★ 消聲器長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)：

當(dāng)消聲器容積保持不變時(shí)，只改變其內(nèi)徑與長(zhǎng)度，L/D越小，空腔越扁，截面積的擴(kuò)張與m越大，最大衰減量越隨之增大，但消聲頻率范圍變得很窄。

經(jīng)驗(yàn)推薦：3

★ 消聲器容積的初步設(shè)計(jì)

通常講，消聲器容積越大，消聲效果越好。排氣噪聲的大小很大程度上取決于消聲器容積。要達(dá)到理想的消聲效果，消聲器容積至少要是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體積的10~20倍，前置消聲器容積達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體技的2倍以上。（消聲器容積=前消容積+后消容積）

★ 消聲器容積推薦公式：

3排氣系統(tǒng)的噪聲源：◆空氣動(dòng)力噪聲：

（1）這股氣流是穩(wěn)定的

（2）空氣動(dòng)力噪聲取決于排氣管道的直徑，排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（3）低轉(zhuǎn)速時(shí)是主要成分

◆沖擊噪聲

（1）排氣管道中不穩(wěn)定的氣流會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊噪聲。比如：排氣多支管彎曲段的弧度太小，發(fā)動(dòng)機(jī)出來的氣流會(huì)對(duì)它產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，從而發(fā)出“砰、砰”的沖擊噪聲。

（2）在管道截面積突然變化的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生沖擊噪聲。

◆ 薄板的輻射噪聲

聲源：（1）機(jī)械振動(dòng)

（2）穩(wěn)定的空氣氣流。這種穩(wěn)定的氣流會(huì)對(duì)薄板結(jié)構(gòu)施加穩(wěn)定的脈動(dòng)力。

（3）不穩(wěn)定氣流。當(dāng)管道中的氣流速度非常高的時(shí)候，在管壁附近就會(huì)形成紊流。

原因：（1）輻射噪聲的大小取決于這些板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、剛度等。

（2）輻射噪聲的頻率與薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率是一致的。

方法：（1）減少激勵(lì)

（2）改變結(jié)構(gòu)的特征，如質(zhì)量、剛度和阻尼等。

4氣流對(duì)消聲效果的影響▲ 氣體速度對(duì)消聲器消聲效果有很大影響，因此在消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須保證局部氣流速度在36-50m/s,這樣可以有效地降低再生噪聲。

▲ 設(shè)計(jì)原則：消聲器中流動(dòng)的氣體和靜態(tài)的氣體都是聲波的載體，應(yīng)當(dāng)盡量分離氣體通道與消聲通道；在消聲通道中，應(yīng)根據(jù)頻率盡可能多地設(shè)計(jì)“聲陷阱”，而氣流通道則應(yīng)盡可能的通暢。

▲ 一般情況下，載體體積設(shè)計(jì)為氣缸總排量的2-3倍，進(jìn)氣管上開孔的總面積為進(jìn)氣管截面積的1.5倍左右。當(dāng)超過1.5倍時(shí)不會(huì)造成明顯的氣流損失，對(duì)壓降影響較小。

5溫度對(duì)排氣消聲器的影響排氣系統(tǒng)與進(jìn)氣系統(tǒng)有一個(gè)很大差別是排氣系統(tǒng)的溫度高而且溫度是隨著排氣管的位置而變化的。在排氣多支管處，排氣溫度可以達(dá)到700℃，甚至更高，可是在尾管處的溫度降低到300℃。由于聲速與溫度有著很大的關(guān)系，因此聲波的頻率和波長(zhǎng)也都會(huì)隨著溫度而改變。所以即使是要消除同一頻率的噪聲，消聲器安裝在不同的位置，其結(jié)構(gòu)也要改變。聲速與溫度的關(guān)系為：

