排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析

1、第五章 排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析第一節(jié)排氣系統(tǒng)概述1排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與種類排氣系統(tǒng)一般是指與從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣多支管到排氣尾管各個(gè)部件組合。圖5.1為一個(gè)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)圖。排氣系統(tǒng)包括：Y型管、催化器、柔性管、前置消音器、后置消音器、中間連接管、尾管、掛鉤、掛鉤隔振器等部件。圖5.1 排氣系統(tǒng)的組成排氣系統(tǒng)的一端通過排氣多支管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，而另一端是通過掛鉤與車體相連。圖5.2表示排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)與車體的連接示意圖。排氣系統(tǒng)可以按照溫度高低分成熱端與冷端，如圖5.2所示。離發(fā)動(dòng)機(jī)近的部分叫著熱端，一般包括排氣多支管、催化器等。當(dāng)氣體離發(fā)動(dòng)機(jī)越遠(yuǎn)，溫度就越低。冷端包括前置消音器、后置消音器、中間管

2、道和尾管等。一般情況下，柔性連接管是熱端和冷端的分界點(diǎn)，但是也有例外，如有些結(jié)構(gòu)的柔性管安裝在Y型管上或者有的結(jié)構(gòu)中沒有柔性管。圖5.2 排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)與車體的連接圖Y型管是針對(duì)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的。對(duì)4四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般來說沒有Y型管。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)是東-西方向放置的，一般都會(huì)有柔性管或者是球型連接器，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與排氣系統(tǒng)垂直，從而引起很大的彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。而對(duì)于南-北方向放置的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般沒有柔性管，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與排氣系統(tǒng)平行，只引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而沒有彎曲振動(dòng)。一般來說，彎曲振動(dòng)通過掛鉤傳到車體上的力比扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞的力要大些。排氣系統(tǒng)的類型有下面幾種：單入口單出口(圖5.

3、3(A)，單入口雙出口(圖5.3(B)，雙入口單出口(圖5.3(C)，雙入口雙出口(圖5.3(D)和兩個(gè)獨(dú)立的排氣系統(tǒng)(圖5.3(E)。單入口用在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，雙入口用在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上。單出口和雙出口在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和V型發(fā)動(dòng)機(jī)上都有應(yīng)用。獨(dú)立系統(tǒng)是用在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上。5(E)5(D)5(C)5(A)圖5.3 排氣管的種類2排氣系統(tǒng)的功能空氣與燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后，廢氣要排入到大氣中。由於燃燒不徹底，這些廢氣中含有氮氧化合物、一氧化碳等有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)必須經(jīng)過處理后才能排放到大氣中，否則就會(huì)造成空氣污染。排氣系統(tǒng)主要有兩大功能：1) 廢氣處理。排氣系統(tǒng)中都安裝有催化器，有的系統(tǒng)中安裝有多個(gè)催化器

4、。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣經(jīng)過催化器時(shí)，廢氣在催化器內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將廢氣轉(zhuǎn)換為無害氣體，然后經(jīng)過管道排入到大氣。催化器一般要盡可能地離發(fā)動(dòng)機(jī)近些，這樣溫度高，有利于化學(xué)反應(yīng)。2) 降低噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)發(fā)出巨大的噪聲，氣體和聲波在管道中摩擦也會(huì)產(chǎn)生噪聲。排氣系統(tǒng)中通常安裝兩個(gè)消音器：前置消音器和后置消音器。前置消音器基本上是抗性消音器，主要是針對(duì)一些特定的頻率。后置消音器可以是抗性消音器也可以是復(fù)合消音器，它用來消除較寬頻帶的噪聲。3排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的問題與進(jìn)氣系統(tǒng)一樣，當(dāng)一個(gè)排氣系統(tǒng)安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，排氣口處的背壓增高，排氣系統(tǒng)就要消耗一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。如果排氣管道的截面積越大，或者氣體流通

5、越順暢，功率損失就越小。可是降低噪聲則需要管道截面積小，而且氣體流動(dòng)受到的阻力越大越好。於是降低噪聲與減少功率損失是一對(duì)矛盾。在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮這對(duì)矛盾體。除此之外，設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)還必須考慮到排氣污染、排氣系統(tǒng)傳遞到車體的振動(dòng)、可靠性等等。圖5.3列出了排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題。圖5.4 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)還要考慮成本、重量、安裝空間、制造安裝維修等問題。本書只講述噪聲與振動(dòng)問題，其他性能指標(biāo)可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。但是由於功率損失與進(jìn)氣口噪聲與排氣尾管噪聲緊密相關(guān)，所以本章還將介紹管道中的背壓與功率損失問題。第二節(jié)排氣系統(tǒng)的噪聲源圖5.5表示了排氣系統(tǒng)的噪聲源。噪聲源包括

