汽車排氣噪聲控制與消聲器設(shè)計(jì)技術(shù)研究

1、目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 汽車噪聲的危害11.2 汽車消聲器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 汽車消聲器的國(guó)外研究現(xiàn)狀21.2.2 汽車消聲器的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3 本文研究的重點(diǎn)4第二章 汽車噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)62.1 國(guó)外噪聲法規(guī)62.1.1 歐盟法規(guī)體系62.1.2 日本法規(guī)體系72.1.3 美國(guó)法規(guī)體系92.2 國(guó)內(nèi)噪聲法規(guī)92.2.1 我國(guó)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展92.2.2 我國(guó)現(xiàn)行噪聲標(biāo)準(zhǔn)102.3 本章小結(jié)11第三章 汽車噪聲源及排氣噪聲的產(chǎn)生原理123.1 汽車噪聲的類型和噪聲源的識(shí)別123.1.1 汽車噪聲的分類123.1.2 汽車噪聲源的識(shí)別方法123.

2、2 汽車排氣噪聲的產(chǎn)生原理133.2.1 基頻排氣噪聲143.2.2 氣柱共振噪聲143.2.3 亥姆霍茲共振噪聲153.2.4 其他噪聲163.3 本章小結(jié)17第四章 排氣噪聲及消聲器的基本理論184.1 聲學(xué)基本理論184.2 聲波方程204.2.1 運(yùn)動(dòng)方程204.2.2 連續(xù)方程214.2.3 物態(tài)方程214.2.4 波動(dòng)方程214.3 一維平面波理論214.3.1 一維波動(dòng)方程224.3.2 聲電類比224.3.3 聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)224.4 管道聲學(xué)理論234.5 消聲器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)244.5.1聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)244.5.2 空氣動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)264.5.3 機(jī)械性能評(píng)價(jià)指標(biāo)28

3、4.6 消聲器性能的分析方法284.6.1 傳遞矩陣法284.6.2 數(shù)值分析法304.7 本章小結(jié)33第五章 汽車消聲器設(shè)計(jì)技術(shù)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究345.1 消聲器設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)345.1.1 消聲器性能的主要影響因數(shù)345.1.2 消聲器設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)355.1.3 消聲器設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)375.2 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和步驟375.2.1 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則375.2.2 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟385.3 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究395.3.1 用于SUV和中型載貨車的消聲器395.3.2 雙模消聲器415.4 本章小結(jié)42第六章 全文總結(jié)及展望436.1 全文總結(jié)436.2 展望43致

4、謝44參考文獻(xiàn)45摘 要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷的提高，城市中汽車保有量的增長(zhǎng)，在方便了人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r(shí)，也對(duì)社會(huì)環(huán)境造成了極大的影響。汽車噪聲已經(jīng)成為城市噪聲的主要構(gòu)成部分，尤其是汽車運(yùn)行過程中的排氣噪聲，它是汽車的的主要噪聲源?？刂破嚺艢庠肼曋饕峭ㄟ^合理組織氣缸內(nèi)混合氣的燃燒方式和設(shè)計(jì)使用具有良好性能的消聲器。目前，實(shí)現(xiàn)降低汽車排氣噪聲最直接、最有效的方法就是使用排氣消聲器。為了達(dá)到消聲器最佳的消聲性能，同時(shí)又保證盡可能少的功率損失是現(xiàn)階段迫切需要解決的難題。本文主要分析了汽車的噪聲源，結(jié)合相關(guān)的限制法規(guī)，分析了汽車噪聲源和排氣噪聲的產(chǎn)生原理，對(duì)汽車噪聲的類型和

5、噪聲源的識(shí)別方法作了簡(jiǎn)單介紹。重點(diǎn)論述了消聲器基本理論，包括聲學(xué)的基本理論、聲波方程、一維平面波理論和管道聲學(xué)理論。另外，詳細(xì)地分析了消聲器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和性能的分析方法，為消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要指出了設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)的原則和步驟。最后對(duì)兩類消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步熟悉了汽車消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究理論和方法。關(guān)鍵詞：排氣噪聲，控制標(biāo)準(zhǔn)，噪聲源，結(jié)構(gòu)優(yōu)化ABSTRACTWith China's rapid economic development， people are constantly improving the living st

6、andards of urban growth in vehicle population in the convenience of everyday life， but also the social environment had a huge influence. Car noise has become a major component of urban noise， especially in the automotive exhaust noise during the operation， which is the main noise source of motor veh

7、icles. Control vehicle exhaust noise is mainly within the cylinder through the rational organization of the combustion mixture and designed for use with a good performance muffler. At present， reduce exhaust noise to achieve the most direct and most effective way is to use the exhaust muffler. In or

8、der to achieve the best silencer muffler performance， while ensuring minimal power loss is an urgent need to address the problem at the present stage.This paper analyzes the car's noise sources, combined with the relevant statute of limitations, analysis of noise sources and automobile exhaust n

9、oise generation principle, the type of vehicle noise and noise source identification methods were described. Focuses on the basic theory muffler, including the basic theory of acoustics, acoustic wave equation, one dimensional plane wave theory and the theory of acoustic channels.In addition, the de

10、tailed analysis of muffler performance evaluation and performance analysis, optimal design for the muffler provides a theoretical basis. Optimal design of muffler main technical points that the design, design principles and steps. Finally, two kinds of structure optimization of the muffler is analyz

11、ed theoretically, become more familiar with the automobile muffler structure optimization theory and method.KEY WORDS：exhaust noise, control standards，noise source, structural optimization第一章 引 言1.1 汽車噪聲的危害噪聲是一種聲波，具有一切聲波運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和性質(zhì)。噪聲就是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音，并希望利用一定的噪聲控制措施消除掉的聲音總稱。噪聲對(duì)人的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題，不僅與噪聲性質(zhì)有關(guān)，而

12、且還與每個(gè)人的生理狀態(tài)以及社會(huì)生活等多方面的因數(shù)有關(guān)。經(jīng)過長(zhǎng)期研究證明，噪聲的確危害人的健康，噪聲級(jí)越高，危害性就越大，即使噪聲級(jí)較低，如小于80 dB(A)的噪聲，雖然不致直接危害人的健康，但會(huì)影響和干擾人們的正常生活。噪聲污染與空氣污染、水污染及固體廢物污染一起被列為當(dāng)今社會(huì)的四大公害，環(huán)境噪聲主要包括汽車、火車、飛機(jī)等交通工具產(chǎn)生的交通噪聲，各種工礦企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)噪聲，建筑工地產(chǎn)生的施工噪聲以及人為活動(dòng)所產(chǎn)生的各種噪聲等。而汽車噪聲對(duì)環(huán)境的污染又是最嚴(yán)重的，其中汽車噪聲的絕大部分是由汽車排氣噪聲造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)動(dòng)車輛所包含的總功率比其它各種動(dòng)力（飛機(jī)、船舶、電站等）的總和要大20倍以上

