消声器的设计改进

消声器的设计改进（精选4篇）

消声器的设计改进 篇1

摘要：在工业现场环境的污染有空气污染、水污染、噪声污染等,而噪音污染成了最难消除污染之一,常见有柴油机噪声、空压机噪声、通风机噪声、水泵噪声污染等等。各式各样噪音的共振损害人健康,这种污染也是最难控制的和评定的污染。针对现有的工业现场环境噪音的实际情况,对噪音采取了消声降噪的措施。主要从机理上分析了噪音产生的原因、传播途径、对人的影响,并结合噪声学原理,对现有消声器消声不足的问题进行设计改进。通过实践,改进的消声器效果良好,结构简单,成本低,在本企业中推广应用。

关键词：消声器,设计,改进

1 引言

噪声来源于交通运输、工业生产、建筑施工及社会生活,这些噪音令人烦燥,损害着人的健康。特别是工业生产中的噪音,气动力性噪音、各种强烈机械噪音及振动等,是社会工业发展中产生的必然结果,人们为了生存,既不想忍受,又要忍耐着承受这一切。这些噪音量能令受者感到心动过速,心律不齐、心情烦躁。严重时还会内耳发生器质性病变,给人带来连锁反应的各种疾病。

噪音对人的听力危害与噪音的强度、频率及暴露时间有关。本文对噪音进行分析,以噪音源和噪音的强度、频率及产生时间长短之间的关系为依据,采用各种有效的改进消声器设计理念,逐步将噪音降低或消失。

2 噪声源产生的原因

工业现场的噪声从产生的机理上分析主要有两大类:一类是机械结构振动性噪声,是机械结构件产生强烈振动而辐射的噪声;另一类空气动力性噪声,是由压缩空气在工作中存在的非稳定过程、湍流或其它压力脉动、气体与管壁或其它物体相互作用而产生的管内噪声或进排气口处的辐射噪声。

在本单位空气动力性噪声已严重影响工人健康,它产生于气动元件(如气缸、气动阀、气动电机、三元件等)工作时气体直接从大型气缸(型号380)的阀体中排出,较高的气压差使气体体积急剧膨胀,产生涡流,引起气体的振动,发出强烈的噪声。通常利用吸声材料、阻性消声器来降低噪声。方法是在气体流动的管道口接一个有固定吸声材料阻性消声器,当气流排出时一部分噪声能被吸声材料吸收,起到消声作用。结构如图1所示。

它存在一个缺点:阻性消声器中容积过小,向外扩散排气时速度过慢,减慢了气缸或其它气动性设备工作周期。影响了生产控制速度和可靠性,也降低了生产率。但如果不采用这阻性消声器,工作环境周围会产生高频噪声经测定约在120dB。跟据医学上分析噪声大小对人健康危害声界定,压级低于75dB不会影响人的听力[3]。如果长期暴露在85dB以上的噪声环境中,疲劳的听觉不但不能恢复,可能会造成永久性的听力损失[3]。可见,工作环境噪声量已严重影响人的健康。

3 噪音源分析

在生产现场压缩空气压力约为6~8MPa,供给气缸设备工作,产生噪音过程如图2和图3所示。

当压缩空气要驱使气缸向左移动,在控制信号作用下,压缩空气将由P口进入并与B口接通,压缩空气进入气缸右腔,推动气缸向左动作。同时,气缸左腔的压缩空气要经A口,通过O1口急促地排出。因排泄急促,内外压力差非常大,产生大的冲击和摩擦,发出刺耳噪音。同理,当气缸向右移动时也会发出高尖锐响声。可见,高束气流从高压的气缸腔中向外排泄时在排气口处产生的间歇性尖锐响声。最大流速可达80m/s以上,噪音达110分贝以上[2]。

4 噪声控制过程分析

这些噪声问题可以归纳为三个环节:即声源———传播路径———受者。经过对噪声源本身的测量和分析,我们设定了三种消音的方法。

(1)在噪声源上采取有效控制

提出对声源采用控制的四种方案:1)选用更换为安静型气体换向阀;2)采用动力吸振器,减少气体与阀体的撞击和摩擦,改变撞击力的过程,在接触表面采用软材料以延长力的作用时间,减少摩擦;3)将阀体的排气口改为开孔板或金属网格,使高压气流分流排出;4)改变排气口结构。