6、空氣動(dòng)力噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲。圖5.5 排氣系統(tǒng)的噪聲源1 空氣動(dòng)力噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生聲音。這個(gè)聲音在排氣管道中傳播而形成空氣動(dòng)力噪聲。在管道中的這股氣流是穩(wěn)定的。空氣動(dòng)力噪聲取決于排氣管道的直徑。在一定的氣流量時(shí)，直徑越大，空氣動(dòng)力噪聲就越穩(wěn)定?？諝鈩?dòng)力噪聲的大小取決于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在排氣系統(tǒng)中，純粹的聲學(xué)設(shè)計(jì)就是針對(duì)這類噪聲的。2 沖擊噪聲排氣管道中不穩(wěn)定的氣流會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，從而形成沖擊噪聲。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。在管道截面積突然變化的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生沖擊噪聲。加大管道的過渡圓弧和

7、漸進(jìn)地改變結(jié)構(gòu)的變截面積是減小沖擊噪聲的途徑。3輻射噪聲當(dāng)一個(gè)振動(dòng)體與流體接觸的時(shí)候，就會(huì)推動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生聲音。麥克風(fēng)傳聲就是這樣。排氣系統(tǒng)的管道和消音元件被機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)或者受內(nèi)部流體壓力波動(dòng)引起振動(dòng)，這些被激勵(lì)的結(jié)構(gòu)對(duì)外將聲音輻射出去，形成了輻射噪聲。在排氣系統(tǒng)中，輻射噪聲源來自三方面：第一是機(jī)械振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)排氣系統(tǒng)振動(dòng)，車體的振動(dòng)也會(huì)通過掛鉤傳遞給排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)中有很多薄板，如消音器的外殼、催化器的外殼、管道的外殼等等。一旦這些薄板被激起振動(dòng)，就會(huì)對(duì)外輻射噪聲。第二是穩(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)定脈動(dòng)力，從而激起板的振動(dòng)，并輻射噪聲。第三種是不穩(wěn)定氣流。

8、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。這股紊流不斷沖擊薄板產(chǎn)生輻射噪聲。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。輻射噪聲的頻率與薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率是一致的。消音元件輻射的聲音頻率一般比較低，而管道輻射的頻率一般比較高，因?yàn)楣艿赖膭偠缺认粼膭偠雀?。解決輻射噪聲的途徑有兩個(gè)：一是減少流體聲波的擾動(dòng)，二是改變結(jié)構(gòu)的特征，如質(zhì)量、剛度和阻尼等。4 氣流摩擦噪聲當(dāng)管道中氣體流動(dòng)速度非常高的時(shí)候，流體與管壁之間產(chǎn)生摩擦，一方面形成紊流，擾動(dòng)板振動(dòng)并產(chǎn)生輻射噪聲，另一方面當(dāng)氣流傳到尾管時(shí)對(duì)外發(fā)出巨大的噪聲，這就是氣流摩擦噪聲。降低摩擦噪聲的辦法有：減小氣體的流動(dòng)速

9、度，增加管道的截面積，使得管壁盡可能地光滑，避免管道中的突然轉(zhuǎn)彎，在排氣管口避免障礙物體，使用吸聲材料。第三節(jié)排氣系統(tǒng)消音器的設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)中使用的消音器有三種：抗性消音器、阻性消音器、主動(dòng)或者半主動(dòng)消音器。有關(guān)主動(dòng)與半主動(dòng)消音器的問題將在“汽車主動(dòng)與半主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制”一章中介紹。抗性消音器是將能量反射回到聲源，從而抑制聲音。阻性消音器是聲能被吸聲材料的吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，從而達(dá)到消音目的。發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種噪聲：純音和混雜音。純音是窄頻帶的，所以用抗性消音器，主要是反射聲?；祀s音是寬頻帶的，所以用阻性消音器，主要是吸聲。與進(jìn)氣系統(tǒng)使用的消音元件一樣，排氣系統(tǒng)也使用擴(kuò)張消音器、赫爾姆茲消音器、四分之