13、，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的噪聲約占整個(gè)環(huán)境噪聲的75 %，是目前環(huán)境中主要的噪聲源。而發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲在汽車總噪聲中占相當(dāng)大的比例，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣過程中的噪聲。人如果長(zhǎng)期處于噪聲污染的環(huán)境中，將會(huì)對(duì)人的心理和生理造成傷害。噪聲對(duì)人最直接的危害是對(duì)聽覺器官的損傷。噪聲強(qiáng)度越大、頻率越高、作用時(shí)間越長(zhǎng)、危害就越大。1）聽覺系統(tǒng)的傷害聽覺疲勞：長(zhǎng)時(shí)間在較強(qiáng)噪聲的環(huán)境中作業(yè)或停留，聽力將明顯下降。噪聲性耳聾：如果長(zhǎng)期在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境中工作而又不采取保護(hù)措施，聽覺疲勞繼續(xù)發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致聽覺系統(tǒng)發(fā)生器質(zhì)性病變，造成永久性聽力損害。暴震性耳聾：如果突然暴露在高達(dá)140 dB(A)以上的強(qiáng)噪聲環(huán)境中，人的聽覺系統(tǒng)可發(fā)生急性

14、外傷，引起耳鼓膜破裂出血以至雙耳完全失聽。2）生理健康的危害對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的危害：噪聲可引起神經(jīng)衰弱綜合癥。對(duì)心血管系統(tǒng)的影響：噪聲可引起心跳加快、心律不齊、心電圖T波升高、血壓變化等癥狀。噪聲對(duì)消化系統(tǒng)也有影響：可引起胃功能紊亂、食欲不振、消瘦等。3）心理健康的危害噪聲使人煩躁不安，產(chǎn)生疲勞感，影響精力集中和工作效率，又由于噪聲的掩蔽效應(yīng)，往往使人不易察覺危險(xiǎn)信號(hào)，從而造成事故。如果駕駛員長(zhǎng)期處于高噪聲強(qiáng)度中，則會(huì)降低其判斷危險(xiǎn)的能力，在遇到突發(fā)事件時(shí)出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍，處理不當(dāng)?shù)惹闆r。噪聲對(duì)人體的不良影響是潛移默化的。在100種噪聲中有30種可導(dǎo)致人的衰老，生活在喧鬧城市中人的壽命要減少8至10年之

15、多。噪聲不僅僅干擾人民的生活，它還阻礙著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。噪聲使工作中的錯(cuò)誤增多，生產(chǎn)質(zhì)量下降。在生態(tài)保護(hù)區(qū)，噪聲使許多動(dòng)物的生存環(huán)境受到了嚴(yán)重的威脅，嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)、繁衍。因此，降低噪聲污染、改善環(huán)境狀況是我們每個(gè)人應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。在1996年10月29日，第八屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十次會(huì)議上通過了中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法。其中，第五章第三十二條規(guī)定“禁止制造、銷售或者進(jìn)口超過規(guī)定的噪聲限值的汽車”。在控制汽車噪聲方面，我國(guó)做出了一系列具體的規(guī)定，確保汽車產(chǎn)生的噪聲符合規(guī)定限值 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法S，北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002 T.

16、J.舒爾茨，城市噪聲評(píng)價(jià)M，北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1987 全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，編輯室噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)匯編-機(jī)動(dòng)車噪聲M，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007。最新標(biāo)準(zhǔn)是2002-10-01開始實(shí)施的GB 1495-2002汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法。1.2 汽車消聲器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀降噪能力是消聲器的首要指標(biāo)，通常要求安裝消聲器后，排氣噪聲應(yīng)低于內(nèi)燃機(jī)噪聲49 dB(A)，過多地降噪并不經(jīng)濟(jì)，也無實(shí)際意義。傳統(tǒng)的消聲器實(shí)質(zhì)上是聲濾波器，像電濾波器一樣，其消聲性能隨聲頻率發(fā)生變化，主要分為阻性、抗性、阻抗復(fù)合型三大類 吳文江，馮國(guó)勝，汽車排氣噪聲控制技術(shù)J，城市車輛，2000（01）。

17、1.2.1 汽車消聲器的國(guó)外研究現(xiàn)狀消聲器理論研究最早可以追溯到1922年，美國(guó)的Stewart第一個(gè)應(yīng)用聲學(xué)濾波器的理論來研究抗性消聲器，主要采用集中參數(shù)單元近似消聲單元，它僅在聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于消聲器尺寸時(shí)才成立。這一聲學(xué)濾波器理論后來被進(jìn)一步發(fā)展并得到應(yīng)用。早期學(xué)者一般都忽略溫度和氣流的影響，Alfredson等人通過將膨脹腔消聲器的消聲量測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值加以比較，發(fā)現(xiàn)考慮流動(dòng)時(shí)理論值與實(shí)測(cè)值一致，忽略流動(dòng)時(shí)兩者差別較大。Sreenath和Munjal的研究認(rèn)為忽略溫度梯度的變化也會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的差異 陶麗芳，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)性能分析研究D，重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，06.?？梢?/p>

18、對(duì)消聲器消聲性能的研究必須要考慮到流速和溫度梯度的影響。直到七十年代中期，消聲器的理論研究都只局限于基本消聲元件，缺乏對(duì)實(shí)際使用因素的考慮。后來，Panicke分析了具有內(nèi)插管膨脹腔的聲學(xué)特性 V.B.Panicker，M.L.Munjal. Aeroacoustic Analysis of Straight-through Mufflers with Simple and Extended Tube Expansion ChambersJ. J.Ind.Inst. Sc，1981，63 （A）：119.，Sullivan等人分析了穿孔管消聲器元件的四極子參數(shù)及聲學(xué)特性 Joseph W. S

19、ullivan，Malcolm J. Crocker. Analysis of Concentric-Tube Resonators Having Unpartitioned CavitiesJ. Journal of the Acoustical Society of America，1978 Vo1.64，No.1 July：207215.，在他們的研究中都考慮了流速的影響，理論研究值與實(shí)測(cè)值之間的差距進(jìn)一步減小。最早研究在對(duì)稱的面積突變處激勵(lì)而引起的二維模式聲傳播的是Miles，他使用已知的邊界條件和無窮級(jí)數(shù)構(gòu)成聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的正交函數(shù)表達(dá)式。七十年代末，EI-Sharkawy和Neyf