聲波的長(zhǎng)波為：

6擴(kuò)張比對(duì)傳遞損失的影響首先固定擴(kuò)張器的長(zhǎng)度L,來觀察擴(kuò)張比對(duì)傳遞損失的影響。假設(shè)L=30cm,下圖給出了傳遞損失隨著m值變化的曲線。（在排氣系統(tǒng)中，增加擴(kuò)張器的截面積往往受到安裝空間的限制，而減小管道的截面積卻會(huì)影響到氣流流通。當(dāng)截面積過小時(shí)，如果氣流的速度太快，則會(huì)引起管道壁上很高的摩擦噪聲。在選擇進(jìn)氣管道時(shí)，又是會(huì)用到擴(kuò)張管道，這種管道既可以減小進(jìn)口的截面積以便增加傳遞損失，同時(shí)也不至于使氣流受阻太大以便減小功率損失）。

圖為擴(kuò)張比對(duì)傳遞損失的影響

擴(kuò)張消音器的傳遞損失為：

式中，m=S2/S1,成為擴(kuò)張比。對(duì)圓管道來說，m=D2/d2.D和d分別是擴(kuò)張腔的直徑和管道的直徑。從上式可知，擴(kuò)張消聲器的傳遞損失取決于擴(kuò)張比和擴(kuò)張腔室的長(zhǎng)度，同時(shí)也是波長(zhǎng)（或者頻率）的函數(shù)。下面來分析擴(kuò)張比和擴(kuò)張室長(zhǎng)度傳遞損失的影響。

通過固定擴(kuò)張比m,來觀察擴(kuò)張器長(zhǎng)度L對(duì)傳遞損失的影響。下圖表示當(dāng)擴(kuò)張比m=10時(shí)，不同長(zhǎng)度下（15cm,20cm和30cm）的傳遞損失。

圖為擴(kuò)張器長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響

公式和圖中表明，當(dāng)擴(kuò)張器的長(zhǎng)度變化時(shí)，傳遞損失的幅值不便，但是其最大值和最小值對(duì)應(yīng)的頻率卻變了。從公式知道， 的最大值是1，所以傳遞損失的最大值只是擴(kuò)張比的函數(shù)。當(dāng)擴(kuò)張比固定了，傳遞損失的最大值也就固定了。公式表明當(dāng)擴(kuò)張器的長(zhǎng)度增加時(shí)，最大值的中心頻率是減小的。圖中也表明了這種趨勢(shì)。圖海表明當(dāng)長(zhǎng)度增加時(shí)，傳遞損失的帶寬卻減小。

7赫爾姆茲消音器排氣系統(tǒng)的赫爾姆茲消音器通常是設(shè)計(jì)在一個(gè)大殼體內(nèi)被“隱藏”起來，

常見種類有：

1）內(nèi)裝式赫爾姆茲消音器，如圖1。在內(nèi)裝消音器中，有兩個(gè)腔室，進(jìn)入管直接通向右邊空腔，構(gòu)成了赫爾姆茲消音器。在這個(gè)赫爾姆茲消音器中，容積為右邊空腔容積，管道的直徑是進(jìn)入管的直徑，長(zhǎng)度為最右端小孔到進(jìn)入管末端的距離。

2）三管迷路赫爾姆茲消聲器，如圖2。三管迷路赫爾姆茲消音器中的共振腔是圖中右邊的空腔。在空腔的左邊安裝著一個(gè)小管，其直徑和長(zhǎng)度如圖中所示。同時(shí)氣流在三個(gè)管子上的小孔流通，也起到消除中頻噪聲的效果。圖2，三管迷路赫爾姆茲消音器

3）同心赫爾姆茲消音器，如圖3。在同心消音器中，一個(gè)空腔內(nèi)插入一根細(xì)管和一根粗管，細(xì)管套在粗管之中。氣流從細(xì)管進(jìn)入，通過粗管流出?？涨痪褪呛諣柲菲澫羝鞯墓舱袂?，細(xì)管為連接管道，其長(zhǎng)度為細(xì)管與粗管公共的長(zhǎng)度。圖3，同心赫爾姆茲消音器

4）旁支赫爾姆茲消音器，如圖4。旁支赫爾姆茲消音器是在出氣管上安裝一個(gè)管道與消音器內(nèi)的一個(gè)密封腔相連接。其長(zhǎng)度，截面積和共振腔提及如圖所示。