(2)对传播路径的控制

也设想过在传播过程中对噪声进行隔离、吸收、阻挡或衰减,主要的方法归纳为三种有:1)改变声源位置;2)吸声;3)隔声装置。

(3)对受者采用安全防护劳动用品

对受者(现场作业工人)采取的防止噪声危害的措施有二种方法:1)减少噪声暴露时间;2)戴耳塞、耳罩或头盔。

主要从客观上及经济上综合考虑,结合本单位的实际情况。采取的防护措施是以消声为主,采用重新计设改进消声设备控制措施,在排气口噪音源处进行消声处理。设计中采用微穿孔板消声,阻力损失小,再生噪声低,在这种高速气流场所,能有效减小设备消声结构尺寸,降低了造价,节省了安装空间,同时它能耐高温,不怕潮湿和蒸气,耐腐蚀,清洁空气,不会污染环境,

5 降低噪声措施

如图2所示,在电磁换向阀O1、O2排气口联接上金属软管,将气流(噪音源)引致一个自行设计改进的消声器中,消声器(如图4所示)开有许多孔板及内置有网格,使高压气流分流排出,使气流在消声器内的管道里膨胀、扩散、反射,相互干涉,将噪音源消除。消声器设备如图4所示。

消声器结构组成:它是共振腔和吸振相互作用为一体的消声器,密封的空腔经过内管上的小孔与气流通道相连通,小孔径将集中的强气流分散排出,而空腔中的网格的毛毯则起到声弹簧作用,既有阻性吸声材料,又有抗性消声器的干涉等作用。

6 降低噪声过程的分析

(1)第一级消声量确定。本身这种消声器本身并不吸收声能,它的作用是借助管道截面突变,降低激励力幅值。在内部建立一个单节空腔,在消声器中称为扩张室,如图5所示。

从消声器消声原理可知,消声量。可见,消声量大小取决于扩张比m,即是扩张室截面积与入气口截面积之比。消声频率特性则由扩张室长度L决定,sinkL为周期函数,消声量随频率作周期性变化,如图6所示[3]。

从消声量频率图来分析,如果采用了扩张比m=100,周期值取1.0~2.0,消声量达30dB以上,能达到最好的效果。

(2)第二级消声量确定。气流从电磁阀排气口进入第一级扩张室并向各小孔分散排出,分散过程就是降低强气流的撞击。根据亥姆霍兹共振原理,可以确定共振的频率f0为:

c为声速(m/s);V为共振腔容积m3:G为小孔的传导率;G=ns0/(t+0.8d)(m),其中n为孔数;s0为每个小孔面积,t为穿孔板厚度(m),d为小孔直径(m)。这些小孔可以看作为许多亥姆霍兹共振腔并联。当孔的数量达到了各孔心距为孔径5倍以上时,可以认为各孔之间声辐射互不相干涉,当声波频率与共振腔f0一致时系统发生共振,能达到最大消声量。经过现场测试,双层微穿孔板消声能达到25~30dB范围的消声量。

(3)第三级消声量确定。气流从密封的空腔经过内管上的小孔排出,分散和降低强气流的撞击;在中间层接触表面镶上一层网格毛毯材料形成非金属网格,以延长力的作用力时间,降低了气流的正面撞击。改变结构固有频率,防止共振;形成扩张室及吸振腔共同消除高频啸叫声。使其消声量更进一步降低。

从上可得;扩张室与空腔内管上的小孔消声量之和达65dB,而中间层接触表面镶上一层毛毯材料形成非金属网格,降低了气流的正面撞击。经测试,设计改进的消声器能将工业现场中气动设备的噪声控制在50dB以下(45分贝时相当于人比较小声说话的声响),各性能达到设计改造的要求。

7 结论

设计改进的消声器经过生产和试用,产生环境噪声污染的达到《中华人民共和国环境噪声污染防治法》中规定第三类标准65分贝~55分贝[3]。这种有效措施,减轻噪声对周围工作环境的影响。

参考文献

[1]中华人民共和国环境噪声污染防治法[EB/OL].百度文库.

[2]左健民.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3]陈端石,赵玫,等.动力机械振动与噪声学[M].上海:上海交通大学出版社,1996.