20、eh補(bǔ)充了這個(gè)對(duì)稱膨脹腔的二維分析理論，研究了有簡(jiǎn)單膨脹腔的圓形管道中的聲傳播，并在不同膨脹比及腔長(zhǎng)比下討論了膨脹腔的作用，把解析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為二者相符得很好。Prasad和Crocker推導(dǎo)了具有平均氣流及線性溫度梯度的直管段的四極子參數(shù) M.G.Prased，M.J.Crocker. Evaluation of Four-pole Parameters for a Straight Pipe with Mean Glow and a Linear Temperature GradientJ. Journal of the Acoustical Society of Amer

21、ica，1981，69（4）：916921. M.G.Prased，M.J.Crocker. Studies of Acoustical Performance of a Multi-cylinder Engine Exhaust Muffler SystemJ. Journal of Sound and Vibration，1983，90（4）：491508.。他們對(duì)多缸內(nèi)燃機(jī)排氣消聲系統(tǒng)的聲學(xué)性能的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果有很好的一致性。Peat等從流體力學(xué)的基本方程出發(fā)，導(dǎo)出了直管段的四極子參數(shù)表達(dá)式 K.S.Peat. A Numerical Decoupling Analysis of Per

22、forated Pipe Silencer ElementsJ. Journal of Sound and Vibration，1988，123（2）：199212.，他們對(duì)直管段的四極子參數(shù)和簡(jiǎn)單膨脹腔的插入損失進(jìn)行了計(jì)算。取線性溫度梯度與取平均溫度時(shí)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果比較表明，四極子參數(shù)的差別是明顯的，而插入損失的差別很小。Peat由此得出結(jié)論：當(dāng)需要考慮排氣系統(tǒng)的溫度變化時(shí)，可以使用一系列定常溫度單元，與使用相似的一系列線性溫度梯度單元相比沒有明顯的精度損失。國(guó)外對(duì)消聲器的研究側(cè)重于聲場(chǎng)和流場(chǎng)以及消聲機(jī)理的研究，并且重點(diǎn)討論了消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)和流場(chǎng)的分布對(duì)消聲器性能的影響，已經(jīng)建立了相關(guān)的二維

23、和三維有限元、邊界元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。1.2.2 汽車消聲器的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀相對(duì)于國(guó)外消聲器的研制水平，我國(guó)消聲器的研究相對(duì)落后，特別是在消聲器內(nèi)部流場(chǎng)和消聲器的動(dòng)態(tài)特性上的研究。這是由于我國(guó)消聲器研究起步比較晚，對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)，特別是空氣動(dòng)力性能，缺乏嚴(yán)密的科學(xué)方法和設(shè)計(jì)理論。國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)大多是以一維平面波理論為指導(dǎo)和流體力學(xué)中簡(jiǎn)單阻力系數(shù)計(jì)算方法，根據(jù)相關(guān)樣品和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)試制出幾種消聲器的成品，然后以試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)這些消聲器做出評(píng)價(jià)。這種方法雖然簡(jiǎn)單直接，但是在工程實(shí)踐中往往難以滿足要求，常常會(huì)出現(xiàn)較大偏差。所以二維和三維的分析方法受到越來越多的重視。八十年代后期開始，國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者對(duì)消聲

24、器進(jìn)行了深入研究。趙松齡、盛勝我著重研究管道結(jié)構(gòu)中含同軸穿孔管時(shí)的聲傳播特性，并對(duì)穿孔管與主管道垂直交叉時(shí)的聲傳播特性作了進(jìn)一步分析，導(dǎo)出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)聲傳遞矩陣的精確計(jì)算公式 趙松齡，盛勝我，抗性消聲器中含穿孔管時(shí)的聲傳遞矩陣J，聲學(xué)技術(shù)，2000，19（1）：25.。陸森林，劉紅光首先用二維有限元法計(jì)算出消聲器的四端子參數(shù)，然后利用所求得的四端子參數(shù)預(yù)估消聲器的性能?？朔擞捎诟叽尾ㄓ绊?，一維理論計(jì)算公式在高頻區(qū)計(jì)算不準(zhǔn)確的缺陷，也克服了二維有限元法不適用于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)消聲器的缺陷，取得了計(jì)算結(jié)果、理論分析與試驗(yàn)值吻合的良好效果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)擴(kuò)張式消聲器最高有效上限頻率及擴(kuò)張室長(zhǎng)度對(duì)消聲器性能

25、的影響進(jìn)行了討論，其結(jié)論對(duì)消聲器設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值 馬強(qiáng)，季振林，張志華，邊界元法與特征線法聯(lián)合用于內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲預(yù)報(bào)及消聲器聲學(xué)性能分析J，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（1）： 8290.。王耀前，陸森林從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)一抗性消聲器作了一些合理的假設(shè)，建立了該消聲器的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件建立了消聲器的有限元模型，在此模型基礎(chǔ)上，于消聲器的入口端施加聲壓載荷，求得該消聲器出口端的聲壓，進(jìn)而求得該消聲器的傳遞損失 王耀前，陸森林，ANSYS在抗性消聲器分析中的應(yīng)用J，江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，24（03）。馬強(qiáng)，季振林，張志華使用邊界元法計(jì)算消聲器元件的四極參數(shù)，并結(jié)合傳遞

26、矩陣法獲得整個(gè)排氣系統(tǒng)的四極參數(shù)，以及使用特征線法計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的不穩(wěn)定流動(dòng)過程，并依靠雙負(fù)載法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的聲源阻抗和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲預(yù)報(bào)及消聲器聲學(xué)性能分析 馬強(qiáng)，季振林，張志華，邊界元法與特征線法聯(lián)合用于內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲預(yù)報(bào)及消聲器聲學(xué)性能分析J，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（01）。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在進(jìn)行被動(dòng)消聲技術(shù)研究的同時(shí)，也進(jìn)行了噪聲的主動(dòng)控制研究。噪聲主動(dòng)控制亦稱有源消聲控制。近年來，我國(guó)學(xué)者對(duì)噪聲的主動(dòng)控制也相當(dāng)重視，南京大學(xué)、清華大學(xué)、吉林工大、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等都在開展這方面的工作。有源消聲技術(shù)發(fā)展很快，尤其在對(duì)管道噪聲控制方面，已進(jìn)入實(shí)用階段。但是要將有源消聲技術(shù)