圖4，旁支赫爾姆茲消聲器

8三管迷路消音器三管迷路時(shí)消音器內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)。如圖5所示，氣流從最上面的管道流出，經(jīng)過下面的管道，最后從中間管道流出。在這三個(gè)管道上，有很多小孔，氣流除了在三個(gè)管道中流動(dòng)外，還從這些小孔流出。氣流在三個(gè)管道的小孔上不斷交換，一部分聲能被抑制住，從而達(dá)到消音的目的。三管迷路消音器主要是消除中頻聲音。消音的效果和頻率主要取決于小孔占管道表面積的比例和形狀。

圖5，三管迷路消音器

9四分之一波長(zhǎng)管由于安裝空間的限制，在排氣系統(tǒng)很少見到象進(jìn)氣系統(tǒng)那樣的四分之一波長(zhǎng)管。排氣系統(tǒng)中四分之一波長(zhǎng)管通常與管道結(jié)合在一起。常見的結(jié)構(gòu)有以下幾種：

★ 在主管道外套一個(gè)罐子，在主管上開一個(gè)口，如圖6所示。外管與內(nèi)管之間就形成了一個(gè)共振腔。這個(gè)小孔和套管就組成了一個(gè)四分之一波長(zhǎng)管。

圖6，排氣系統(tǒng)中四分之一波長(zhǎng)管

★ 圖7是另外一種四分之一波長(zhǎng)管。其機(jī)構(gòu)與前面一種類似。不同的是在主管上看很多小孔。

圖7，排氣系統(tǒng)中四分之一波長(zhǎng)管

★ 圖8種有兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)管。在主管道與擴(kuò)大腔室之間安裝著迷宮一樣的幾個(gè)管套，形成兩個(gè)獨(dú)立的氣流走道，從而形成兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)管。

圖8，排氣系統(tǒng)中四分之一波長(zhǎng)管

10穿孔消音器圖9表示一個(gè)穿孔消音器，他的傳遞損失與頻率與穿孔的直徑和面積有關(guān)。如果管壁上的直徑分廠小，那么穿孔消音器就相當(dāng)于一個(gè)赫爾姆茲消音器。這些小孔就是赫爾姆茲消音器中的連接管。如果小孔的面積太大，其功能就是一個(gè)擴(kuò)張消音器。

 圖9，穿孔消音器

11復(fù)合消音器排氣系統(tǒng)中的消音器通常非常復(fù)雜，在各種各樣的消音器安裝在一個(gè)殼體內(nèi)。圖10為一個(gè)復(fù)合消音器。這個(gè)消音器由三部分組成：赫爾姆茲消音器，三管迷路消音器，框型罐加上吸聲材料。

赫爾姆茲消音器用于低頻消音，頻率作用范圍一般為：40-200Hz

三管迷路消音器用于中頻消音，頻率作用范圍一般在：100-500Hz

框型罐加上吸聲材料用于高頻消音，頻率作用范圍一般在：500Hz以上

圖10，復(fù)合消音器

12尾管噪聲分析尾管噪聲的組成：尾管噪聲是一種脈動(dòng)噪聲。聲音是以平面波在管道中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)尾管時(shí)，氣流就產(chǎn)生脈動(dòng)噪聲，就好像在尾管處有一個(gè)活塞在運(yùn)動(dòng)。

尾管噪聲由兩部分噪聲組成：空氣動(dòng)力噪聲和氣流摩擦噪聲。穩(wěn)定的氣流在尾管處發(fā)出動(dòng)力噪聲，而不穩(wěn)定的氣流則產(chǎn)生摩擦噪聲。在尾管噪聲中，這兩種噪聲所占成分取決于氣流流量的大小和速度。流量小和速度低時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲占主要成分，而流量大和速度快時(shí)，摩擦噪聲占主要成分。但實(shí)際測(cè)量是很難將這兩種噪聲區(qū)分開來，用計(jì)算的方法可以將這兩種噪聲分來。