消声器的设计改进 篇2

内燃叉车是用于物料搬运作业的工程车辆,是实现物流机械化作业、减轻工人搬运劳动强度、提高作业效率的主要设备。但在使用过程中,其噪声问题对叉车驾驶人员及周围的操作人员有很大的影响,并且已经成为内燃叉车进一步发展的关键问题。进气系统噪声是内燃叉车的主要噪声源,因此,对内燃叉车进气系统噪声进行研究和控制具有重要的意义[1]。

笔者研究的内燃叉车进气系统由扩张式进气消声器、空气滤清器和包括进气连接管在内的进气管路等部件组成,同时,立柱作为车架的组成部分,也作为进气管路的一部分。

内燃叉车的动力来自于发动机内部燃料的燃烧, 对进气系统消声性能的研究,也可以与其他内燃机动车辆之间进行相互借鉴,研究重点是研制具有理想消声性能的进气系统部件。不少学者已经开展了对进气系统消声部件的设计与研究。在结构设计方面,主要是分析消声部件结构参数对消声性能的影响: Selamet和Dickey[2]对赫姆霍兹消声器进数值计算,分析了各结构尺寸参数对赫姆霍兹消声器消声性能的影响,并通过实验验证; 林进修等[3]研究了空滤器连接管道长度和消声频率的关系,发现增大管道长度,进气系统的消声频率会向低频处移动。对于复杂的消声部件,利用有限元方法进行研究是一种有效的手段: Mehdizadeh等[4]对对包层及片状的的阻性消声器传递损失进行了有限元计算,并得到与试验数据相符合的结果; 靳晓雄等[5]对某空气滤清器结构进行改进设计,建立声学有限元模型,利用声学有限元仿真软件计算空气滤清器的传递损失,并通过实验证明了在消声性能分析过程中滤芯材料设置方法的正确性。

由于整个进气系统各部件的消声性能是相互联系和相互影响的,本研究在设计内燃叉车进气系统时,将进气系统作为一个整体进行改进设计,有效地发挥进气系统各部件的消声特点,得到改进设计方案,并通过声学有限元仿真和进气系统噪声试验对设计方案进行评价和验证。

1消声设计计算方法

1.1阻性消声器的计算方法

在内燃叉车进气系统中,空气滤清器的滤芯材料是多孔吸声材料中的纤维材料,所以空气滤清器在声学意义上具有阻性消声器的作用。最简单的阻性消声器是圆管式消声器,消声量的常用计算公式如式( 1) 所示[6,7]:

其中:

式中:φ( α0) —与材料吸声系数 α0有关的吸声系数, α0—正入射吸声系数,P—管道截面周长,S—管道截面积,l—消声器有效长度,D—管道直径,m。

1.2扩张式消声器的计算方法

扩张式消声器的原理是管道中声波在截面突变 ( 扩大或缩小) 处发生反射而衰减噪声。

单节扩张式消声器消声量计算公式如式( 3) 所示[8]:

式中: m—扩张比,m = SD/ Sd; SD—扩张腔的横截面积; Sd—管道截面积; k—波数,k = 2π/λ; λ—声波波长; L—扩张室长度。

单节扩张式消声器的消声特性成正弦波形,由式 ( 3) 可见,当kl为 π/2的奇数倍时,sin( kl) = 1,此时消声量为最大值; 当kl为 π/2的偶数倍时,sin( kl) = 0,此时消声量为零,相对应的频率为通过频率。由于单节扩张式消声器有许多周期性的通过频率,在工程中常采用内插管的方法,以消除通过频率。当插入管长度为L /2时,可消除1 /2波长的奇数倍通过频率,当另一端插入管长度为L /4时,则可消除1 /2波长的偶数倍通过频率。

1.3赫姆霍兹共振消声器的计算方法

赫姆霍兹共振消声器是一种旁支消声器,在以共振频率为中心的一定频率范围内起有效的消声作用, 具有较强的频率选择性。

单节共振消声器的共振频率和传递损失分别由式 ( 4,5) 计算:

式中: fr—共振频率,Sc—连接管的截面积,V—共振腔的体积,lc—连接管长度,f—频率,Sp—主管道截面积。

由式( 4,5) 可以看出,赫姆霍兹共振消声器的共振腔体积、连接管长度和截面积及主管道的截面积可以决定共振频率和传递损失。

2进气系统改进设计

笔者研究的内燃叉车原进气系统如图1所示,包括扩张式进气消声器、空气滤清器和包括进气连接管在内的进气管路等部件。

改进设计的依据来源于对实验数据的分析,从进气系统进气噪声的测试分析,可以得出对进气系统的进气噪声贡献大的频段是: 60 Hz ~ 100 Hz、250 Hz ~ 350 Hz、500 Hz ~ 800 Hz,其中重点 频率是: 87 Hz、 320 Hz、596 Hz、659 Hz、750 Hz、890 Hz。

1—进气口; 2—立柱; 3—进气消声器; 4—空气滤清; 5—进气接管; 6—机罩

为了提高进气系统整体的消声性能,改进设计方案以原车进气噪声测试结果为依据,重点对进气消声器、空气滤清器和进气管进行结构改进。

2.1进气消声器改进设计

原进气消声器的空气入口端通过车架上的一个连接腔与立柱管道相通,空气出口端连接空气滤清器,开口向上。为了不与空气滤清器和车架发生干涉,进气消声器呈阶梯型,在中间连接处设计成斜面。

本研究对进气消声器进行如下改进:

( 1) 充分利用车内可安装进气消声器的空间,扩大进气消声器的体积V,同时尽可能获得最大的扩张比m;

( 2) 为了获得截面突变带来声阻抗变化的效果, 在不干涉的前提下,去掉原进气消声器的斜面,同时也有利于扩大扩张腔的体积;

( 3) 在空气入口端内置插入管,可以消除部分通过频率。

2.2空气滤清器改进设计

空气滤清器在声学意义上是一个阻抗复合型消声器,滤芯除了有净化空气的功能外,还有一定的吸声作用。

由于空气滤清器安装空间和布局的限制,空气入口和出口的位置无法改动,且腔体的横截面积也无法扩大,扩张比m无法改变,只能通过增加腔体的长度来扩大腔体体积,以获得更好的低频消声效果。空气滤清器腔 体原长为300 mm,改进后长 度增加为360 mm,相当于体积扩大了20% 。

2.3进气接管改进设计

空气从入口处进入进气接管后,气流被分成两股并最终汇合,由出口处进入发动机。进气接管的结构是根据发动机结构和接管安装位置决定的,是一段不规则的管路,管内截面积没有明显的变化,消声的作用不佳。

本研究针对重点频率对进气接管进行改进设计, 去掉分流结构,在管道两侧针对特殊频率设计赫姆霍兹共振腔A、B,在避免干涉的前提下设计结构,结构参数如表1所示。

3声学有限元仿真

由改进后的进气消声器、空气滤清器和进气接管等组成新的进气系统如图2所示,整个进气系统结构具有一定的复杂性和不规则性。为了能够对复杂且不规则的系统进行消声性能分析,传统的数值计算方法是很难完成的,最有效的手段是利用声学有限元技术进行仿真分析。

1—新进气消声器; 2—新空气滤清器; 3—新进气接管

仿真分析以传递损失TL作为分析结果的评价指标,对原进气系统和改进后进气系统,应用Virtual. Lab软件,分别进行声学有限元分析。在此,本研究不考虑进气系统壁面对其内部声场的影响,即忽略流体与刚体之间的耦合作用[9],设置的边界条件是:

( 1) 壁面为无反射刚性壁面;

( 2) 入口处施加单位质点速度作为激励;

( 3) 出口处施加全吸声属性。

分析计算的频率上限为1 000 Hz。原进气系统和改进后进气系统的声学有限元分析结果如图3所示。

从分析结果可得,改进后进气系统的传递损失TL在大部分频段比原进气系统有所提高,在中、低频段尤其是280 Hz ~ 340 Hz频段消声特性有大幅提高; 在中、 高频段提高范围较大,尤其是750 Hz ~ 850 Hz频段效果明显,声学有限元分析结果可以满足设计要求。

4试验结果与分析

本研究根据《声学消声 器测量方 法》( GB /T 4760—1995)[10],制定该内燃叉车进气系统噪声的试验方案。依据叉车噪声测量规范,分别在叉车发动机怠速工况和发动机最高转速工况下,测量该内燃叉车进气噪声。

