1、 消聲器的設(shè)計(jì)流程與研究胡景彥 蘇圣 江帆 吳豐凱 呂希斌（1. 寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000）摘要：隨著社會(huì)對(duì)振動(dòng)噪聲關(guān)注度與日俱增，采用的降噪措施也是不斷多樣化，本文主要研究的方向主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲方面，采用消聲器進(jìn)行降噪措施的研究。對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)其排氣噪聲在不同頻率的聲壓級(jí)是不同，而對(duì)于不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的聲壓級(jí)大小也是不一樣。所以需要專門針對(duì)某一款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一款消聲器進(jìn)行降噪，這就涉及到如何設(shè)計(jì)消聲器使之能夠完全與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配，本文主要研究的課題是采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與有限元計(jì)算相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)消聲器。關(guān)鍵詞：消聲器 噪聲 聲壓級(jí) 聲強(qiáng)級(jí) 聲功

2、率Design cycle and Research of MufflerHU jing-yan, Su Sheng, Jiang Fan, WU feng-kai，Lu xi-bin (DLT TECHNOLOGY CO.,LTD., NingBo 315000, China)Abstract: What some diversified measures has been adopted in the aspect of noise reduction is the result of the fact that attention paid to the vibration and no

3、ise grows with each passing day. The paper is mainly talked about using muffler for noise reduction to deal with the problem pretended in the respect of engine exhaust noise. It is the difference in the frequencies of sound pressure level as well as that of the displacement engine result in diverse

4、sound pressure level that requires specifying a certain engine with a corresponding muffler for noise reduction. This involves how to devise silencer to make it completely match the engine. The issue, in the paper, is adopting the mode of combining the traditional design method and finite element ca

5、lculation to design the silencer.Keywords: Muffler, Noise, Sound Pressure Level, Sound Intensity, Sound Power Level0引言由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車NVH的要求日趨提高，這就對(duì)汽車上面的各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)必須考慮降噪的因素。對(duì)于汽車降噪方面往往涉及到許多領(lǐng)域，比如說汽車各個(gè)零部件的振動(dòng)情況，汽車內(nèi)外飾所采用的吸聲材料，以及降低噪聲源聲學(xué)阻抗的設(shè)計(jì)。本文主要是針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲方面的降噪措施進(jìn)行研究，找出一條設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)消音器的設(shè)計(jì)思路。因?yàn)橄羝鞯脑O(shè)計(jì)不僅要考慮聲學(xué)方面降低多少聲壓級(jí)，還要

6、考慮消聲器的流動(dòng)損失。所以在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)需要運(yùn)用多種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此優(yōu)化出消聲器最佳性能。如何能夠合理的安排和采用分析手段是下面我們所要重點(diǎn)研究的課題。1 消聲器的設(shè)計(jì)1.1 消聲器整體設(shè)計(jì)思路在消聲器設(shè)計(jì)中往往需要考慮兩大因素，分別是工藝成本和性能。如果一旦設(shè)計(jì)消聲器的邊界條件已經(jīng)限定，消音器的工藝成本和性能之間的矛盾就變得尤為的突出。為了能夠更合理的找出它們的擇中點(diǎn)需要消聲器的結(jié)構(gòu)做些更改以此保證在不提高生產(chǎn)工藝成本的前提下，提高消聲器的性能。消聲器的性能主要分成兩大方面，一個(gè)是它的聲學(xué)性能，另一個(gè)是它的流動(dòng)損失。由于在設(shè)計(jì)消聲器的時(shí)候存在兩種設(shè)計(jì)因素，所以制定一個(gè)合理的設(shè)計(jì)流程是十分必

7、要的。以下是設(shè)計(jì)消聲器的步驟。1、需要整車廠商提供設(shè)計(jì)的邊界條件，以免設(shè)計(jì)完的消聲器由于體積的問題無法安裝在整車上面。2、分析發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲頻譜，觀察那個(gè)頻率段下聲壓級(jí)偏高，這將為后面消聲器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3、通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)消聲器布置方案，但是由于整車廠所提供的邊界條件限制，設(shè)計(jì)出來的消聲器不一定是規(guī)則的形狀，由于不規(guī)則的內(nèi)腔可能會(huì)導(dǎo)致與傳統(tǒng)理論的計(jì)算結(jié)果存在誤差，所以就需要通過有限元的手段進(jìn)行計(jì)算。4、通過有限元軟件進(jìn)行對(duì)消聲器進(jìn)行聲學(xué)分析，觀察各個(gè)頻段下降低的聲壓級(jí)是否滿足設(shè)計(jì)要求，哪里是否需要更改，以及判斷哪里是否需要附件吸聲材料。5、聲學(xué)分析完成后需要再進(jìn)行一次CFD分析，

