【正文】 根據(jù)國標(biāo)《汽車加速行駛車外噪聲測量》要求由公式（ 41）得到車外加速出線時轉(zhuǎn)速在 15002500rpm，取 n=2020rpm。故應(yīng)分析直管排氣噪聲頻譜，以合理分配各腔對應(yīng)的中心頻率值，再由公式（ 313）和（ 314）確定各腔 的長度，使整個噪聲頻段內(nèi)都有一定的消聲。 根據(jù)本消聲器的預(yù)期消聲量為 20dB，選擇 B 類消聲 器，消聲器腔數(shù)n 確定為 3 腔。由公式（ 310）計算得到 L=423mm。故截面形狀初步選擇圓形截面。 根據(jù)頻率較高時，由高次諧波的影響，在擴張比相同的條件下，不同截面形狀的消聲器的性能是不一樣的，且在各種不同的截面形狀中，截面為圓形的消聲器性能最優(yōu)。 消聲器容積及截面形狀的確定 根據(jù)美國 Ne1Son 公司推薦的經(jīng)驗公式（ 35），取 Q=5 采用上述公式計算的到： V=。本章根據(jù)第三章介紹的方法依次確定消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 消聲器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的確定 有汽車排氣系統(tǒng)的要求，本文確定，本文選用抗性消聲器結(jié)構(gòu)。 根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)和要求，消聲器改進方法不同：若要滿足消聲器的安裝空間限 制要求，則可以在消聲器其他性能變化不大的前提下改變消聲器的截面形狀；若要改善抗性消聲器消聲量的頻率特性，則可以在擴張腔內(nèi)做吸聲層、錯開內(nèi)接插入管形成迷路型式、合理調(diào)整各擴張腔的長度甚至有效體積、將阻性消聲同抗性消聲結(jié)合在一起形成阻抗復(fù)合式消聲器等；若要改善消聲器的空氣動力性能，則可以在插入管端增加導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)或是將抗性消聲器內(nèi)管不連續(xù)段用穿孔率大于 25%（孔徑直徑可取 4 到 10mm）的穿孔管，這樣既可以保持原有的消聲性能，又可大大減小壓力損失。評價消聲器的聲學(xué)性能、空氣動力性能的兩個物理量分別為傳聲損失和壓力損失，而他們的影響因素往往是相互矛盾的，即再增大傳聲損失同時，往往會伴隨著壓力損失的增大。 )(1 21?? （ 330） 式中， 1A 為小截面管道截面積， 2A 大截面管道截面積； 對于穿孔管，單個孔的局部損失系數(shù)為： ?? 。 對于管道截面突然擴大的情況，局部損失系數(shù) ?按公式（ 329）計算，也可查表 32。； /2gV2 為單位重量流體的動壓頭；λ為沿程阻力損失系數(shù)，與流體的粘度、流速、管道的內(nèi)徑以及管壁粗糙度等有關(guān)，是一個零量綱系數(shù)，由試驗確定，它可由查表得出：一般而言，穿孔板消聲管內(nèi)壁取可取 ~，新無縫鋼管平均粗糙度在 到 之間。局部阻力損失是發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，是在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體速度分布急劇變化、流體微團的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。沿程阻力損失是發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，是由流體的粘滯力造成的損洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 失。 傳統(tǒng)的抗性消聲器壓力損失計算采用基于理論和試驗的半經(jīng)驗公式法。壓力損失的主要計算方法有：傳統(tǒng)的壓力損失計算和 CFD 仿真分析方法。 消聲器空氣動力性分析 計算 消聲器的空氣動力特性評價指標(biāo)通常為壓力損失或阻力系數(shù)。在進、出口管道中，我們認為聲波滿足平面波原理即滿足聲波方程： )()()( kytjkytj BAeyp ?? ?? ?? (325) 式中，第一項為直達聲及入射聲，第二項為反射聲，故對于每個頻率下上洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 式可化簡為： kyjrkyji epepyp ?? ?)( (326) 因此 1 點、 2 點的聲壓可表達為式中， ck ?? ，稱 為波數(shù)； ip 為入射聲壓， rp 分別為反射聲壓。如圖 。 消聲器進口需要均勻的速度或聲壓來獲得激勵 ,只要在進口管和出口管內(nèi)高階模態(tài)不被激起 ,認為聲波為平面波。三點法類似于用在傳聲損失測量的四傳聲器法 ,與傳統(tǒng)的四極傳遞矩陣法相比 ,它僅需要單個邊界類型來獲得每個頻率下的傳聲損失。 2） 四極傳遞矩陣法 使用四極傳遞矩陣法需要計算進出口聲壓和振動速度 ,矩陣形式的方程為 式中 , 1p 、 2p 分別為消聲器進口和出口聲壓 。本文利用聲學(xué)計算軟件 SYSNOISE 進行聲場分析，并采用三點法計算分析消聲器的傳聲損失 1） 傳統(tǒng)法 傳聲損失的定義是入射聲功率和傳播聲功率之比。 