【正文】 隨著聲學(xué)有限元方法的快速發(fā)展，傳遞損失仿真結(jié)果和試驗(yàn)吻合度高，因此傳遞損失被廣泛應(yīng)用于排氣消聲器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程中的聲學(xué)特性分析。s prehensive performance 傳遞損失評(píng)價(jià)方法當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣消聲器同步開發(fā)時(shí)，由于沒有實(shí)體目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)，我們無法進(jìn)行插入損失試驗(yàn)；由于發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)不確定，導(dǎo)致插入損失計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的可信度也大大降低，此時(shí)我們往往只有使用傳遞損失來評(píng)價(jià)消聲器的聲學(xué)性能。下文將詳細(xì)介紹各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)形式。而排氣消聲器的可靠性能要求、耐壓耐久性能要求和外觀要求和排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系不大，暫不作為排氣消聲器設(shè)計(jì)階段的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)過程中，上規(guī)模的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)已逐漸采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)代替大量樣件試制試驗(yàn)，以降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。具有良好工業(yè)價(jià)值的理想消聲器應(yīng)在單位重量上具有最大的消聲量和最小的功率損失。排氣消聲器工藝成本要求主要包括工藝方法要求、產(chǎn)品重量要求和產(chǎn)品材料要求。排氣消聲器的外觀尺寸要求包括外觀要求、裝配要求及邊界尺寸限制。排氣消聲器的可靠性要求主要包括抗腐蝕性和使用壽命；耐壓耐久性要求主要包括密封性、耐壓強(qiáng)度、內(nèi)壓耐久性和振動(dòng)耐久性。我國汽車排氣消聲器技術(shù)要求中明確的對功率損失和排氣背壓進(jìn)行了限制[64]。排氣消聲器具有較大消聲量的同時(shí)勢必要增加功率損失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低，所以排氣消聲器的空氣動(dòng)力性也是評(píng)價(jià)其性能好壞的重要指標(biāo)。排氣消聲器聲學(xué)性能指標(biāo)包括插入損失、傳遞損失、各轉(zhuǎn)速下的尾管噪聲、殼體輻射噪聲、氣流再生噪聲和聲品質(zhì)等。目前對排氣消聲器的性能要求主要包括聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能、可靠性、耐壓耐久性、外觀尺寸及工藝成本要求等[65]。從式()可以看出，評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)選定及對應(yīng)指標(biāo)權(quán)重的合理分配直接決定了綜合評(píng)價(jià)模型的正確與否。主要特點(diǎn)是：它的評(píng)價(jià)包含了若干個(gè)指標(biāo)，分別說明被評(píng)價(jià)事物的不同方面；評(píng)價(jià)方法最終要對被評(píng)價(jià)事物做出一個(gè)整體性的評(píng)價(jià)，用一個(gè)總指標(biāo)來說明被評(píng)價(jià)事物的一般水平[66]。為排氣消聲器的匹配設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文從工程設(shè)計(jì)出發(fā)，針對企業(yè)廣泛關(guān)注的性能指標(biāo)，建立了一種適用于選型設(shè)計(jì)階段的排氣消聲器綜合性能評(píng)價(jià)方法。因此在進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮溫度、壓力及連接管的影響；③. 汽車排氣噪聲為寬頻帶噪聲，建議采用阻抗復(fù)合式消聲器；④. 在同一汽車上采用雙排氣系統(tǒng)的尾管噪聲通常比單排氣系統(tǒng)低 2~7dB；⑤. 阻性消聲器設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意氣流通道直徑引起的高頻失效現(xiàn)象；⑥. 吸聲材料屬性對阻性消聲器消聲性能影響巨大，填充密度增大（流阻率增大），可以提高中低頻消聲性能，使消聲峰值頻率向低頻移動(dòng)；孔隙率增大，全頻段消聲效果會(huì)有所提高；結(jié)構(gòu)因子變大，消聲峰值隨著向低頻移動(dòng)，消聲量變化不大；⑦. 直通式阻性消聲器穿孔段長度越長，中高頻消聲效果越好；穿孔直徑較大，中低頻消聲效果會(huì)降低；穿孔率盡量保持在 20%以上；⑧. 在阻性消聲器吸聲材料后方設(shè)計(jì)一個(gè)空氣層，可提高其消聲性能；⑨. 不同消聲器截面形狀的聲學(xué)性能不同，多棱外形的消聲器往往比圓滑截面的消聲器聲學(xué)性能要好；⑩. 