本研究利用LMS Test. lab测试分析系统进行声压级和1 /3倍频程分析,分析结果如图4 ~ 7所示。

分析试验结果,从进气口的声压级来看,改进后的进气系统方案在怠速工况下达到了2. 7 d B的降噪量, 在发动机最高速工况下都达到了3. 16 d B的降噪量。 从频谱和1 /3倍频程图来看,在怠速工况下,改进后的进气系统在低频段噪声值有明显降低,在中心频率为80 Hz ~ 160 Hz的频段有2 d B ~ 3 d B的消声效果,在中、高频段的消声效果更为显著,尤其是中心频率为315 Hz、630 Hz和800 Hz 3个频段都有大于4 d B的降噪量; 在发动机最高速工况下,消声效果主要在中、高频段,其中,中心频率为315 Hz和500 Hz频段有1 d B ~ 2 d B的消声效果,中心频率为400 Hz ~ 800 Hz频段的消声效果达到4 d B ~ 6 d B。

5结束语

扬声器工作原理一课的实验改进 篇3

物理学是一门实验科学。在物理学中, 每个概念的建立、每个定律的发现, 都有其坚实的实验基础。实验在物理学的发展中有着巨大的意义和推动作用。

心理学研究表明, 学生对学习内容的巩固程度, 与学习方式关系很大。一般来说, 学生通过听教师讲授, 能够记住10%~20%;学生如能看到实物或现象, 能够记住30%;如果学生既能听教师讲, 又能看到实物或现象, 能记住50%;如果学生看到实物或现象, 自己又描述过, 便能记往70%;如果学生既动手做过, 又描述过, 则能记住90%。

可见实验教学是开展科学教育过程中的一个十分重要的实践教学环节, 是培养学生创新精神和动手操作实践能力的重要途径。物理学家帕格尔斯也曾说过:“没有实验的物理理论是空洞的, 没有理论的实验是盲目的。”实验赋予了物理学科思想和内容, 实验促进了物理学的发展, 同时物理实验自身也是不断发展的。

在扬声器工作原理这一节教学内容中, 介绍了动圈式扬声器是把电信号转换成声信号的装置, 这部分是磁场对电流有力的作用的具体应用。传统教学中只是将书中的扬声器分解图展示给学生看, 但由于受平面图形所限, 学生根本弄不清楚线圈如何在磁场中振动, 永磁体在什么地方形成匀强磁场, 线圈在磁场中如何受力, 受力方向如何, 交流电变化过程中线圈如何运动, 以及动圈式话筒怎样工作等诸多问题。

本实验装置利用生活中很常见的废旧扬声器重新组装了实验装置。将分解下来的绕有线圈的纸盆用橡皮筋挂在钉在木板上的铁钉上, 并且为了达到更好的实验效果, 向纸盆中加入了彩色泡沫, 纸盆振动发声时会把堆在纸盆中的彩色泡沫振动出来。本实验设计能够直接演示扬声器和动圈式话筒的工作原理, 整个装置可分拆讲解, 也可组合演示, 具有很好的示范性。

二、实验改进

1. 制作材料

废旧的大功率低音扬声器1个、橡皮筋3根、铁钉3根、木板1块、塑料片1块、电工刀、剪刀、胶、塑料泡沫若干、彩色亮片若干。

2. 制作方法

(1) 用电工刀将废旧扬声器的纸盆和永磁体分离, 只留下带线圈的纸盆和永磁体, 如图1所示。

(2) 用剪刀将塑料片剪成宽1cm左右的圆环, 并在圆环上按120°角间隔打3个孔, 用胶将塑料圆环粘在纸盆边缘构成盆托, 并用剪刀将塑料泡沫剪成黄豆粒大小。

(3) 在木板上钉3个互成120°角的钉子, 用3根橡皮筋穿过盆托上已打好的孔, 并将皮筋套在钉子上, 制作成可以活动的纸盆。

(4) 在纸盆下面放刚才分离出的永磁体, 即可成为一个扬声器演示器。这样就能实现让纸盆自如活动, 而且很容易看清线圈在磁场中的振动情况, 如图2所示。

3. 使用方法

(1) 将绕有线圈的纸盆、滑动变阻器、开关接入学生电源直流电路中, 闭合开关。

现象:纸盆不动, 如图3所示。

(2) 在纸盆下放一神秘物体, 再通入直流电, 闭合开关。

现象:纸盆移动一下, 为什么会动?这个神秘物体究竟是什么, 能有这么大的魔力?