27、作為一種較為通用的噪聲控制手段，還有許多困難。如消聲系統(tǒng)中電子裝置復(fù)雜，電路信號(hào)幅度相位失真，而限制噪聲量提高，降噪?yún)^(qū)非控制參數(shù)引入了不恒定因素和影響語(yǔ)音信號(hào)的傳播等困難。要解決這些困難，要求有源消聲采用自適應(yīng)技術(shù)，在高速低廉的數(shù)字信號(hào)處理芯片不斷涌現(xiàn)的情況下，自適應(yīng)有源消聲有很好的發(fā)展前景。1.3 本文研究的重點(diǎn)排氣噪聲作為汽車噪聲的主要組成部分，是噪聲控制過程中的重要影響因素。降低汽車排氣噪聲，除了合理的組織汽缸內(nèi)混合氣的燃燒之外，還可以設(shè)計(jì)出具有良好性能的排氣消聲器，有效控制汽車在使用過程中所產(chǎn)生的噪聲污染。本文通過對(duì)汽車噪聲的危害、噪聲控制法規(guī)、噪聲源以及噪聲產(chǎn)生原理的分析，結(jié)合消聲器

28、的工作原理和設(shè)計(jì)理論，對(duì)兩類消聲器存在的問題進(jìn)行了分析，進(jìn)一步熟悉了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)理論和方法。1）針對(duì)日益增大的汽車噪聲污染，了解國(guó)內(nèi)外噪聲控制的標(biāo)準(zhǔn)，通過與我國(guó)的噪聲限制標(biāo)準(zhǔn)相比較，分析出其中的差異。2）理解和分析汽車噪聲的產(chǎn)生原理，確定汽車主要的噪聲源。分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的產(chǎn)生原理和理論基礎(chǔ)。3）熟悉汽車消聲器的設(shè)計(jì)理論和相關(guān)技術(shù)規(guī)范，掌握常見消聲器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，弄清楚消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分析計(jì)算方法。4）對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行分析，弄清楚各個(gè)結(jié)構(gòu)單元對(duì)消聲器消聲性能的影響。了解消聲器的主要技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)，分析消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)理論和方法。第二章 汽車噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)2.1

29、國(guó)外噪聲法規(guī)早在20世紀(jì)30年代，一些發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家就已有了汽車噪聲法規(guī)。比如德國(guó)，第1部汽車噪聲法規(guī)建立于1937年。不過在當(dāng)時(shí)這些法規(guī)各國(guó)皆不相同，國(guó)際上也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。直到20世紀(jì)70年代初，汽車噪聲法規(guī)在世界范圍內(nèi)被廣泛引入。并且法規(guī)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)在世界各個(gè)經(jīng)濟(jì)體內(nèi)取得了協(xié)調(diào)一致，甚至在限值上也基本相同。但在各個(gè)經(jīng)濟(jì)體間，由于具體的情況不同，相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)有一些變化。目前，世界各國(guó)噪聲法規(guī)中有代表性的是3個(gè)體系：歐盟、日本和美國(guó) 呂靜，陳達(dá)亮，舒歌群，汽車噪聲法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及主要控制技術(shù)J，天津汽車， 2007(04)。2.1.1 歐盟法規(guī)體系歐盟最早頒布的汽車噪聲法規(guī)是在70年代初，即70/

30、157/EEC歐共體型式認(rèn)證指令汽車噪聲，各階段的限值變化和實(shí)施日期基本同步于聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)ECE Reg.No.51關(guān)于在噪聲方面汽車(至少有4個(gè)車輪)型式認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定。至今，該法規(guī)已修訂3次，目前的修訂版本號(hào)為92/97/EEC(等效于ECE Reg.No.51/02)，開始實(shí)施于1995-10-01，如圖 2-1所示。歐盟汽車噪聲法規(guī)對(duì)新型車型式認(rèn)證中所包含的車型有載客汽車和載貨汽車2大類別。又按照汽車總質(zhì)量和包括駕駛員座位的座位數(shù)，載客汽車細(xì)分為M1、M2和M3類；載貨汽車細(xì)分為N1、N2和N3類。在上述車型分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大額定功率和發(fā)動(dòng)機(jī)類型的不同，規(guī)定不同的

31、噪聲級(jí)水平。圖 2-1和圖 2-2分別表示了2種車型(M1和N3類)的噪聲限值在過去40年中的變化情況。從圖 2-1可以看出，歐盟自1970年引入噪聲法規(guī)以來，轎車噪聲限值已降低了8 dB(A)；重型貨車限值降低了11 dB(A)。另外，由于1985年在噪聲測(cè)量方法上進(jìn)行了一些修改，對(duì)于重型貨車而言，實(shí)際限值要更嚴(yán)格24 dB(A)；對(duì)于轎車，實(shí)際限值要放寬大約2 dB(A)。1996年，歐盟又實(shí)施了生產(chǎn)一致性(COP)條例，雖然沒有改變?cè)肼曄拗?，但是，事?shí)上對(duì)汽車生產(chǎn)廠家來說，卻增加了1 dB(A)的限值壓力。不過，在1995年以后的新型車型式認(rèn)證測(cè)試中，規(guī)定允許使用已磨損的輪胎，這會(huì)使得汽

32、車噪聲級(jí)降低12 dB(A)。因此，綜合考慮歐盟汽車噪聲法規(guī)，在過去的40年中，轎車的限值降低了7 dB(A)；重型貨車降低了1316 dB(A)。另外，歐盟對(duì)汽車輪胎噪聲也制定了相應(yīng)的法規(guī)。1992年歐盟首次頒布了輪胎型式認(rèn)證指令92/23/EEC。然后于2001年，歐盟對(duì)該法令進(jìn)行了修訂，公布了新的輪胎型式認(rèn)證指令2001/43/EC。上述法規(guī)對(duì)輪胎噪聲測(cè)試路面的要求和車輛噪聲測(cè)量(ISO 10844)相同。對(duì)轎車輪胎而言，測(cè)試工況的速度范圍為7090 km/h；對(duì)卡車輪胎，速度范圍為6080 km/h。不過，該法規(guī)沒有包括實(shí)際車輛運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的低速工況下的輪胎噪聲限值。2.1.2 日本