8、驗(yàn)證流動(dòng)損失是否控制在合理的范圍內(nèi)，如果流動(dòng)損失過大需要重新更改方案驗(yàn)證聲學(xué)性能，然后再進(jìn)行一次CFD分析。下圖為消聲器的設(shè)計(jì)流程圖。圖1 消聲器的設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design cycle of Muffler1.2 消聲器的設(shè)計(jì)消聲器的種類一般比較多，一般有以下幾種，分別是阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器等等。由于各種消聲器的消聲原理不同，本文將重點(diǎn)介紹抗性擴(kuò)張室式消聲器的設(shè)計(jì)?？剐詳U(kuò)張室式消聲器的降噪原理并不是將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲完全吸收，而是類似于一個(gè)濾波裝置，將令人無法承受的聲音進(jìn)行阻攔，而允許一部分能體現(xiàn)出汽車動(dòng)力性的低頻聲音通過。圖2為抗性擴(kuò)張室式結(jié)構(gòu)圖。圖2 擴(kuò)張室式消

9、聲器結(jié)構(gòu)Fig.2 Expansion Chamber Muffler Structure在計(jì)算消聲器在各頻率下聲壓級(jí)降低的數(shù)值需要對(duì)消聲器進(jìn)行建立聲學(xué)模型，為了計(jì)算方便，聲學(xué)理論計(jì)算通常使用的是電-力-聲線路類比的方法進(jìn)行求解1，下圖為圖2擴(kuò)張室式消聲器結(jié)構(gòu)的線路類比圖。圖3 擴(kuò)張室式消聲器類比圖Fig.3 Expansion chamber muffler analogy map其中Ma1為消聲器第1管的聲質(zhì)量，Ra1為消聲器第1管的聲阻，Ca1為第1腔的聲容。消聲器對(duì)各個(gè)頻段下的聲波進(jìn)行降噪的指標(biāo)用消聲量L進(jìn)行標(biāo)示，消聲量的定義如下所示： L=10log101tI （1）其中tI為透射系

10、數(shù)，其定義如下所示1： tI=ItIi=44cos2kD+(S21+S12)2Sin2kD （2）其中It為透射波聲強(qiáng)，Ii為入射波聲強(qiáng)，k為聲數(shù)k=2fC0，D為消聲器腔室長度，S12為S1與S2的比值，S21為S2與S1的比值。將式2帶入式1得3：L=10log101+14S12-S212Sin2kD （3）當(dāng)kD=(2n-1)2或D=(2n-1)4(n=1,2.)時(shí)，消聲量達(dá)到最大值。也就是說當(dāng)腔室長度為1/4波長的奇數(shù)倍時(shí)消音量最好。以上的公式就是設(shè)計(jì)抗性擴(kuò)張室式消聲器的理論依據(jù)。2 消聲器的分析2.1 消聲器聲學(xué)有限元分析根據(jù)整車廠的設(shè)計(jì)邊界完成了消聲器的布局設(shè)計(jì)，下面就需要用聲學(xué)有

11、限元的方法對(duì)消聲器的三維模型進(jìn)行更加精確的計(jì)算2，下圖為某汽車消聲器的三維模型。圖4 擴(kuò)張室式消聲器三維模型Fig.4 Three Dimensional Model of Expansion Chamber Muffler 從圖中可以看到消聲器分成很多內(nèi)腔，并且它們之間通過管道進(jìn)行連接。根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)對(duì)其抽腔，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分與計(jì)算。下圖為某頻率下消聲室內(nèi)的聲壓分布。圖5 消聲器內(nèi)腔的聲壓分布Fig.5 Sound Pressure Distribution of the Muffler Cavity 對(duì)于消聲器內(nèi)部的聲壓分布在這里暫不做研究，由于用戶最關(guān)心的是人耳聽到的聲音4，所以分析的目

12、的重點(diǎn)是消聲器的排氣口處的聲音，為了能夠體現(xiàn)出在各個(gè)頻率下的降噪結(jié)果，下圖顯示的是從20-500Hz聲音的傳遞結(jié)果。圖6 各頻率下降噪聲壓級(jí)Fig.6 reduce sound pressure level in each frequency2.2 消聲器流場CFD分析圖7 消聲器內(nèi)腔的流線分布Fig.7 Streamline Distribution of the Muffler Cavity圖8 消聲器內(nèi)腔的流速分布Fig.8 The Velocity Distribution of the Muffler Cavity3 分析結(jié)論通過以往的設(shè)計(jì)，一般情況下消聲器聲學(xué)設(shè)計(jì)比較難滿足設(shè)計(jì)要求，而流場相對(duì)來說比較容易解決其流動(dòng)損失這個(gè)問題，所以故此先進(jìn)行聲學(xué)有限元計(jì)算，滿足聲學(xué)要求后再進(jìn)行相關(guān)的流動(dòng)損失計(jì)算。對(duì)于消聲器的設(shè)計(jì)一般采用類比圖進(jìn)行求解，而工程應(yīng)用中如果類比圖過于復(fù)雜，可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行解決此類問題，比如說使用Matlab軟件進(jìn)行求解。此設(shè)計(jì)流程已經(jīng)應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，并且經(jīng)過對(duì)不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)：1 杜功煥 朱哲民 龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)M.南京大學(xué)出版社，2001.2 李耀中 李東升.噪聲控制技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社，2008.3