排氣消聲器進(jìn)出口管徑不得小于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管管徑，且最大氣流速度盡量控制在 50~60m/s（常溫）以內(nèi)；尾管直徑可以適當(dāng)小于進(jìn)口直徑；?. 目前排氣消聲器的容積至少是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的 10 倍左右，常用的經(jīng)驗(yàn)公式有 公式、Dean 公式和林式容積計(jì)算公式；?. 一般轎車排氣消聲器的擴(kuò)張比在 9~23 之間，擴(kuò)張比過大，消聲量增加較??；排氣消聲器的長度、直徑比在 2~6 之間；?. 排氣消聲器的腔體數(shù)量可根據(jù)所需消聲量的大小來選擇，目前中小型汽油排氣消聲器普遍采用 3~4 腔；腔體數(shù)量越多，低頻消聲效果會(huì)降低；?. 消聲器第一腔往往起主要消聲作用并緩沖高速氣流，該腔容積一般不應(yīng)小于發(fā)動(dòng)機(jī)排量的 1~3 倍；?. 擴(kuò)張式消聲器通常采用插入管形式消除其通過頻率，插入長度需要進(jìn)行一定的修正；?. 在共振腔壁面添加一定量的吸聲棉，可以使共振消聲范圍展寬；13?. 實(shí)際應(yīng)用中，直通穿孔共振消聲單元穿孔直徑一般大于 3mm，孔間距普遍在 5 倍孔徑左右，穿孔率應(yīng)控制在 25%以內(nèi)，穿孔率大于 10%時(shí)，應(yīng)該考慮其擴(kuò)張腔的影響；?. 將抗性消聲器內(nèi)部不連續(xù)段用穿孔率大于 25%（孔徑 4~10mm）的穿孔管連接，可以大大降低其壓力損失，并不會(huì)對聲學(xué)性能產(chǎn)生較大影響；?. 試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)某一頻率的噪聲成分過大，建議先通過調(diào)節(jié)尾管長度來抑制，而不需要對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改；尾管長度一般取(250350)mm 之間；1415Equation Section (Next)3 排氣消聲器綜合性能評(píng)價(jià)方法研究排氣消聲器的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到聲學(xué)、振動(dòng)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能匹配等多個(gè)領(lǐng)域。11發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及排氣噪聲頻譜獲取消聲器性能目標(biāo)的確定消聲器結(jié)構(gòu)邊界條件的確定（布置形式、位置、尺寸）依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定消聲器的容積計(jì)算得出的容積是否在容積允許范圍之內(nèi)確定消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到消聲器的各個(gè)特征尺寸，如各腔長度等確定消聲器的截面形狀，得到消聲器的外圍幾何尺寸消聲器的長、寬、高是否在消聲器尺寸約束范圍內(nèi)確定吸聲材料的放置位置，吸聲材料的厚度等參數(shù)建立消聲器的三維模型，運(yùn)用軟件對其進(jìn)行聲場、流場的分析判斷分析結(jié)果是否符合消聲器的性能約束要求樣件試制工藝分析做實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)消聲器能否達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)消聲器的生產(chǎn)、制造否是是否否否是是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAE分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖 排氣消聲器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法Fig. The traditional design method of exhaust muffler12 排氣消聲器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則經(jīng)過課題組對國內(nèi)外大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及自身多年消聲器設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，歸納有如下中小型四沖程排氣消聲器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：①. 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是汽車車外最主要的噪聲源，基倍頻階次噪聲對排氣噪聲的能量貢獻(xiàn)最為明顯，目前排氣消聲器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于對低頻噪聲的控制；②. 排氣消聲器的安裝位置對整個(gè)系統(tǒng)的聲學(xué)性能有較大影響。 排氣消聲器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及經(jīng)驗(yàn) 排氣消聲器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)步驟為：①. 