10、一波長管等等。1溫度對(duì)排氣消音器的影響排氣系統(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，排氣溫度達(dá)可以達(dá)到7000C甚至更高，可是在尾管處的溫度降低到3000C。由於聲速與溫度有著很大的關(guān)系，因此聲波的頻率和波長也都會(huì)隨著溫度而改變。所以即使是要消除同一頻率的噪聲，消音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：(5.1)聲波的波長為：(5.2)對(duì)某個(gè)頻率的聲波來說，波長是隨著溫度的增加而增加的。我們以擴(kuò)張消音器為例子來說明這種變化。擴(kuò)張消音的傳遞損失為：(5.3)這個(gè)公式表明傳遞損失也是隨著溫度變化而變化的。圖5.6給出了兩個(gè)溫

11、度(200C和2000C)下的傳遞損失曲線。對(duì)長度一定的消音器來說，溫度增加就意味著(或者說是相當(dāng)于)消音器的長度變短。這樣消音器在低頻的降噪效果就降低。圖5.6 兩個(gè)溫度(200C和2000C)下的傳遞損失曲線2赫爾姆茲消音器的分類由於排氣系統(tǒng)安裝空間的限制，在排氣系統(tǒng)中，很少見到圖12.23和圖12.50那樣看上去明顯的赫爾姆茲消音器。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：內(nèi)裝式赫爾姆茲消音器，如圖5.7三管迷路赫爾姆茲消音器，如圖5.8同心赫爾姆茲消音器，如圖5.9旁支赫爾姆茲消音器，如圖5.10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)

12、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，長度為最右端小孔到進(jìn)入管末端的距離。圖5.7 內(nèi)裝式赫爾姆茲消音器三管迷路赫爾姆茲消音器中的共振腔是圖5.8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5.8 三管迷路赫爾姆茲消音器在同心消音器中，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。空腔就是赫爾姆茲消音的共振腔，細(xì)管為連接管道，其長度為細(xì)管與粗管公共的長度。圖5.9 同心赫爾姆茲消音器旁支赫爾姆茲消音器是在出氣管上安裝一個(gè)管道與

13、消音器內(nèi)的一個(gè)密封腔相連接。其長度，截面積和共振腔體積如圖5.10所示。圖5.10 旁支赫爾姆茲消音器3 三管迷路消音器三管迷路是消音器內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)。如圖5.11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5.11 三管迷路消音器4四分之一波長管由於安裝空間的限制，在排氣系統(tǒng)很少見到象進(jìn)氣系統(tǒng)中那樣的四分之一波長管，如圖12.53。排氣系

14、統(tǒng)中四分之一波長管通常與管道結(jié)合在一起。常見的結(jié)構(gòu)有下面幾種：A. 在主管道外套一個(gè)管子，在主管上開一個(gè)口，如圖5.12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)四分之一波長管。B. 圖5.13是另外一種四分之一波長管。其結(jié)構(gòu)與前面一種類似。不同的是在主管上看很多小孔。C. 圖5.14中有兩個(gè)四分之一波長管。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)四分之一波長管。圖5.12 排氣系統(tǒng)中四分之一波長管 A圖5.13 排氣系統(tǒng)中四分之一波長管 B圖5.14 排氣系統(tǒng)中四分之一波長管 C5穿孔消音器圖5.15表示一個(gè)穿孔消音器，它的

15、傳遞損失與頻率與穿孔的直徑和面積有關(guān)。如果管壁上的直徑非常小，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5.15 穿孔消音器6 阻性消音器消音器里面安放了多孔吸聲材料(如纖緯材料等)，當(dāng)聲波通過這些材料時(shí)，聲能量被纖緯材料吸收而轉(zhuǎn)變成熱能。阻性消音器主要是吸收高頻噪聲而且頻帶較寬。吸聲材料絕大多數(shù)是安放在消音器里面。圖5.16為在擴(kuò)張管壁上安放吸聲材料。假設(shè)進(jìn)口管和出口管的截面積相等，為S1，擴(kuò)張室的截面積為S2。在進(jìn)氣管中存在入射波和反射波，其聲壓分別為：(5.4)(5.5)式中，和分別為入射波和反射波聲壓

