxklkxklZjxxKSklSSlxxKkxklkljSxkxlxKkllklZll100020000020002002111cossinsincossinsincos由此式,锥管作为一种声学元件其声学特性全部已知北京绿创汽车排气系统设计所32实部是声阻,虚部为声抗。声抗表示辐射不出去的能量。声抗越大,则表示储存在接近场的声能越多,即消声效果越好RZklZklCSSZXjCklSSSSCZklCSSZllllllll22222220200222222202111北京绿创汽车排气系统设计所33当L给定时,可找出某一频率,在此频率上声抗最大,即消声量最大。这个结果只限于低频klCZSSkClZSSllll1100北京绿创汽车排气系统设计所342、直颈锥管声电类比图PVLX02sin42200XS2CV00SX0SC0SLe北京绿创汽车排气系统设计所35结论1.直颈锥管式消声结构阻力小，可有效地抑制中低频噪声；2.其结构特点适合于圆形截面的消声器。尤其适合于要求功率损失小，底盘空间较大的车型（例如：SUV，载重货车）的主消声器。北京绿创汽车排气系统设计所362、螺旋整流式消声结构I0E1E3=E1T1TXIII1E1E2T1T2=T1TX整流前整流后北京绿创汽车排气系统设计所37排气噪声频谱对比50709011031.5631252505001K2k4K8K空管LZ消声器北京绿创汽车排气系统设计所38螺旋整流式消声器负荷曲线16017018019020021022023024025026027028030405060708090100110120功率（马力）燃油消耗（克/马力小时）等长空管消声器北京绿创汽车排气系统设计所39背压阻力空间几何尺寸布置截面指向气流再生噪声气流速度湍流指向性其它声源的屏蔽消声器材料隔声隔振耐热工艺、成本主观感受物理量限制排气系统声舒适度的限制条件北京绿创汽车排气系统设计所40三、气流再生噪声的控制技术北京绿创汽车排气系统设计所41定义：气流之间相互作用或气流和固体相互作用产生的噪声。要素：相互运动----质量----作用力例如：运动气流之间相互作用：气流再生噪声；运动气流和静止固体之间相互作用：喘流噪声；运动气流和静止大气之间相互作用：射流噪声；运动固体和静止大气之间相互作用：旋转噪声；空气动力性噪声特性1、气流噪声产生机理北京绿创汽车排气系统设计所42Ligthill理论：W≈κρVnA/cmV—气流速度；C—声速；A--作用因子。N=4:单极子声源，脉动气流噪声、旋转噪声等；N=6:偶极子声源，喘流噪声等；N=8:射流噪声等；2、气流噪声的模型和影响因素北京绿创汽车排气系统设计所43（1）旋转噪声（也称风扇噪声）旋转物体周期性作用空气介质产生：f0=nZ/60式中：n----风扇转数，Z------叶片数。离散性噪声和有调噪声：2f0,3f0,------------------------LW=10logQ+20logP+K式中：Q-------流量，m3/h;P----风压，Pa