明確要設(shè)計(jì)的排氣消聲器的性能目標(biāo)，包括需要達(dá)到的消聲量、允許的最大功率損失比、各轉(zhuǎn)速下尾管噪聲限值和耐久性等；②. 獲取目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，包括目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況信息（流速、流量）及直管噪聲頻譜等；③. 明確要設(shè)計(jì)的排氣消聲器的類型和外形結(jié)構(gòu)邊界條件，包括消聲器類型、消聲器數(shù)量、布置形式和外形尺寸大小等。 消聲器結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)由于排氣消聲器特殊且惡劣的工作環(huán)境，要求其除了應(yīng)具有良好的聲學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)性能之外，還應(yīng)具有較好的防腐蝕性、耐壓密封性、振動(dòng)耐久性、加工工藝性、較長的使用壽命、美觀小巧的外形以及較低的成本等[64]。當(dāng)一定速度的氣體通過排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生阻力損失，往往還會(huì)激起氣流再生噪聲，其中以中高頻的湍流噪聲占主要部分[63]。ex2Δ目前，對于 M1 類汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)功率 ≥ 100kW時(shí)，要求功率損失比 ≤ 6%，排氣背壓差 ≤ 26kPa；發(fā)動(dòng)機(jī)功率 100kW時(shí)，要求功率損失比 ≤ 6%，排氣背壓差≤25kPa[64]。2②. 排氣背壓差排氣背壓差定義為：裝置消聲器前后測點(diǎn)[61]處得相對壓力值之差[57]；符號(hào)：exΔP ；單位： kPa 。①. 功率損失比功率損失比定義為：內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下，裝置消聲器前后的功率差值與沒有裝消聲器時(shí)的功率值之比[57]，用百分比表示，符號(hào)：γ 。響度、尖銳度和粗糙度的計(jì)算方法較多[5860]，有的尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式也相對復(fù)雜，本文對計(jì)算公式不做詳細(xì)羅列。尖銳度反映了聲音的刺耳程度，體現(xiàn)了聲音信號(hào)中高頻成分的比重[59]；人耳往往對高頻噪聲較為敏感，信號(hào)尖銳度越大，聲音就越刺耳，尖銳度的單位是 acum，9定義中心頻率為 1kHz、帶寬為 160Hz 的 60dB 窄帶噪聲的尖銳度為 lacum。③. 聲品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)人是汽車噪聲的直接受體，聲品質(zhì)反映了人對聲音的主觀感受，適合于排氣消聲器性能評(píng)價(jià)的常用心理學(xué)參數(shù)指標(biāo)有：響度、尖銳度和粗糙度等。圖 可以看出同一消聲器在 500℃時(shí)的傳遞損失相對 20℃時(shí)的傳遞損失曲線差異較大，且明顯向高頻移動(dòng)明顯。聲波的波長為：f+t=λ ()圖 不同溫度下傳遞損失對比Fig. The transmission loss at different temperatures對某個(gè)頻率的聲波來說，波長是隨著溫度的增加而增加的。一般地，空氣中聲速隨溫度變化的近似計(jì)算公式為：8cRTcttp= =1. 4287(+)≈+()c 為聲速，溫度 t 的單位為℃。C～800 176。isD— 不裝消聲器只裝空管的排氣噪聲A、C計(jì)權(quán)或頻帶聲壓級(jí)，單位為分貝p1L（dB）（基準(zhǔn)值： 20 μP a）；— 裝消聲器后的排氣噪聲A、C計(jì)權(quán)或頻帶聲壓級(jí)，單位為分貝（dB）（p2L基準(zhǔn)值： 20 μP a）；②. 傳遞損失傳遞損失定義為：入射聲功率級(jí)和通過消聲器傳遞的聲功率級(jí)之差[61]，符號(hào)：tsD ；單位：dB。①. 插入損失插入損失定義為：裝置消聲器前后，聲源通過排氣口向外輻射噪聲的聲功率級(jí)之差[57]；符號(hào)：isD ；單位：dB；當(dāng)排氣管管口位置、大小、形狀和聲場分布保持不變，這時(shí)插入損失就等于給定測點(diǎn)處裝置消聲器前后聲源通過排氣口向外輻射噪聲的聲壓級(jí)之差。7Equation Section (Next)2 排氣消聲器性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論 排氣消聲器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)目前，排氣消聲器常用的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含三個(gè)方面：聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。為排氣消聲器專家系統(tǒng)的開發(fā)提供理論依據(jù)。6 本課題研究目的與內(nèi)容 研究目的本課題來源于重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目：內(nèi)燃機(jī)消聲器設(shè)計(jì)技術(shù)研究及其專家系統(tǒng)開發(fā)（CSTC 2008AB6108），是基于汽車生產(chǎn)企業(yè)的普遍需求，以某汽車生產(chǎn)企業(yè)的排氣消聲器開發(fā)試用為支持展開的，是排氣消聲器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的子研究項(xiàng)目。