三維數(shù)值方法在整個求解域上使模型離散化 ,并求解波動方程 ,不需對波動方程和邊界條件進行簡化 ,能夠比較直觀和準確地分析復(fù)雜的消聲結(jié)構(gòu)，故三維數(shù)值方法在計算傳聲損失方面得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 三維數(shù)值仿真分析方法 在消聲器截面幾何尺寸較小 ,且噪聲頻率不太高時， 一維平面波理論分析法是適用的 。則波動方程簡化為： 對于角頻率為ω的簡諧波，其一般解為： 式中，＋號表示反向聲波， ~號代表正向聲波。消聲器聲學(xué)性能分析方法主要有：基于一維平面理論傳統(tǒng)的消聲結(jié)構(gòu)分析法和三維數(shù)值仿真分析方法。因此，最好是采用錯開式內(nèi)插管，它能避免簡單膨脹腔出現(xiàn)通過頻率的缺點，又能使氣流在消聲器內(nèi)得到充分的膨脹，因而消聲性能較好。 試驗證明，中心對正插入管的性能差些，插入深度越大，阻力系數(shù)越大，性能下降越多。 消聲器內(nèi)各腔的長度確定之后， 腔與腔之間可用管子或開小孔連通，只要流通面積一定，本質(zhì)上無多大差別。由公式（ 319） 、 （ 320）可知穿孔直徑直接影響著穿孔管的消聲性能，實際上穿孔管的消聲特性有與穿孔管的位置及穿孔率有關(guān)。 sGVk 2? （ 320） 式中， S 為 消聲通道截面積。 工程設(shè)計中 ,穿孔管的消聲量可按公式（ 319）計算。 )(4G 2 dt dn?? ? （ 318 ) 式中： d 為 孔徑 。V~共振腔體積 。小孔和空腔組成 一個彈性振動系統(tǒng) ,當(dāng)氣流的聲波頻率和共振腔振動系統(tǒng)的固有頻率相同時 ,這個振動系統(tǒng)就發(fā)生共振 ,孔頸中具有一定質(zhì)量的空氣柱運動速度加快 ,摩擦阻力增大 ,大量聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉 ,從而達到消聲的目的。 消聲器 穿孔管擴張腔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 由于擴張腔結(jié)構(gòu)的低頻消聲效果不是很理想，往往設(shè)計消聲器時需要將擴張腔結(jié)構(gòu)與穿孔管共振腔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以彌補擴張腔結(jié)構(gòu)低頻消聲量不足的缺陷。 確定消聲器各尺寸參數(shù)后，還需根據(jù)公式（ 315）和（ 316）確定消聲器消聲頻率的的上下限。目的是為了實現(xiàn)消除低、中、高頻噪聲的全頻消聲。 第一腔長度 L1 確定之后 ,第二腔長度 L第三腔長度 L3 等便可相繼確定。即對發(fā)動機直管噪聲的分析，根 據(jù)直管排氣聲頻譜合理選擇第一腔對應(yīng)的中心頻率。k 為諧波序數(shù)；τ為沖程系數(shù)，對于二沖程τ =1，四沖程τ = 2。一般 , 可根據(jù)消聲量選擇按照下列經(jīng)驗公式（ 311）確定消聲器的腔數(shù) n， A 類消聲器 消聲量≥ 10 dB(A) n=2~3 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 B 類消聲器 消聲量≥ 15 dB(A) n=3~4 （ 311） C 類消聲器 消聲量≥ 20 dB(A) n≥ 4 消聲器各腔長度 il 的確定 當(dāng)消聲器的容積 eV 、縱橫比 L/D、腔數(shù) n 確定之后 ,如何分配各腔的長度 ,尤其是第一腔長度 L1 的確定十分重要 ,它承擔(dān)著消聲器的主要消聲性能和緩沖高溫高速脈動氣流的任務(wù)。但腔數(shù)多，制造材料消耗和加工時間增多，成本增加。反之，消聲器的 L/D 越大 ,說明消聲器越細長 ,雖然高頻消聲效果差些 ,但低頻消聲效果好。 (310) 一般消聲器的縱橫比 L/D=~5，對于直通式消聲器 ,L/D=6~8。 由于不同截面形狀的面積計算公式，故不同截面形狀的消聲器外形尺寸 D 和擴張比 m的直接關(guān)系式是不同的。一般可通過預(yù)期消聲量要求確定膨脹比 m，再根據(jù)膨脹比 m 由公式（ 38）確定消聲器外型尺消聲器擴張腔橫截面面積。因此，在設(shè)計時不影響消聲器安裝空間尺寸的條件下，截面形狀應(yīng)盡量取圓形。在各種不同的截面形狀中， 截面為圓形的消聲器性能最優(yōu)。通過用有限元法對不同形狀的消聲器性能進行數(shù)值模擬，在頻率較低的平面波范圍內(nèi)，消聲器的性能僅與擴張比有關(guān)，而與截面形狀無關(guān)。 2) 消聲器 截面形狀的確定 由于布置空間和外觀需要等原因，往往將消聲器做成各種形狀，常見的有圓形截面，橢圓形截面等。 ?K 為 內(nèi)燃機沖程數(shù)修正系數(shù) ,四沖程 ?K =1，二沖程 ?K =2； ?K 為 消聲器應(yīng)用于不同類型內(nèi)燃機的修正系數(shù) ,非增壓柴油機 ?K =1 ,非增壓汽油 ?K = 增壓內(nèi)燃機 , ?K 為增壓比； nK 為 內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速修正系數(shù)， bn nK ??? （ bn 為標(biāo)定轉(zhuǎn)速） ； ?K 為 內(nèi)燃機壓縮比修正系數(shù) ,汽油機 ?? 