基于排气消声器设计相关问题探析

　　前言
　　排气噪声是汽车最重要的噪声源, 用排气消声器控制汽车的排气噪声是切实有效的降噪措施, 其设计水平对汽车的噪声质量指标有很大影响。研究设计消声效果好、功率损失低、结构工艺性合理的排气消声器是很有必要的。本文提出的消声器设计的基本原则及方法, 对消声器的设计具有指导作用。
　　一、汽车排气消声器的要求及其性能评价指标分析
　　1、汽车排气消声器的主要技术要求：1) 消声性能好, 消声量频率特性尽可能与必需的消声量频率特性一致;2) 对排气气流的阻力尽可能小 , 从而不致影响发动机的动力性能及经济性能;3) 具有合理的空气动力性能, 在高温高速脉冲性排气气流作用下不产生任何形式的再生噪声;4) 具有一定的强度、刚度和较长的使用寿命;5) 结构紧凑, 体积小, 重量轻, 工艺性好, 成本低。
　　2、汽车排气消声器性能评价指标。一是消声性能评价。评价消声器的消声性能常使用传递损失 tl( t rans-mission lo ss) 和插入损失 il ( in- ser tlo ss) 两种参数。传递损失是指消声器的进口处声功率级和出口处声功率级之差。插入损失是指装上消声器前后, 排气口同一测点处声压级之差。传递损失的特点是能反映消声器本身的传递特性, 而不受声源管道系统和消声器尾管的影响, 即与声源和消声器出口端的声阻抗无关。而插入损失则和声源及消声器出口端的声阻抗有关。因此, 传递损失和插入损失在数值上略有差别。WWw.11665.CoM此外, 传递损失测量比较复杂, 插入损失测量比较简单, 一般以插入损失作为消声器消声性能的评价指标。载重汽车排气消声器的插入损失一般为 20- 30 db (a),小轿车的插入损失为 30~ 40 db( a)。消声器由各种声学元件组成, 常用的声学元件有直管、截面扩张、截面收缩、内插管扩张、内插管收缩、穿孔管扩张、穿孔管收缩、穿孔板及共振腔等。消声器总的传递矩阵为构成消声器的各声学元件传递矩本文由论文联盟http://收集整理阵的乘积。二是阻力损失评价。消声器阻力损失是指气流通过消声器时, 消声器进出口端总压差。
　　二、汽车排气消声器的设计分析
　　1、消声器型式的选择。排气消声器有阻性消声器、抗性消声器及两者结合的阻抗复合型消声器。阻性消声器借助于装在管壁上的吸声材料(如玻璃棉、岩棉和毛毡等) 或吸声结构的吸声作用达到消声的目的。这种消声器对中高频噪声有较好的消声效果, 但对低频噪声消声效果差。抗性消声器是利用管道的突然扩张、收缩或旁接共振腔, 使沿管道传播的噪声在截面突变处有一部分向声源反射回去, 而不通过消声器, 这种消声器对中低频噪声消声效果好, 高频较差。阻抗复合型消声器是综合上述两种消声器的特点制成的, 即将扩张室、共振腔和吸声材料组合在一起构成消声器, 因而这种消声器在很宽的频率范围内都有良好的消声性能。由于阻性消声器及阻抗复合型消声器均加有吸声材料, 这些吸声材料易被高温排气熔化, 或被炭烟、油泥堵塞而使消声性能下降。因此, 一般不选用这两种消声器作汽车的排气消声器。从对汽车排气消声器的要求看, 采用抗性消声器最为合适。因为它是金属结构, 耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、成本低、寿命长。为了弥补其高频消声效果差的缺陷, 一般采用穿孔管、穿孔板及多级组合等对高频消声效果好的结构。
　　 2、消声器总容积选择在设计消声器时, 首先要确定消声器的容积。据目前大多数汽车统计资料看, 消声器总容积与发动机排量之比大多在 3- 5( 4) 之间。从发动机发声的能量来看, 发动机的排量越大, 它的废气量也越多, 排气噪声的能量也就越大, 要消声达到国家标准规定的允许值就必须用大容量的消声器。
　　3、消声器腔数的选择。单腔消声器很难满足发动机排气噪声消声量的要求,实用的发动机排气消声器大多由 2- 4 腔组成。 消声量并不是随腔数的增加而按比例增加的。相反腔数越多, 排气背压大, 消声器的功率损失也越大, 同时消声器的结构、重量、工艺性能都差。因而超过 4腔将是得不偿失的。消声器腔数选择原则是在满足消声量要求的前题下, 尽量选用腔数少的消声器。
　　4、消声器第一腔容积的确定在消声器总容积一定的条件下, 适当增加第一腔的容积分配可以改善消声器的消声性能。此外还可以降低气流的脉冲性, 使气流参数有充分的平衡空间, 从而减少气流流动阻力损失。
　　5、消声器尾管尺寸及末端出口形状的选择消声器的尾管对消声量及功率损失都有一定的影响。一般讲, 为获得好的消声效果, 尾管应细而长, 但过细会增加尾管中的气流速度。气流速度 v 增加, 消声器的阻力损失将按二次方规律成正比增大。通常应保证尾管内气流的平均流速以不超过 45~ 50 m/s 为宜, 尾管的直径比消声器前的排气管略小些。消声器尾管的末端出口形状主要有三种。在设计末端出口形状时, 首先应考虑采用正切口形式。采用鱼尾管形式可进一步增大消声量, 但鱼尾管压扁的程度必须由发动机试验慎重地确定, 过分地缩小管口会因喷出气流速度增大而产生"风呼啸"类的再生噪声。采用斜切口形式的声场有方向性, 在汽车上布置时应背对人行道或切口朝下安装。
　　三、消声器最优化设计分析
　　消声器最优化设计是近几年才发展起来的一种先进的设计方法。其优点是: 借助电子计算机可以系统地分析不同结构及不同尺寸参数消声器的消声性能, 在很短的时间内优选出最佳的消声器结构及相应的最佳尺寸参数, 而不必做大量的消声器加工及试验测试工作。当然, 对于最后优选出的消声器应做实际测试, 对消声性能的理论预测结果进行检验, 并对消声器的功率损失是否达到预定目标进行现场测定。消声器最优化设计程序如下:1) 根据实际条件选定消声器的插入损失、功率损失和消声器总容积等项目的设计指标, 给出发动机频谱。2) 选定消声器系统主管道的直径及气流温度、声速和主管道中的气流马赫数。3) 选择一系列消声器结构。4) 对一种消声器结构, 选择一系列尺寸参数。5) 对一组给定尺寸参数, 计算消声量, 计算压力损失。6) 对另一组尺寸参数重复 5. 行内容。7) 对给定消声器结构优选出一组或若干组尺寸参数,使插入损失达到设计指标, 并使压力损失尽可能小。8) 对另一种消声器结构重复 4. 至 7. 行内容。9) 优选出最佳的一种消声器结构及相应的最佳尺寸参数。
　　四、结语
　　目前对噪声的控制已成为汽车生产的一项重要质量指标, 将直接影响产品在市场上的竞争力。因此, 设计一种性能良好的排气消声器将会使汽车的噪声大幅度下降。