揭秘:这个神秘物体其实就是一块永磁体, 如图4所示。

(3) 引出:永磁体是使纸盆移动的必要部分。所以扬声器的主要结构就是纸盆、线圈、永磁体, 如图5所示。

(4) 在黑板上画原理图, 明确线圈的绕法, 当线圈中通有变化的电流后, 它会产生变化的磁场, 先判断出线圈中电流的方向, 再用右手螺旋定则确定磁极的位置, 此时通电线圈就相当于一个条形磁铁, 与纸盆下面的永磁体相互作用会产生力, 就可以判断出通电线圈的受力方向, 因而得出纸盆的运动方向, 如图6所示。

(5) 在以上的电路中, 改变直流稳压电源正负极, 闭合电源, 观察纸盆移动情况。

现象:纸盆向上移动, 如图7所示。

(6) 通入交流电, 电流时刻改变, 通电线圈磁极方向时刻改变, 受力方向时刻改变。

现象:纸盆跟着振动, 发出持续的声音。

为了演示效果更明显, 纸盆里放入塑料泡沫和彩色亮片, 当通入交流电流时, 纸盆来回振动, 带动塑料泡沫和彩色亮片也跟着跳动, 如图8所示。

三、仪器的特点及用途

1. 特点

(1) 本教具密切配合基础教育新课程改革, 主要针对北师大版九年级《物理》教材第十四章电磁现象中, 第六节《磁场对电流的作用》内容设计。符合课改理念, 体现新课程标准要求。

(2) 本教具能够直接演示扬声器和动圈式话筒的工作原理, 能将学生心中复杂的仪器结构化简为扬声器的3个主要部分, 即纸盆、线圈、永磁体。本教具简单直观, 操作简便, 整个装置可分拆讲解, 也可组合演示, 能够与知识很好地结合, 有很好的示范性。

(3) 本教具的材料选用生活中常见的物品并加以改进, 合理巧妙地设计了简单的扬声器模型, 演示了扬声器将电信号转换成声信号的过程, 也就是强弱变化的电流在磁场力的作用下受力运动, 电能转化为机械能的过程, 并且利用碎纸屑在振动的纸盆中跳动将实验现象放大, 打破了学生对科学技术的神秘感。使学生了解扬声器在现实生活中的作用以及对人们生活的影响, 同时也拓宽了学生的知识面, 是属于“物理走向社会”的内容。

(4) 本教具填补了这一节实验设计的空缺, 实验效果非常好, 使学生能够近距离操作电学教具, 变抽象为具体。不仅突破了教学的常规方法, 创新处理了教学内容, 而且应用这个演示实验展示科学的真实, 以学生所学的知识为基础, 运用鲜明的实验现象对比, 为学生真正理解生活中的科学技术打好基础。

2. 用途

(1) 使学生了解扬声器的结构。扬声器的主要结构就是纸盆、线圈、永磁体。

(2) 演示扬声器的工作原理, 能很好地展示扬声器的磁场位置, 线圈受力方向, 通入直流电或音频交流电时线圈运动情况, 还可以演示动圈式话筒的工作原理。

参考文献

消声器的设计流程与研究 篇4

由于现代社会对汽车NVH的要求日趋提高,这就对汽车上面的各个零部件的设计必须考虑降噪的因素。对于汽车降噪方面往往涉及到许多领域,比如说汽车各个零部件的振动情况,汽车内外饰所采用的吸声材料,以及降低噪声源声学阻抗的设计。我们主要是针对汽车发动机排气噪声方面的降噪措施进行研究,找出一条设计发动机消音器的设计思路。因为消音器的设计不仅要考虑声学方面降低多少声压级,还要考虑消声器的流动损失。所以在设计消声器时需要运用多种方式进行设计,以此优化出消声器最佳性能。如何能够合理地安排和采用分析手段是我们所要重点研究的课题。

1 消声器的设计

1.1 消声器整体设计思路

在消声器设计中往往需要考虑两大因素,分别是工艺成本和性能。如果一旦设计消声器的边界条件已经限定,消音器的工艺成本和性能之间的矛盾就变得尤为突出。为了能够更合理地找出它们的择中点,需要消声器的结构做些更改,以此保证在不提高生产工艺成本的前提下,提高消声器的性能。