33、法規(guī)體系日本自1952年開始對(duì)汽車噪聲進(jìn)行控制，規(guī)定了車輛等速行駛噪聲和排氣噪聲。不過，早期的日本汽車噪聲法規(guī)并沒有包含汽車加速行駛噪聲，只是籠統(tǒng)地限制噪聲級(jí)在85 dB(A)以下。直到1971年，日本才實(shí)施了等效于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代汽車噪聲法規(guī)體系。目前，日本正在實(shí)施的汽車噪聲法規(guī)修訂于1992年，如圖 2-1所示。由圖 2-1和圖 2-2可知，日本汽車加速噪聲限值經(jīng)歷了4個(gè)階段。轎車已由原來的84 dB(A)降低了8 dB(A)；同時(shí)重型貨車降低了11 dB(A)。對(duì)比各階段日本和歐盟法規(guī)的噪聲限值，歐盟法規(guī)看起來要比日本更加嚴(yán)格。但事實(shí)上，如果考慮各自法規(guī)所規(guī)定的稍許不同的測(cè)試條件和數(shù)據(jù)處理

34、方式，二者幾乎是一致的。例如，在重型貨車的型式認(rèn)證測(cè)試中，日本的重型貨車是滿載的，而基于ISO 362噪聲測(cè)量方法的歐盟測(cè)試條件卻不加任何載荷。因此，比較而言，日本的測(cè)試條件更加符合車輛實(shí)際行駛狀況，這也是日本法規(guī)在實(shí)際道路交通噪聲控制中取得明顯效果的原因之一。日本汽車噪聲法規(guī)對(duì)車輛等速行駛噪聲和定置噪聲的控制有很長(zhǎng)的歷史。目前，日本車輛等速行駛噪聲限值依然維持在1952年的85 dB(A)水平。而針對(duì)于在用車輛的定置噪聲測(cè)量方法，在19861989年被新的更加適合于路邊檢測(cè)的“近似定置噪聲測(cè)量方法”所取代；同時(shí)，定置噪聲限值也有所變化，規(guī)定了摩托車為94 dB(A)；轎車為96 dB(A)；

35、重型貨車為99 dB(A)。圖 2-1 汽車加速行駛車外噪聲限值變化(M1類)圖 2-2 汽車加速行駛車外噪聲限值變化(N3類)注：1）箭頭表明歐盟在1985年對(duì)噪聲測(cè)量方法有一個(gè)改變。對(duì)卡車而言，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要更嚴(yán)格24 dB(A)；但是，對(duì)轎車而言，相應(yīng)要求則寬松了2 dB(A)。2）在美國(guó)，聯(lián)邦政府對(duì)轎車的噪聲限值一直沒有法規(guī)限定，但一些州則制定了80 dB(A)或84 dB(A)的噪聲限值。3）重型貨車限值數(shù)值增加了6 dB(A)，以補(bǔ)償擴(kuò)大2倍的測(cè)量距離(1980年以前的為加州限值)。2.1.3 美國(guó)法規(guī)體系1967年美國(guó)聯(lián)邦政府頒布了第1部汽車噪聲法規(guī)SAE J986小客車和輕型載貨車

36、噪聲級(jí)。隨后，1969年又批準(zhǔn)了SAE J366重型載貨車和客車的車外噪聲級(jí)。早期的SAE標(biāo)準(zhǔn)中既包括了加速噪聲測(cè)量方法和限值，但后來這些標(biāo)準(zhǔn)中取消了限值的規(guī)定，而改在有關(guān)機(jī)動(dòng)車輛的聯(lián)邦法規(guī)(CFR)中規(guī)定。如圖 2-1和圖 2-2所示，美國(guó)的汽車噪聲法規(guī)同歐盟和日本相比，有較大的差異。尤其是美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)只規(guī)定了中、重型載貨車和大客車的噪聲限值，而從未對(duì)輕型車的噪聲進(jìn)行限制。但是，一些州或市的地方性法規(guī)對(duì)此有規(guī)定，按照SAE J986的測(cè)量方法，把輕型車的噪聲級(jí)限制在80 dB(A)或84 dB(A)。另外，SAE J986規(guī)定傳聲器的測(cè)量距離是15 m，而北美以外的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求是7.5 m

37、。因此，相應(yīng)于ISO 362的測(cè)量方法，美國(guó)輕型車的噪聲限值應(yīng)該為86 dB(A)和90 dB(A)。不過，和ISO 362標(biāo)準(zhǔn)有所不同，SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輕型車噪聲測(cè)量的檔位為最低檔。這將使SAE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的汽車噪聲級(jí)要增加6 dB(A)。也就是說，美國(guó)法規(guī)規(guī)定的限值80 dB(A)大體上等同于其它基于ISO 362標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)所規(guī)定的80 dB(A)。目前，美國(guó)法規(guī)規(guī)定卡車的噪聲限值為80 dB(A)，按照歐盟法規(guī)的測(cè)量距離相當(dāng)于86 dB(A)。但是，大多數(shù)人認(rèn)為事實(shí)上它相當(dāng)于歐盟法規(guī)的84 dB(A)。至少一輛滿足84 dB(A)歐盟法規(guī)的卡車，可以毫無問題地通過美國(guó)的噪聲限值。美國(guó)法規(guī)對(duì)在

38、用車輛的噪聲也有一定的限制。1975年聯(lián)邦車輛運(yùn)輸安全局頒布了州際商用卡車和客車的噪聲限值，1989年又對(duì)該法規(guī)進(jìn)行了修訂，規(guī)定速度低于56 km/h的噪聲限值為86 dB(A)，超出56 km/h的限值為90 dB(A)；同時(shí)該法案還限定了車輛定置噪聲，在傳聲器距離車輛中心線15 m處測(cè)量，限值為88 dB(A)。另外，加州法規(guī)還制定在用轎車的行駛噪聲限值，分別為82 dB(A)和86 dB(A)。2.2 國(guó)內(nèi)噪聲法規(guī)2.2.1 我國(guó)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與國(guó)外相比，我國(guó)汽車噪聲控制起步較晚。1979年我國(guó)首次頒布了2項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1495-79機(jī)動(dòng)車輛允許噪聲和GB 1496-79機(jī)動(dòng)車輛噪