16、幅值。圖5.16 擴(kuò)張消音器及吸聲材料中間管中也存在著入射波和反射波，其聲壓分別為：(5.6)(5.7)式中和為反射波和入射波聲壓幅值，是吸聲系數(shù)。出氣管中只存在透射波，為：(5.8)式中，為透射波聲壓幅值。在進(jìn)氣管與擴(kuò)張管交界的地方，即x=0處，兩邊的壓力相等，即：(5.9)體積速度相等，即(5.10)將進(jìn)氣管和擴(kuò)張管在x=0處的壓力和速度，以及壓力與速度的關(guān)系代入到公式(5.9)和(5.10)中，得到：(5.11)(5.12)式中，是擴(kuò)張室管進(jìn)(出)氣管擴(kuò)張比。同樣在擴(kuò)張室和出氣管處，即x=L處，壓力和速度存在著下列關(guān)系：(5.13)(5.14)將壓力、速度以及壓力與速度的關(guān)系代入到上面兩

17、個(gè)式子中，得到：(5.15)(5.16)通過解公式(5.11)，(5.12)，(5.15)和(5.16)，就可以得到這個(gè)擴(kuò)張消音器的傳遞功率系數(shù)。當(dāng)，實(shí)際上只要當(dāng)時(shí)，功率傳遞系數(shù)為：(5.17)相應(yīng)的傳遞損失為：(5.18)當(dāng)，實(shí)際上只要當(dāng)時(shí)，功率傳遞系數(shù)為：(5.19)相應(yīng)的傳遞損失為：(5.20)消音器高頻吸聲取決于材料的特性，如材料的結(jié)構(gòu)、材料中的空洞直徑、材料的密度等等。圖5.17表示兩種材料的吸聲系數(shù)。basalt的吸聲吸收比stainless steel高得多。圖5.18表示材料密度與吸聲系數(shù)的關(guān)系。材料的密度越高，吸收系數(shù)就越大，但是隨著材料密度提高到一定程度，再增加密度，吸收系

18、數(shù)的增加就不太明顯了。反而當(dāng)密度太高時(shí)，吸聲材料變得跟固體一樣。當(dāng)材料的密度非常大的時(shí)候，材料就變成了固體，其吸聲系數(shù)就大大下降。這張圖還說明basalt的吸聲吸收比OC玻璃纖維要高。如果材料的密度相同，那么纖緯材料的直徑越小，吸聲系數(shù)越高。圖5.17 材料的吸聲系數(shù)圖5.18 材料的密度與吸聲系數(shù)從這兩張圖還可以看到，在低頻的時(shí)候，吸聲材料的吸聲系數(shù)很低。在高頻的時(shí)候，吸聲材料才起作用。在低頻時(shí)，就必須使用抗性消音器，而消音效果取決于消音容積的大小。7復(fù)合消音器排氣系統(tǒng)中的消音器通常非常復(fù)雜，是各種各樣的消音器安裝在一個(gè)殼體內(nèi)。圖5.19為一個(gè)復(fù)合消音器。這個(gè)消音器由三部分組成：赫耳姆茲消音

19、器，三管迷路消音器，框型罐加上吸聲材料。赫耳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，頻率作用范圍一般為：100-500Hz框型罐加上吸聲材料用于高頻消音。頻率作用范圍一般為：500Hz以上。圖5.19 復(fù)合消音器第四節(jié)尾管噪聲分析1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，就好象在尾管處有一個(gè)活塞在運(yùn)動(dòng)。如圖5.20所示。圖5.20 尾管的脈動(dòng)噪聲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

20、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區(qū)分開來。圖5.21表示一個(gè)排氣系統(tǒng)的尾管噪聲的計(jì)算圖。一條曲線表示整個(gè)尾管噪聲，包括空氣動(dòng)力噪聲和氣流摩擦噪聲，另一條曲線表示只有空氣動(dòng)力噪聲。在2500rpm以下，尾管噪聲完全由空氣動(dòng)力噪聲決定。隨著速度的增加，摩擦噪聲也慢慢增加。在4200rpm時(shí)，尾管噪聲比空氣動(dòng)力噪聲高3dB，這表明摩擦噪聲的量級(jí)與空氣動(dòng)力噪聲的量級(jí)相當(dāng)。在4500rpm時(shí)，這個(gè)差值達(dá)到5dB，摩擦噪聲開始占主要成分。到了6000rpm時(shí)