當(dāng)管中氣體流速大時(shí)，摩擦噪聲起主導(dǎo)作用。管道直徑約達(dá)，流速就越低，因此摩擦噪聲越小。

尾管長(zhǎng)度與調(diào)節(jié)頻率的關(guān)系：

13尾管和中間管的聲學(xué)分析

★尾管的聲學(xué)分析

消音器與尾管由于截面積不同，因此在交界處聲阻抗不匹配，另外排氣口通往大氣，阻抗也不匹配，因此就在管道中就存在入射波和反射波，這樣就有駐波存在。消音器的容積足夠大，消音器與尾管的交界面可以近似地處理為開口管端，這樣尾管就可以看成具有一個(gè)“開口-開口”的邊界條件。

駐波的頻率只取決于聲波的速度和尾管的長(zhǎng)度，由于聲速是確定的，因此只要改變尾管的長(zhǎng)度就可以調(diào)節(jié)尾管的輻射噪聲的頻率。通常在設(shè)計(jì)完排氣系統(tǒng)后，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)某個(gè)頻率成分的噪聲過大，這時(shí)往往通過調(diào)節(jié)尾管的長(zhǎng)度來抑制這個(gè)頻率分量的噪聲。

★ 中間管道的聲學(xué)分析

下圖為一個(gè)中間管。中間管的兩邊是消聲器，假設(shè)消音器足夠大的話，也可以認(rèn)為中間管的兩邊是處在“開口-開口”邊界條件。這樣這個(gè)管的共振頻率也可以用公式來計(jì)算。如果管道太長(zhǎng)，管道中聲的模態(tài)很容易與管道的結(jié)構(gòu)模態(tài)產(chǎn)生共振。

例如管道的長(zhǎng)度L=2米，溫度為400度，那么駐波的頻率為：

※ 這樣的低頻率很容易把結(jié)構(gòu)本身的固有頻率激勵(lì)起來。一旦結(jié)構(gòu)的模態(tài)被激勵(lì)起來，這個(gè)震動(dòng)就會(huì)通過掛鉤傳遞到車體。所以為了防止駐波激勵(lì)，中間管應(yīng)該避免長(zhǎng)管道。

※ 中間管和尾管的截面積不能太小，否則會(huì)引起氣流摩擦噪聲。為了控制氣流速度太快而引起的摩擦噪聲，氣流的速度要控制在一定范圍內(nèi)：

對(duì)中間管來說：馬赫數(shù)< 0.35

對(duì)于尾管來說：馬赫數(shù)<0.25

14聲壓級(jí)的合成與分解

▲ 兩個(gè)聲壓級(jí)的合成：是原較大的聲壓級(jí)加一個(gè)增值，如下表：（dB）

▲ 兩個(gè)聲壓級(jí)的分解：如一只總噪聲與本底噪聲的聲壓級(jí)，求被測(cè)噪聲的聲壓級(jí)，則被測(cè)噪聲的聲壓級(jí)等于總噪聲聲壓級(jí)減去一個(gè)修正值，如下表：（dB）

在總聲壓級(jí)超過本底聲壓級(jí)10dB時(shí)，可以不考慮本底噪聲的影響。

15設(shè)計(jì)研發(fā)過程-聲學(xué)消音特性

● 聲學(xué)性能評(píng)價(jià)：傳遞損失、插入損失、聲壓級(jí)差值、聲壓級(jí)、插入損失與傳遞損失的比較。傳遞損失只取決于消聲元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積；而插入損失取決于產(chǎn)地?fù)p失及消聲器在排氣系統(tǒng)中的位置。傳遞損失一般用于評(píng)價(jià)耽擱消聲器，而插入損失則是用于評(píng)價(jià)真?zhèn)€消聲系統(tǒng)，因此插入損失比較容易描述一個(gè)系統(tǒng)的消聲性能。

● 消聲部件的空氣動(dòng)力性能指標(biāo)：局部壓力損失、沿程壓力損失

● 消聲器氣流流通面積的確定

速度：高溫氣流在消聲系統(tǒng)中流動(dòng)，氣流可以改變聲波在消聲器內(nèi)部的傳播規(guī)律；同時(shí)氣流可以產(chǎn)生再生噪聲（高速氣流撞擊消聲器部件，取決于速度的大?。┮话銓⒉迦牍軞饬鞯乃俣萿=60~90m/s，消聲器內(nèi)部的氣流速度應(yīng)控制在40~60m/s的范圍內(nèi)。