39、聲測(cè)量方法，主要適用于新型車型式認(rèn)證，規(guī)定了各類車輛加速行駛噪聲的限值和測(cè)量方法。1996年，由于我國(guó)城市交通噪聲污染日益嚴(yán)重，國(guó)家環(huán)境保護(hù)局和國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局聯(lián)合發(fā)布了國(guó)標(biāo)GB 16170-1996汽車定置噪聲限值，對(duì)在用車輛處于定置工況下的噪聲輻射實(shí)行控制。該標(biāo)準(zhǔn)至今仍有效，對(duì)轎車和重型貨車的定置噪聲分別規(guī)定了85 dB(A)和103 dB(A)的限值 GB16170-1996：1996 汽車定置噪聲限值。我國(guó)對(duì)于機(jī)動(dòng)車噪聲方面的相關(guān)法規(guī)在20多年內(nèi)沒有任何發(fā)展，這也在一定程度上阻礙和限制了我國(guó)汽車在噪聲控制方面的發(fā)展。近年來，汽車工業(yè)給中國(guó)帶來巨大經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，社會(huì)和自然環(huán)境不得不面臨巨

40、大的壓力。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)顯示，交通噪聲占城市總噪聲源的70%。在這樣的背景下，機(jī)動(dòng)車噪聲控制已經(jīng)成為中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展中所急需解決的主要問題之一，相應(yīng)地，我國(guó)在汽車噪聲法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的制定上，形勢(shì)更加緊迫。2.2.2 我國(guó)現(xiàn)行噪聲標(biāo)準(zhǔn)2002年，為了適應(yīng)現(xiàn)代車型的噪聲測(cè)量以及與國(guó)際慣例保持一致，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局又聯(lián)合發(fā)布了GB1495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法。GB1495-2002主要參考了聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)ECE Reg.No.51和ISO362噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，取代了原有2項(xiàng)國(guó)標(biāo)GB 1495-79和GB 1496-79，自2002-10-01起

41、分2個(gè)階段實(shí)施,如表2-1所示。表2-1汽車加速行駛車外噪聲限值汽車類型噪聲限值 dB(A)第一階段第二階段2002.10.1-2004.12.30期間生產(chǎn)的汽車2005.1.1以后生產(chǎn)的汽車M17774M2(GVM3.5t)，或N1(GVM3.5t)：GVM2t2t<GVM3.5t78797677M2(3.5t<GVM5t)，或M3(GVM>5t)：P<150kWP150kW82858083N2(3.5t<GVM12t)，或N3(GVM>12t)：P<75kW75kWP<150kWP150kW838688818384注：1）GVM是汽車最大總質(zhì)

42、量（t），P是發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率（kW）。2）M1，M2（GVM3.5t）和N1類汽車裝用直噴式柴油機(jī)時(shí)，其限值增加1 dB(A)。3）對(duì)于越野汽車，其GVM>2t時(shí)：如果P<150kW，其限值增加1 dB(A)；如果P150kW，其限值增加2 dB(A)。4）M1類汽車，若其變速器前進(jìn)檔多于四個(gè)，P>140 kW，P/GVM之比大于75 kW/t，并且用第三檔測(cè)試時(shí)其尾端氣流的速度大于61 km/h，則其限值增加1 dB(A)。GB 1495-2002在測(cè)量方法上彌補(bǔ)了GB 1496-1979的缺陷，對(duì)測(cè)量場(chǎng)地應(yīng)達(dá)到的聲學(xué)條件要求加以具體規(guī)定，如以測(cè)量場(chǎng)地中心（O點(diǎn)）為基點(diǎn)、半

43、徑為50 m的范圍內(nèi)應(yīng)無圍欄、巖石、橋梁或建筑物等大的聲反射物等，目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)滿足該條件。國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心擁有西南地區(qū)唯一的能滿足ISO 10844要求并獲得國(guó)家認(rèn)可的機(jī)動(dòng)車噪聲專用試驗(yàn)路。標(biāo)準(zhǔn)還增加了手動(dòng)及自動(dòng)變速器檔位選擇條件，明確了加速行駛操作條件等，對(duì)汽車加速行駛車外噪聲測(cè)量方法做了詳盡規(guī)范的要求。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了國(guó)內(nèi)外噪聲控制的相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)歐盟、日本和美國(guó)三大法規(guī)體系進(jìn)行了敘述，同時(shí)，也對(duì)我國(guó)噪聲法規(guī)的發(fā)展作了簡(jiǎn)要的說明。相比而言，我國(guó)的噪聲強(qiáng)制控制標(biāo)準(zhǔn)較國(guó)外有一定的滯后，這與我國(guó)的國(guó)情和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。隨著我國(guó)汽車保有量的增加，噪聲污染日益嚴(yán)

44、重，迫切需要形成相關(guān)的約束性法規(guī)，來控制汽車噪聲污染。我國(guó)最早于1979年頒布了2項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB 1495-79 機(jī)動(dòng)車輛允許噪聲和GB 1496-79 機(jī)動(dòng)車輛噪聲測(cè)量方法。到2002年，為了使現(xiàn)代車型與國(guó)際慣例保持一致，國(guó)家又頒布了GB1495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法，更加嚴(yán)格的控制了噪聲的最高限值。這對(duì)汽車降噪技術(shù)的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用，加快了汽車消聲器的新型性能研究。第三章 汽車噪聲源及排氣噪聲的產(chǎn)生原理3.1 汽車噪聲的類型和噪聲源的識(shí)別3.1.1 汽車噪聲的分類根據(jù)汽車噪聲源發(fā)聲機(jī)理，通常將噪聲分成機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲三類，其產(chǎn)生原因如圖3-1所

45、示。汽車噪聲電磁噪聲空氣動(dòng)力噪聲機(jī)械噪聲由機(jī)械部件的振動(dòng)、撞擊、摩擦、不平衡等造成由氣體流動(dòng)中的相互作用或與固體間的作用而產(chǎn)生由電磁場(chǎng)的交變?cè)斐蓹C(jī)械部件或空間容積的振動(dòng)而產(chǎn)生圖 3-1 汽車噪聲組成結(jié)構(gòu)圖汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在換氣過程中所產(chǎn)生的噪聲屬于空氣動(dòng)力噪聲的范疇，氣體與氣壁之間相互摩擦，同時(shí)作用于進(jìn)排氣門產(chǎn)生換氣噪聲。尤其是在排氣過程中的自由排氣階段，廢氣在極短的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了超臨界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)兩個(gè)階段，排出了占總量60%的廢氣，但同時(shí)也產(chǎn)生了巨大的噪聲 顏伏伍，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理M，北京：人民交通出版社，2007(10)。它是排氣噪聲的主要組成部分。3.1.2 汽車噪聲源的識(shí)別方法噪聲源識(shí)別就