21、，尾管噪聲比空氣動(dòng)力噪聲高出15dB，這表明摩擦噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出空氣動(dòng)力噪聲，尾管噪聲完全由摩擦噪聲決定。圖5.21 尾管噪聲的組成2管道截面積對(duì)尾管噪聲的影響管道中的流量，取決于管道的截面積A和流速，表達(dá)為下式：(5.21)對(duì)于園管來說，流體速度為：(5.22)流體速度與流量成正比而與管道直徑的平方成反比。如果流量一定的，直徑越大，速度越慢。圖5.22表示一個(gè)排氣系統(tǒng)中管道直徑與尾管噪聲的關(guān)系。在2700rpm以下時(shí)，直徑越大，尾管噪聲越高。因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)，摩擦噪聲對(duì)尾管噪聲幾乎沒有影響。尾管噪聲完全是由空氣動(dòng)力噪聲決定。而空氣動(dòng)力噪聲的大小和消音設(shè)備與管道截面積之比(擴(kuò)張比)直接相關(guān)。如從第十

22、二章的公式(3.19)和圖3.2知道，擴(kuò)張比越大，消音設(shè)備的傳遞損失也越大，因此尾管噪聲也越小?？墒钱?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2700rpm以上時(shí)，管道中的流量迅速增加，流速也快速增加。這時(shí)摩擦噪聲起主導(dǎo)作用。管道直徑越大，流速就越低，因此摩擦噪聲越小。圖5.22 管道直徑與尾管噪聲的關(guān)系3單排氣管與雙排氣管排氣系統(tǒng)有單排氣系統(tǒng)和雙排氣系統(tǒng)之分(圖5.3)。假設(shè)這兩個(gè)系統(tǒng)的消音器的結(jié)構(gòu)一樣，前置消音器的容積一樣，每個(gè)后置消音器的容積一樣。不同的是雙排氣系統(tǒng)從前置消音器之后比單排氣系統(tǒng)多了一個(gè)分支，即增加了一個(gè)排氣通道和一個(gè)后置消音器。這樣氣流可以從兩個(gè)分支流通，因此尾管的摩擦噪聲會(huì)大大降低。圖5.23

23、表示一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)單排氣系統(tǒng)與雙排氣系統(tǒng)尾管噪聲的計(jì)算比較圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2500rpm時(shí)，雙排氣系統(tǒng)的尾管噪聲比單排氣系統(tǒng)低2到7分貝。采用雙排氣系統(tǒng)對(duì)減小尾管噪聲是有利的，但是這會(huì)使得成本增加，還會(huì)受到安裝空間的限制。圖5.23 單排氣系統(tǒng)與雙排氣系統(tǒng)尾管噪聲的計(jì)算比較圖。圖5.24為一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)單排氣系統(tǒng)(a)與雙排氣系統(tǒng)(b)尾管噪聲測量圖。圖上的噪聲由兩部分組成，一是空氣動(dòng)力噪聲，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)系，2階和四階噪聲占主要成分。另一部分是氣流摩擦噪聲，它是雜亂無章的，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接關(guān)系，而且隨著轉(zhuǎn)速的增加而加大。從圖5.24(b)看，對(duì)雙排氣系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速只有到了5000r

24、pm時(shí)，才出現(xiàn)明顯的摩擦噪聲。而從圖5.24(a)來看，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)3000rpm時(shí)就出現(xiàn)明顯的摩擦噪聲，從4000rpm開始，摩擦噪聲慢慢地掩蓋了空氣動(dòng)力噪聲。圖5.24 單排氣系統(tǒng)(a)與雙排氣系統(tǒng)(b)尾管噪聲的測量比較圖。第五節(jié)尾管和中間管的聲學(xué)分析1尾管的聲學(xué)分析消音器與尾管由於截面積不同，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。當(dāng)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，因此其駐波的頻率可以用第十二章中的公式(12.30)來計(jì)算。

25、駐波的頻率只取決于聲波的速度和尾管的長度，由於聲速是確定的，因此只要改變尾管的長度就可以調(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)尾管的長度來抑制這個(gè)頻率分量的噪聲。2中間管道的聲學(xué)分析圖5.25為一個(gè)中間管。中間管的兩邊是消音器，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(12.30)來計(jì)算。如果管道太長，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，管道的長度L=2米，溫度為400C，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

26、態(tài)被激勵(lì)起來，這個(gè)振動(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)該避免長管道。圖5.25 中間管道與駐波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)於尾管來說：馬赫數(shù)<0.25第六節(jié)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的多支管和Y管與聲音質(zhì)量圖5.26表示一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣多支管和Y管。在發(fā)動(dòng)機(jī)的一邊，三個(gè)排氣分管分別與三個(gè)汽缸相連接，三個(gè)分管的另外一端交匯在一起與一個(gè)長管相連。發(fā)動(dòng)機(jī)的另一邊的情況也一樣。發(fā)動(dòng)機(jī)兩邊的兩個(gè)長管再匯交在一起，形成一個(gè)Y字形狀。這個(gè)形狀的兩個(gè)管子叫著Y管。圖