進(jìn)氣管內(nèi)部直徑d1的確定：由內(nèi)燃機(jī)的排量，合適的氣流速度，確定流通面積和直徑d1。內(nèi)燃機(jī)的排量：實(shí)測(cè)、理論計(jì)算

內(nèi)部各流通面積的確定：氣流的流體截面積前部應(yīng)該大一些，后面的截面積小一些，流速控制在40~60m/s

● 消聲器有效容積的確定

與內(nèi)燃機(jī)的排量、氣缸數(shù)、沖程數(shù)、壓縮比、是否增壓和消聲量的要求來確定。

●消聲器外形尺寸的確定（長(zhǎng)度和內(nèi)徑）

由消聲量確定膨脹比，再由膨脹比確定消聲器的內(nèi)徑D，由一些統(tǒng)計(jì)的L/D數(shù)據(jù)，確定長(zhǎng)度L

●消聲器腔數(shù)的確定

腔數(shù)越多：高頻的消聲效果好，低頻的消聲效果差；制造復(fù)雜。一般應(yīng)該根據(jù)消聲特性和消聲量來選擇經(jīng)驗(yàn)

要求消聲量大于10db時(shí)，腔數(shù)：2~3

要求消聲量大于15db時(shí)，腔數(shù)3~4

要求消聲量大于20db時(shí)，腔數(shù)大于4

●消聲器各腔長(zhǎng)度的確定

第一腔的容積不應(yīng)小于內(nèi)燃機(jī)排量的1~3倍（主要消除內(nèi)燃機(jī)燃燒過程和進(jìn)、排氣開閉時(shí)所產(chǎn)生的沖擊噪聲，與熱燃機(jī)標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)、沖程數(shù)等有關(guān)。）其余L2=L1/2，L3=L2/2

這樣安排各腔長(zhǎng)度的消聲器具有消除低、中、高頻噪聲的全頻消聲器。

●各腔連接方式的確定

用小孔后者插入管相連。

●空腔內(nèi)吸聲材料的應(yīng)用

增加高頻的吸聲效果

●穿孔率的定義為：穿孔面積和管壁表面積的比值。穿孔管的計(jì)算公式為：

通過模擬計(jì)算對(duì)比得知：對(duì)頻率低于800Hz的聲波，改變穿孔率對(duì)傳遞損失的影響不大，不同穿孔率的三條曲線基本吻合；在800Hz~1200Hz頻率間，傳遞損失曲線隨著穿孔率的增加而增加。所以，對(duì)于不同頻率范圍的聲波，穿孔率的影響不同，聲波相互之間的干涉比較復(fù)雜，不是單一的線性關(guān)系。應(yīng)當(dāng)針對(duì)于瑤衰減的聲波頻率選取適當(dāng)?shù)拇┛茁省?/SPAN>

●針對(duì)消聲器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，相應(yīng)的CAE模擬仿真應(yīng)用如下：

利用CFD技術(shù)，模擬高溫氣流在消聲器內(nèi)的流動(dòng)情況，可計(jì)算出壓力損失，直接反映消聲器的功率損耗情況。

氣流對(duì)消聲性能影響表現(xiàn)在兩方面：一是氣流的存在會(huì)引起聲傳播和聲衰減規(guī)律的變化；二是氣流可以產(chǎn)生再生噪聲。氣流改變了聲波傳播規(guī)律，主要反映在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)可以改變聲波的波長(zhǎng)方面。當(dāng)聲波傳播方向和氣流運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，聲波在消聲器中的衰減系數(shù)下降，降噪量減少；當(dāng)聲波傳播方向和氣流運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，消聲器的衰減系數(shù)增加，降噪量增加。因此，設(shè)計(jì)消聲器時(shí)應(yīng)充分利用氣流與聲波流的逆向作用，提高消聲效果。