61?K ，柴油機 ?? 141?K (ε為壓縮比 )。 N 為 發(fā)動機氣缸數(shù) 。 n 為 發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速 (rpm)。 ① 推薦的四沖程內(nèi)燃機消聲器容積計算公式 NnKVV he 1? (34) 式中， K 為常數(shù)，用于城市及公路貨車 ,K=35000， 用于客車及轎車 ,K=50000； hV 為內(nèi)燃機排量； n 為內(nèi)燃機標(biāo)定轉(zhuǎn)速 , rpm ， N 為內(nèi)燃機氣缸數(shù)。目前一般是根據(jù)發(fā)動機排量的大小來確定其尺寸。而容 積太小會引起內(nèi)燃機功率損失的增加， 消聲效果下降。 消聲器容積及截面形狀的確定 1) 消聲器容積的確定 消聲器容積合理的選擇方法應(yīng)是在使用條件允許的情況下，盡量取大的容積為宜。 由公式 33確定進排氣管的直徑 。 一般 ,消聲器前插入管的氣流速度可取 v=60~90m/s。 排氣消聲器進、出氣管內(nèi)徑 1d 、 2d 的確定 消聲器進、出口管的直徑直接影響排氣管氣流的流速，消聲器的擴張比以及消聲器的功率損失等。為了彌補其高頻消聲效果差的缺陷，往往需要采用如穿孔板或多級組合等對高頻消聲效果較好的結(jié)構(gòu)。 表 各類消聲器推薦設(shè)計指標(biāo) 車輛類型 插入損失 (A) 功率損失比 .% 摩托車 20~25 5 載重汽車 20~25 5 工程車輛 15~30 5 大中型客車 25~30 5 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 小轎車 30~40 5 消聲器結(jié)構(gòu) 的確定 消聲器的結(jié)構(gòu)類型的確定 按照消聲機理不同，可將消聲器分為阻性消聲器、 抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器三大類：阻性消聲器主要利用吸聲材料增大聲阻來消聲，具有良好的中、高頻消聲效果；抗性消聲器則是利用管道截面突變、旁支管和共振腔等造成聲傳播時阻抗失配 (主要是聲抗 )，從而達到消聲的目的，具有良好的低、中頻消聲效果；阻抗復(fù)合型消聲器是綜合上述兩種消聲器的特點制成的 ,即將擴張室、共振腔和吸聲材料組合在一起構(gòu)成消聲器，兼有阻性和抗性的作用，在很寬的頻率范圍內(nèi)都有良好的消聲性能。k 為諧波序數(shù)；τ為沖程系數(shù)，對于二沖程 τ =1 ，四沖程τ = 2。大量實驗表明，排氣噪聲的強弱與內(nèi)燃機的類型、排量、功率、轉(zhuǎn)速、平均有效壓力和排氣口的面積直接相關(guān)，且氣噪聲 隨排量、轉(zhuǎn)速、功率、平均有效壓力的增加而提高。排氣噪聲的組成主要分為：低頻脈動噪聲、排 氣管道內(nèi)的氣柱噪聲 、氣缸的赫爾姆霍茨共振噪聲、高速氣流在通過排氣門環(huán)隙及曲折的管道時所產(chǎn)生的噴注噪聲、渦流噪聲以及排氣系統(tǒng)在管內(nèi)壓力波激勵下所產(chǎn)生的再生噪聲形成連續(xù)性高頻噪聲。這種噪聲呈現(xiàn)出明顯的寬頻帶特征，隨著內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)、種類以及內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等的不同，將會有不同形狀的頻譜。這種消聲器是一套儀器裝置，主要由傳聲器、放大器、相 移裝置、功率放大器和 揚聲器 等組成。小孔消聲器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)的，如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時、噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或 超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人的干擾和傷害 。選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深， 就可以控制消聲器的頻譜性能，使其在需要的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。 把阻性結(jié)構(gòu)和抗性結(jié)構(gòu)按照一定的方式組合起來，就構(gòu)成了 阻抗復(fù)合式消聲器 。選取適當(dāng)?shù)墓芎褪疫M行組合．就可以濾掉某些頻率成 分的噪聲，從而達到消聲的目的。與電學(xué)濾波器類似，每一個帶管的洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 小室都有自己的固有頻率。 抗性消聲器是由突變界面的管和室組合而成的 ，好象是一個聲學(xué)濾波器，與電學(xué)濾波器相似，每一個帶管的小室是濾波器的一個網(wǎng)孔，管中的空氣質(zhì)量相當(dāng)于電學(xué)上的電感和電阻，稱為聲質(zhì)量和聲阻。因此，人們就把這種消