27、5.26 排氣多支管和Y管在進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣多支管影響到進(jìn)氣口的聲音質(zhì)量。同樣，排氣多支管也影響到排氣尾管的聲音質(zhì)量。排氣多支管的結(jié)構(gòu)與進(jìn)氣多支管類似，也分成三類：等長度分管；中心連接；尾端連接。但是進(jìn)氣多支管的溫度低，材料多半是塑料，而排氣多支管溫度高，材料是鋼或者鑄鐵。排氣多支管對(duì)聲音質(zhì)量的影響與進(jìn)氣多支管一樣，這里就不再講述了。對(duì)V型發(fā)動(dòng)機(jī)來說，除了排氣多支管外，Y管對(duì)尾管噪聲的聲音質(zhì)量影響更大。為了集中分析Y管的影響，這里假設(shè)排氣多支管等長度分管。圖5.27 Y管與排氣系統(tǒng)圖5.27表示一個(gè)只有管道而沒有消音元件的排氣系統(tǒng)。Y管的兩個(gè)分支的長度分別是L1和L2。假設(shè)其中一支分支的長度為

28、1米，即。這個(gè)Y管與一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣多支管相連接。對(duì)這兩個(gè)分支長度不同的差值，我們來計(jì)算其尾管噪聲。假設(shè)這兩支分管的差值分別是：L1 - L2 = 0， 即兩支分管的長度相等L1 - L2 = 20 cmL1 - L2 = 40 cmL1 - L2 = 60 cmL1 - L2 = 80 cm圖5.28表示不同長度差值的發(fā)火階次(第3階)的噪聲。兩支分管長度相等的時(shí)候，聲級(jí)最大，隨著分管差值的增加，噪聲級(jí)降低。也就是說，Y管兩支分管越接近相等，其發(fā)火階次的噪聲就越大。其他發(fā)火階次的諧頻(如第6階、第9階等)的噪聲級(jí)與第三階噪聲的趨勢相同。圖5.29表示不同長度差值的1.5階次的噪聲。這張曲

29、線的趨勢與圖5.28正好相反。當(dāng)兩支分管的長度差值最大的時(shí)候，即L1 - L2 = 80 cm時(shí)，噪聲級(jí)最大。而兩支分管的長度相等時(shí)，噪聲級(jí)最小。隨著兩支分管長度差值減小，噪聲級(jí)逐漸降低。當(dāng)長度相等時(shí)，噪聲最低。其他半階(如2.5階、3.5階、4.5階等)也有同樣的趨勢。圖5.28 一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)第3階尾管噪聲圖5.29 一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)第1.5階尾管噪聲我們把圖5.28和圖5.29中分管長度相等和長度相差最大的曲線畫在一起，如圖5.30所示。當(dāng)長度相等時(shí)，第3階聲級(jí)比第1.5階要高出20dB左右，即發(fā)火階次在整體噪聲中占絕對(duì)份量。當(dāng)長度相差非常大時(shí)，第3階的聲級(jí)與1.5階的聲級(jí)差不多，有時(shí)候1

30、.5階的聲級(jí)甚至比第3階還高。圖5.30 一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)第3階和第1.5階尾管噪聲的比較在聲音質(zhì)量的設(shè)計(jì)中，對(duì)轎車來說，一般是盡可能地使得兩個(gè)分支的長度相等。這樣在尾管噪聲中發(fā)火階次及其諧頻占絕對(duì)多數(shù)，半階和其他整階次的成分非常低，顧客喜歡這樣的音質(zhì)。這種聲音讓顧客感覺到舒適與和諧。可是在跑車類型的尾管噪聲設(shè)計(jì)時(shí)，卻是要使得半階成分高，這樣顧客開起來會(huì)感覺到汽車馬力十足，聲音刺激，快速奔馳時(shí)充滿著激情。有關(guān)聲音質(zhì)量的問題將在第二十二章“汽車噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)”中做專門的論述。第七節(jié)排氣系統(tǒng)的消音容積排氣系統(tǒng)的消音容積是指系統(tǒng)中所以消音設(shè)備容積之和。排氣系統(tǒng)中常見的有兩個(gè)消音器，一個(gè)放在前面的抗性