消声器的性能主要分成两大方面,一个是它的声学性能,另一个是它的流动损失。由于在设计消声器的时候存在两种设计因素,所以制定一个合理的设计流程是十分必要的。以下是设计消声器的步骤。

a.需要整车厂商提供设计的边界条件,以免设计完的消声器由于体积的问题无法安装在整车上面。

b.分析发动机排气噪声频谱,观察哪个频率段下声压级偏高,这将为后面消声器的设计提供依据。

c.通过传统的设计理论进行设计消声器布置方案,但是由于整车厂所提供的边界条件限制,设计出来的消声器不一定是规则的形状,由于不规则的内腔可能会导致与传统理论的计算结果存在误差,所以就需要通过有限元的手段进行计算。

d.通过有限元软件对消声器声学分析,观察各个频段下降低的声压级是否满足设计要求,哪里是否需要更改,以及判断哪里是否需要附件吸声材料。

e.声学分析完成后需要再进行一次CFD分析,验证流动损失是否控制在合理的范围内,如果流动损失过大,需要重新更改方案验证声学性能,然后再进行一次CFD分析。图1为消声器的设计流程图。

1.2 消声器的设计

消声器的种类一般比较多,一般有以下几种,分别是阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器等等。由于各种消声器的消声原理不同,将重点介绍抗性扩张室式消声器的设计。

抗性扩张室式消声器的降噪原理并不是将发动机的排气噪声完全吸收,而是类似于一个滤波装置,将令人无法承受的声音进行阻拦,而允许一部分能体现出汽车动力性的低频声音通过。图2为抗性扩张室式结构图。

计算消声器在各频率下声压级降低的数值,需要对消声器进行建立声学模型。为了计算方便,声学理论计算通常使用的是电-力-声线路类比的方法进行求解[1],图3为图2扩张室式消声器结构的线路类比图。

其中Ma1为消声器第1管的声质量,Ra1为消声器第1管的声阻,Ca1为第1腔的声容。

消声器对各个频段下的声波进行降噪的指标用消声量ΔL进行标示,消声量的定义如下所示:

式中,t I为透射系数,其定义如下所示[1]:

式中,It为透射波声强,Ii为入射波声强,k为声数k=2 Cπo f,D为消声器腔室长度,S12为S1与S2的比值,S21为S2与S1的比值。将式(2)带入式(1)得[3]:

当或时,消声量达到最大值。也就是说当腔室长度为1/4波长的奇数倍时消音量最好。以上的公式就是设计抗性扩张室式消声器的理论依据。

2 消声器的分析

2.1 消声器声学有限元分析

根据整车厂的设计边界完成了消声器的布局设计,下面就需要用声学有限元的方法对消声器的三维模型进行更加精确的计算[2],图4为某汽车消声器的三维模型。

从图4中可以看到消声器分成很多内腔,并且它们之间通过管道进行连接。根据以上的结构对其抽腔,然后进行网格划分与计算。图5为某频率下消声室内的声压分布。

对于消声器内部的声压分布在这里暂不做研究,由于用户最关心的是人耳听到的声音[4],所以分析的目的重点是消声器的排气口处的声音,为了能够体现出在各个频率下的降噪结果,图6显示的是从20~500 Hz声音的传递结果。

2.2 消声器流场CFD分析

上述消声器的声学有限元计算结果满足设计要求,就可以进行下一步流场的流动损失计算,见图7、图8。

3 分析结论

通过以往的设计,一般情况下消声器声学设计比较难满足设计要求,而流场相对来说比较容易解决其流动损失这个问题。所以故此先进行声学有限元计算,满足声学要求后再进行相关的流动损失计算。

对于消声器的设计一般采用类比图进行求解,而工程应用中如果类比图过于复杂,可以借助计算机进行解决此类问题,比如说使用Matlab软件进行求解。

在此设计流程已经应用的工程设计当中,经过对不同排量的发动机的匹配验证,试验结果完全达到当初的设计要求。

参考文献

[1]杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社,2001.

[2]李耀中,李东升.噪声控制技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]张文群,吴新跃.降噪分析[M].北京:国防工业出版社,2010.