目前排氣消聲器評(píng)價(jià)仍以單一指標(biāo)獨(dú)立評(píng)價(jià)為主，國內(nèi)外提出的排氣消聲器綜合性能評(píng)價(jià)方法也主要是進(jìn)行定性分析，沒有對各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行定量化分析，且涉及排氣消聲器的傳遞損失性能定量評(píng)價(jià)也鮮有報(bào)道。2009 年，夏珩等人提出了一種多工況下綜合考慮排氣消聲器插入損失、被壓損失和尾管噪聲線性度的排氣消聲器綜合性能評(píng)價(jià)函數(shù)，引入了對排氣消聲器聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)[55]。2007年，李林凌等人比較全面的對排氣消聲器評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析，并逐一通過 CAE方法進(jìn)行求取，但并未將綜合評(píng)價(jià)方法定量化，仍是單一因素的比較[53]。2006 年，德國學(xué)者 Bernd Fuhrmann 將尾管聲品質(zhì)作為排氣消聲器的性能指標(biāo)，指導(dǎo)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)[52]。目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員往往是按照各性能指標(biāo)逐一對方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，但排氣消聲器性能的優(yōu)劣不僅僅是單一指標(biāo)可以衡量的，它需要綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)與要求。目前國內(nèi) CBR 技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用多集中在故障診斷專家系統(tǒng)中，而應(yīng)用到排氣消聲器設(shè)計(jì)中，目前國內(nèi)外還鮮有報(bào)道。2004 年牛曉太等提出 CBR 方法在談判中的研究與應(yīng)用，將談判產(chǎn)生的歷史案例通過分類形成知識(shí)庫[48]。2002 年吳家洲、楊叔子等開發(fā)了基于實(shí)例推理的齒輪快速設(shè)計(jì) CAD 系統(tǒng)[46]。如，1991年史忠植等人提出了記憶網(wǎng)模型和范例檢索算法，并在 1993 年研制了基于實(shí)例學(xué)習(xí)的石油產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng) EOFDS[42]；1995 年陳維克等開發(fā)了基于范例推理技術(shù)的CAPP 專家系統(tǒng)[43]。然而就 CBR 技術(shù)的相關(guān)理論和應(yīng)用研究仍在繼續(xù)，主要以美國、德國、日本為主[40][41]。進(jìn)入 90 年代，CBR 的理論研究已基本穩(wěn)定，框架已基本形成，逐漸開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用開發(fā)，推出了應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的 PATDEX 系統(tǒng)[34]，1999年，Ian. watson 指出 CBR 不是一種技術(shù)而是一種方法[35]，改變了以往人們對 CBR是 AI 技術(shù)的認(rèn)識(shí)，對 CBR 的理論研究發(fā)展具有重要意義[36]，它認(rèn)為諸如邏輯程序設(shè)計(jì)、基于規(guī)則的推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、基于約束的程序設(shè)計(jì)等技術(shù)都有明顯的特征，如具體的編程語言或開發(fā)環(huán)境，或是具體的算法和技術(shù)，而 CBR 描述的只是一種解決問題的方法，并沒有專屬于自己的特定技術(shù)，比如最常用的事例檢索算法—最近鄰檢索算法來自運(yùn)籌學(xué)，歸納索引技術(shù)來自機(jī)器學(xué)習(xí)，它只能借用其它領(lǐng)域的成熟技術(shù)來完成當(dāng)前問題的求解；因此，在理論上未來 CBR 的研究方向和挑戰(zhàn)是如何將其它領(lǐng)域的成熟技術(shù)如模糊邏輯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)遺傳算法和未來新興的 AI 技術(shù)等應(yīng)用于 CBR 循環(huán)以提高 CBR 系統(tǒng)推理的效率與質(zhì)量[6]。1988 年，第一個(gè)真正將4CBR 方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)的系統(tǒng) CYCLOPS 誕生，它將基于約束的求解方法與基于實(shí)例的調(diào)整和修改方法結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)園林的規(guī)劃。在 Schank 提出的理論基礎(chǔ)上，GeorgiaTech 的 Janet Kolodner 在 1983 年開發(fā)了第一個(gè)基于 CBR 的應(yīng)用系統(tǒng) CYRUS[32]，它是