31、消音器，叫著前置消音器；一個(gè)是放在后面的混合式消音器，叫著后置消音器。多數(shù)情況下，消音容積是指這兩個(gè)消音容積之和，即：消音容積 = 前置消音器的容積 + 后置消音器的容積通常講，消音容積越大，消音效果就越好。尾管噪聲的大小很大程度上取決于消音容積。要達(dá)到理想的消音效果，消音容積至少要是發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體積的10倍，即：(5.23)消音器越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)消音效果越好，但是通常在發(fā)動(dòng)機(jī)附近由於受到空間的限制，很難安裝消音器，所以消音器通常安裝得比較靠后。通常還要求在后車輪軸線的前面的消音容積要達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)容積的兩倍以上。圖5.31給出了消音容積與排氣系統(tǒng)插入損失之間的關(guān)系。消音容積越大，插入損失也越大，消音效

32、果越好。當(dāng)然其背壓也就越大，功率損失增加。但是當(dāng)消音容積增加到一定的時(shí)候，其消音效果的增加慢慢趨緩。圖5.31 消音容積與排氣系統(tǒng)插入損失之間的關(guān)系近年來，由於顧客對(duì)排氣噪聲要求的提高，排氣消音容積大幅度提高。1995和1996年，多數(shù)轎車的消音容積為發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸容積的7.5倍左右。到1999年和2000年，消音容積大大提高，大多數(shù)轎車的消音容積提高到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸容積的10倍左右。第八節(jié)排氣系統(tǒng)消音調(diào)節(jié)整體分析在進(jìn)行排氣系統(tǒng)消音設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮的因素有：· 顧客需要怎么樣的聲音和政府法規(guī)· 怎么達(dá)到顧客所需要的聲音，需要用怎樣的消音元件· 怎樣與排氣系統(tǒng)的其他功能相

33、互協(xié)調(diào)具體的步驟為：第一，搞清楚發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)和振動(dòng)與噪聲特性。比如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，排氣溫度，排氣閥的行程，汽缸的壓力波，點(diǎn)火時(shí)間等等。汽缸數(shù)決定了噪聲的階次，汽缸壓力和排氣閥的行程決定了噪聲的峰值。第二，對(duì)V型發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇恰當(dāng)?shù)腨管。因?yàn)閅管決定了半階次的大小，對(duì)聲音質(zhì)量影響最大。第三，確定消音容積。消音容積決定了整個(gè)系統(tǒng)的插入損失。第四，確定消音器的數(shù)量和位置。一般來說，消音器的數(shù)量越多越好，這樣可以減小中間管道的長度，從而減小駐波的影響。第五，考慮功率損失。功率損失是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)，在進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足功率損失指標(biāo)。第六，調(diào)節(jié)消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣可以改變其傳遞損失的頻率分布，滿

34、足某些頻率的要求。第七，尾管長度的設(shè)計(jì)。排氣系統(tǒng)的尾管噪聲取決與發(fā)動(dòng)機(jī)的聲源特性和排氣系統(tǒng)的插入損失。在進(jìn)行排氣系統(tǒng)降噪時(shí)，通常是測量沒有安裝消音元件時(shí)尾管的噪聲，然后將這個(gè)噪聲與目標(biāo)噪聲值相比較而得到排氣系統(tǒng)的插入損失。消音過程就是怎樣達(dá)到這個(gè)插入損失的過程。排氣系統(tǒng)的插入損失可以用第十二章中節(jié)中的公式(12.80)來計(jì)算。公式中的傳遞系數(shù)A，B，C和D是由排氣系統(tǒng)中各個(gè)元件的傳遞系數(shù)決定。這些元件包括催化器、管道、抗性消音器、阻性消音器、尾管等。每個(gè)元件的傳遞損失和整個(gè)系統(tǒng)的插入損失都可以用四段網(wǎng)絡(luò)法來分析。這里我們以降低一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣尾管噪聲為例來說明排氣系統(tǒng)的消音調(diào)節(jié)過程。這是一