46、是針對(duì)分析對(duì)象中存在的各種聲源，采用各種方法了解產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，為采取有效的降噪措施提供依據(jù)。聲源識(shí)別的方法很多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)條件合理采用一種適當(dāng)?shù)姆椒?，或幾種方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證，以保證有效地識(shí)別聲源。下面將幾種常用的聲源識(shí)別方法作簡(jiǎn)單介紹 陳南，汽車振動(dòng)與噪聲控制M，北京：人民交通出版社，2005（03）：1）主觀評(píng)價(jià)法對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，或熟知的設(shè)備，直接利用人的聽覺系統(tǒng)對(duì)噪聲進(jìn)行鑒別，以判斷聲源的位置和特性。這種方法簡(jiǎn)便易行，取決于人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，無法對(duì)噪聲源作定量描述。2）分別運(yùn)行法對(duì)于復(fù)雜機(jī)器存在多個(gè)發(fā)聲的組件或部件，若能依次脫開運(yùn)行，在聲學(xué)環(huán)境不變的條件下，首先測(cè)得整個(gè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的

47、噪聲，然后脫開某個(gè)部件或組件，使之不產(chǎn)生噪聲，再運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器測(cè)得噪聲，識(shí)別出所脫開部件的噪聲，從而達(dá)到識(shí)別聲源的目的。實(shí)際上部件間的影響總是存在的，這就影響該方法的識(shí)別精度。3）覆蓋法通常用鉛板做成一個(gè)與機(jī)器各部分表面相接近的密封隔聲罩，罩的內(nèi)壁有吸聲材料，以消除罩內(nèi)的混響。罩表面設(shè)計(jì)出可打開的小窗口，則相應(yīng)的機(jī)器表面暴露出來形成直接向罩外輻射噪聲，這時(shí)可測(cè)得機(jī)器暴露部分表面輻射的聲壓級(jí)。依次移動(dòng)窗口，則可確定機(jī)器噪聲的主要輻射面和該面上的主要輻射區(qū)域，從而達(dá)到聲源識(shí)別的目的。4）表面振速測(cè)量法從聲學(xué)理論中可以知道，聲的輻射和法向振動(dòng)速度是密切相關(guān)的?？梢詼y(cè)得振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面的速度，從而得到表面輻射的

48、分布情況，識(shí)別出聲源。此方法一般適用在高頻段，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)的聲輻射效率1。而在低頻段<1使用，有較大誤差。5）信號(hào)分析法根據(jù)測(cè)試的振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)等采用頻譜分析、倒頻譜分析、相關(guān)分析和相干分析等技術(shù)來確定噪聲信號(hào)的頻率特性和各信號(hào)間的相互關(guān)系，從而達(dá)到識(shí)別聲源的目的。6）聲強(qiáng)測(cè)量法聲強(qiáng)測(cè)量法是目前噪聲源識(shí)別中較為先進(jìn)的技術(shù)，由于聲強(qiáng)是矢量，因此測(cè)試時(shí)不受聲源類型和現(xiàn)場(chǎng)的限制，可以直接識(shí)別出聲源。7）聲全息法聲全息技術(shù)隨著信號(hào)分析技術(shù)的發(fā)展，愈來愈得到發(fā)展和應(yīng)用。它通過對(duì)聲源在聲場(chǎng)中一個(gè)面或一個(gè)包絡(luò)面的聲壓或聲強(qiáng)測(cè)量，利用Fourier聲學(xué)理論逆向推導(dǎo)，識(shí)別出聲源。3.2 汽車排氣噪聲的

49、產(chǎn)生原理發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作時(shí)，排氣開始時(shí)氣缸內(nèi)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)8001000，氣缸壓力約為(34)·105 Pa。由于這時(shí)氣缸內(nèi)的壓力為排氣管內(nèi)壓力的兩倍以上，排氣為超臨界流動(dòng)，這時(shí)通過排氣門的氣體速度等于燃?xì)庵械穆曀?，一般可達(dá)5507O0 m/s。雖然占整個(gè)排氣時(shí)間的百分比不大，但氣體流速很高，排除廢氣量可達(dá)60%以上。廢氣從排氣門以高速(速度可達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?沖出，沿著排氣歧管進(jìn)入消聲器，最后從尾管排入大氣。在這一過程中，產(chǎn)生了寬頻帶的排氣噪聲。排氣噪聲的基頻應(yīng)是內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火頻率。在整個(gè)的排氣噪聲頻譜中應(yīng)呈現(xiàn)出基頻及其高次諧波的延伸。排氣噪聲的頻譜常包含以下頻率成分：以每秒鐘排氣次數(shù)為基

50、頻的排氣噪聲、管道內(nèi)氣柱共振的噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、氣缸亥姆霍茲共振噪聲、排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面處的紊流噪聲、排氣歧管處的氣流吹氣聲和氣門桿背部的卡門渦流噪聲等 李寧，汽車排氣消聲器消聲性能及其數(shù)值分析研究D，重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008，12。3.2.1 基頻排氣噪聲基頻噪聲是由于內(nèi)燃機(jī)每一缸的排氣門開啟時(shí)，氣缸內(nèi)廢氣突然以高速噴出，氣流沖擊到排氣道內(nèi)氣門附近的氣體上，使其產(chǎn)生壓力劇變而形成壓力波，從而激發(fā)出噪聲。由于各氣缸排氣是在指定的相位上周期性進(jìn)行的，因而這是一種周期性的噪聲，而且是一種典型的低頻噪聲?；l噪聲頻率顯然和每秒鐘的排氣次數(shù)，即和爆發(fā)頻率是相同的，故基頻噪聲的頻率為：

51、（HZ）(3-1)式中，Z內(nèi)燃機(jī)的氣缸數(shù)；n內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；行程系數(shù)，四行程發(fā)動(dòng)機(jī)=2，二行程發(fā)動(dòng)機(jī)=l。在排氣噪聲頻譜上，通常在基頻1或其第二、三次諧波21、31附近出現(xiàn)峰值，頻率再高時(shí)，以排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲聲壓級(jí)不大。3.2.2 氣柱共振噪聲在排氣系統(tǒng)管道中的空氣柱，在周圍性排氣噪聲的激發(fā)下，因發(fā)生共振而產(chǎn)生空氣柱共振噪聲。每一段兩端封閉的氣柱都是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，其本征頻率為： n=1，2，3；c0=ct±u(3-2)式中，n為諧波系數(shù)，n=l，2，3，；c0為管道中有限波的傳播速度，m/s；ct為管道中的聲速，m/s；u為管道內(nèi)的氣流速度，m/s，當(dāng)氣流方向