35、輛中高檔轎車，顧客需要安靜而舒適的尾管噪聲，因此Y管的兩個(gè)分管長度設(shè)計(jì)得相等。圖5.32表示發(fā)動(dòng)機(jī)與一個(gè)排氣管道相連的圖形，這個(gè)排氣系統(tǒng)只有管道，沒有消音元件。圖5.33為在測量的尾管噪聲與噪聲目標(biāo)。圖5.32 發(fā)動(dòng)機(jī)與直管圖5.33 直管的尾管噪聲這個(gè)尾管噪聲中最主要成分是第3階。除了在2500rpm到3500rpm范圍內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)來自第六階外，其他轉(zhuǎn)速下，第3階對(duì)總體噪聲的貢獻(xiàn)占絕對(duì)份量。第3階噪聲主要有兩個(gè)峰值，一個(gè)在1500rpm，一個(gè)在5000rpm。第6階有一個(gè)峰值，在3000rpm。這張?jiān)肼晥D還給出了設(shè)定的尾管噪聲目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)的確定不僅對(duì)尾管噪聲和通過噪聲重要，而且對(duì)車內(nèi)噪聲

36、也非常重要。這個(gè)目標(biāo)針對(duì)汽車在全負(fù)荷(WOT，進(jìn)氣閥門全打開)的情況設(shè)定的。轉(zhuǎn)速從1000rpm到6000rpm。在1000rpm時(shí)，目標(biāo)噪聲為82dB(A)，在6000rpm時(shí)，噪聲為102dB(A)。在1000rpm到6000rpm之間，目標(biāo)噪聲是一條上升的直線。比較測量的噪聲與目標(biāo)噪聲，這兩者相差非常大，所以必須在排氣管道上安裝消音元件才能使現(xiàn)有的噪聲降低到目標(biāo)噪聲以下。圖中的尾管噪聲和目標(biāo)噪聲是隨著轉(zhuǎn)速而變化的，但是消音元件跟轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接的關(guān)系，它的傳遞損失是頻率的函數(shù)。但是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火階次和轉(zhuǎn)速結(jié)合在一起就與頻率發(fā)生了關(guān)系。對(duì)第三階噪聲來說，頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：頻率=轉(zhuǎn)速/20(5.2

37、4)這樣我們就可以計(jì)算出各個(gè)頻率下第3階噪聲值，并將之與目標(biāo)噪聲比較得出兩者的差值來。表5.1列出了轉(zhuǎn)速、頻率、目標(biāo)噪聲值(針對(duì)第3階)、第3階噪聲與目標(biāo)噪聲的差值。圖5.34畫出了這個(gè)差值。這個(gè)差值就是第3階的插入損失。同樣對(duì)第6階的差值列在表5.2中，圖5.35是第6階的插入損失。第3階兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的頻率為75赫茲和250赫茲，第6階峰值對(duì)應(yīng)的頻率為300赫茲。表5.1 第3階測量噪聲值與第3階目標(biāo)噪聲的差值rpmFrequency(Hz)目標(biāo)噪聲 (dB(A)第3階噪聲第3階插入損失10005082941215007584109252000100861031725001258810113

38、30001509089-13500175921019400020094103945002259610812500025098114165500275100108860003001021053表5.2 第6階測量噪聲值與第6階目標(biāo)噪聲的差值rpmFrequency(Hz)目標(biāo)噪聲 (dB(A)第6階噪聲第6階插入損失10001008276-615001508480-420002008684-22500250889023000300901041435003509296440004009491-345004509692-450005009895-3550055010097-3600060010295

39、-7圖5.34 第3階噪聲插入損失圖5.35 第6階噪聲插入損失這兩個(gè)插入損失是我們?cè)O(shè)計(jì)消音器的目標(biāo)。如果加入消音元件后，能實(shí)現(xiàn)圖5.34和圖5.35中的插入損失，那么排氣系統(tǒng)就基本上能夠達(dá)到整體的噪聲目標(biāo)。從圖5.34知，第3階插入損失兩個(gè)峰值就在75赫茲和250赫茲。我們首先選擇一個(gè)75赫茲的消音器安放在管道上。前面介紹過，消音元件的傳遞損失是固定的，而排氣系統(tǒng)的插入損失是隨著元件的安裝位置而改變。因此在選擇這個(gè)消音器的位置時(shí)要使得在75赫茲處的消音量最大。圖5.36表示一個(gè)75赫茲的消音器安放在系統(tǒng)中。圖5.37是加入消音器后的尾管噪聲。加入了75赫茲消音后，1500rpm處的噪聲降低到目標(biāo)噪聲以下，周圍的噪聲也隨之下降。圖5.36 一個(gè)75赫茲的消音器加入到排氣系統(tǒng)中圖5.37