52、與聲速方向一致(排氣)時(shí)，取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；為氣柱的長(zhǎng)度，m。如果氣柱一端封閉、一端敞開，則其本征頻率為： n=1，2，3(3-3)內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中，從關(guān)閉的氣門經(jīng)排氣道、排氣管到大氣，構(gòu)成一條一端封閉(氣門端)、一端敞開(大氣端)的氣柱，其固有頻率由(3-3)式確定。當(dāng)f3=f1時(shí)，氣柱共振噪聲將顯著增強(qiáng)，這時(shí)可調(diào)整排氣管長(zhǎng)度使f3與f1不一致。多缸內(nèi)燃機(jī)中，當(dāng)某一缸排氣有氣流流過，便能激發(fā)其他所對(duì)應(yīng)的氣柱發(fā)生共振，而每一缸所對(duì)應(yīng)的氣柱長(zhǎng)度l又與排氣管中氣流流動(dòng)情況有關(guān)。每一缸的排氣道長(zhǎng)度無疑是要記入氣柱長(zhǎng)度的，從進(jìn)入排氣歧管的那一點(diǎn)起到排氣歧管匯合點(diǎn)止的那一段，只要不是廢氣正在流過，都要

53、記入氣柱長(zhǎng)度。氣柱本征頻率比基頻噪聲頻率高得多，不過通常1000 Hz以下這類噪聲就微不足道了。3.2.3 亥姆霍茲共振噪聲如果一個(gè)封閉的容積為V的空腔，通過一根截面積為S、長(zhǎng)度為l的管道與大氣相通，就形成一個(gè)共振系統(tǒng)，稱為亥姆霍茲共振腔，其共振頻率由V、S、l決定。內(nèi)燃機(jī)排氣門打開時(shí)，氣缸與排氣道、排氣管就組成一個(gè)亥姆霍茲共振腔，它有一個(gè)共振頻率。廢氣流動(dòng)激發(fā)的噪聲中與共振頻率一致的頻率成分在這個(gè)共振腔中得到充分的放大。于是，內(nèi)燃機(jī)噪聲頻譜中的這一頻率就顯得很突出，其頻率可按下式計(jì)算：(3-4)式中，c是管道內(nèi)的聲速，m/s；S是排氣管的截面積，m2；Vh是氣缸工作容積，L；是排氣管長(zhǎng)度，m

54、。亥姆霍茲共振噪聲的最大特點(diǎn)是，其頻率與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。共振頻率隨氣缸工作容積而變，排氣過程中隨著活塞的上行，共振頻率逐漸升高。因此，噪聲頻譜中對(duì)應(yīng)于亥姆霍茲共振頻率的峰比較寬。亥姆霍茲共振噪聲在單缸機(jī)中表現(xiàn)得最為突出，在兩缸機(jī)和三缸機(jī)中也能發(fā)現(xiàn)，但在四缸以上的多缸機(jī)中，由于各缸之間相互干擾，排氣歧管及總管較長(zhǎng)，故這類噪聲不突出。3.2.4 其他噪聲1）噴注噪聲、渦流噪聲和沖擊噪聲在自由排氣階段，排氣門處由于高速的氣流噴注而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噴注噪聲。又由于氣體的粘性，廢氣排出后，會(huì)帶動(dòng)排氣門后的氣體一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生卷吸作用，使周圍氣體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成渦流，輻射出渦流噪聲。另外，排氣門附近存在著氣體壓力的

55、不連續(xù)面，這種壓力不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生沖擊波，因而產(chǎn)生沖擊噪聲。2）排氣管內(nèi)壁面處的摩擦和紊流噪聲在超臨界排氣階段，在排氣門附近的一段氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的速度接近當(dāng)?shù)芈曀?，這時(shí)氣體在管道中的流動(dòng)雷諾數(shù)Rec2320，廢氣的流動(dòng)是紊流流動(dòng)。另外，由于排氣道內(nèi)的溫度很高，而氣道壁面的溫度只有100左右，這樣在管壁附近的氣體中存在很大的溫度梯度，此溫度梯度更加劇了氣流的紊流程度，增加了渦流強(qiáng)度。排氣道內(nèi)壁面一般均用砂蕊鑄造成型，表面的絕對(duì)粗糙度 h=0.30.6 mm。這個(gè)高度大于排氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的紊流附面層中的層流底面厚度。這樣，當(dāng)氣流繞流過凸出物時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，在凸出物后面形成類似于氣門桿后的卡門渦流

56、，使管壁面的渦流進(jìn)一步增強(qiáng)。紊流氣體在排氣道內(nèi)壁面附近造成的渦流引起壁面附近的氣體壓力波動(dòng)，輻射出噪聲，這種紊流噪聲主要是寬帶的高頻噪聲。3）排氣歧管處的氣流吹氣聲當(dāng)多缸機(jī)工作時(shí)，可以近似地認(rèn)為，任何時(shí)刻都只有一個(gè)氣缸中的廢氣大量排出，其余各缸是關(guān)閉的。假定某一缸廢氣大量排出，當(dāng)氣流流向總管時(shí)，也會(huì)吹向其他各氣道的開口端，并且氣流流速也隨著曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生大幅度的變化。當(dāng)氣流吹至氣道口處的“唇”部時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一種周期性的渦流。這種渦流將使歧管內(nèi)氣體產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出噪聲，這種噪聲稱為“唇”音或“邊棱音”。如果這種壓力波動(dòng)的頻率恰好在使管口附近的聲阻抗為最小的頻率上，則管內(nèi)將發(fā)生共振，激發(fā)出噪聲。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是上述幾種頻率成分組成的，所以排氣噪聲頻譜一般呈明顯的低頻特性，但中、高頻噪聲也達(dá)到了一定的程度。中頻噪聲一般是由氣柱共振和排氣基頻的高次諧波延伸所致，而高頻噪聲主要是排氣時(shí)產(chǎn)生的噴注噪聲、渦流聲，以及排氣系統(tǒng)管壁振動(dòng)等所附加的噪聲。結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)燃機(jī)，隨著氣缸數(shù)、燃燒室形狀、燃料種類、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速等不同，其排氣噪聲有不同形狀的頻一譜。同一類型的內(nèi)燃機(jī)的頻譜大體上相似，多缸機(jī)和單缸機(jī)的頻譜則有不同的特征。3.3 本章小結(jié)本章主要介紹了汽車噪聲源和排氣噪聲的產(chǎn)生原理，說明了汽車噪聲的類型以及噪聲源的一般識(shí)別方法，通過對(duì)基頻排氣噪聲、氣柱共振噪