消音元件聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1、第二章 消音元件聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)消除噪聲是進(jìn)排氣系統(tǒng)最主要的功能之一。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)或者排氣系統(tǒng)的時(shí)候，一定要考慮進(jìn)氣口和排氣尾管口處的噪聲特性，然后根據(jù)這些特性來選擇系統(tǒng)中的消音元件。一個(gè)消音元件往往用于降低某個(gè)頻率或者某個(gè)頻段的噪聲，所以了解單個(gè)元件的消音效果非常重要。當(dāng)這些消音元件安裝到系統(tǒng)中之后，我們必須知道整個(gè)系統(tǒng)的消音效果。所以對(duì)單個(gè)消音元件和整個(gè)進(jìn)氣或者排氣系統(tǒng)的消音效果進(jìn)行評(píng)價(jià)是噪聲控制設(shè)計(jì)中最重要的問題。評(píng)價(jià)消音元件和系統(tǒng)的消音效果通常有四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：傳遞損失、插入損失、聲級(jí)差和聲壓級(jí)。傳遞損失一般用來評(píng)價(jià)單個(gè)消音元件，而插入損失和聲壓級(jí)一般用來評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的消音效果。聲級(jí)差

2、可以用于單個(gè)消音元件和整個(gè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。第一節(jié)傳遞損失假如聲波在無限長的管道中傳播，而且媒體相同，那么這個(gè)聲波就會(huì)一直傳遞下去?？墒钱?dāng)管道內(nèi)的聲阻抗發(fā)生變化時(shí)，入射聲波就會(huì)受到阻礙，一部分聲波就會(huì)被反射回來。傳播媒體的變化和管道截面積的改變都會(huì)引起聲阻抗的改變。阻抗的改變是抗性消音器工作的原理。圖2.1為一個(gè)截面積和媒體都改變的管道圖。圖2.1 管道截面積變化聲波在阻抗為的管道中傳播，當(dāng)遇到阻抗為的管道時(shí)，截面積也發(fā)生變化。入射聲波的一部分被反射回阻抗為的管道，形成反射聲波。入射聲波的另一部分繼續(xù)在阻抗為的管道傳播，形成了透射波。這兩個(gè)聲阻抗分別表達(dá)如下：(2.1)(2.2)式中，和分別是兩個(gè)媒

3、體的聲阻抗率。這三種波的聲壓分別表達(dá)如下：入射聲波：(2.3)反射聲波：(2.4)阻抗透過聲波：(2.5)在截面變化的地方，截面兩邊的壓力相等。在的管道中有入射聲波和反射聲波，兩個(gè)管道交界面左邊的聲壓是這兩種波聲壓之和。在交界面的右邊只有透射聲波。於是交界面兩邊的聲壓為：(2.6)聲波在管道中任何一點(diǎn)的體積速度是相等的。交界面左邊的體積速度是入射波速度與反射波速度迭加，這兩個(gè)速度的方向是相反的。於是在交界處兩邊的體積速度為：(2.7)公式(2.7)可以重新寫成：(2.8)由公式(2.6)和(2.8)得到，(2.9)反射波聲壓的幅值與入射波聲壓的幅值之比定義為反射系數(shù)：(2.10)將公式(2.1

4、0)代入到公式(2.9)中，得到：(2.11)透射波聲壓的幅值與入射波聲壓的幅值之比定義為透聲系數(shù)：(2.12)由公式(2.6)得知：(2.13)將公式(2.11)代入到公式(2.13 68)中，得到透聲系數(shù)為：(2.14)聲功率傳遞系數(shù)定義為透射聲功率與入射聲功率的比例，即：(2.15)聲功率反射系數(shù)定義為反射聲功率與入射聲功率的比例，即：(2.16)將公式(2.14)代入到公式(2.15)之中，將公式(2.11)代入(2.16)之中，然后加起來得到：(2.17)即功率反射系數(shù)和功率傳遞系數(shù)之和為1，這也體現(xiàn)了系統(tǒng)的能量守恒。傳遞損失表明聲音經(jīng)過消音元件后聲音能量的衰減，即入射聲功率級(jí)和透射

5、聲功率級(jí)的差值。傳遞損失用TL(英文Transmission Loss的簡寫)來表示，表達(dá)如下：(2.18)將公式(2.15)代入上式，得到傳遞損失與功率傳遞系數(shù)之間的關(guān)系：(2.19)在進(jìn)排氣系統(tǒng)中，媒體都是空氣，變截面兩邊的聲學(xué)阻抗率相等，即，于是，反射系數(shù)和透聲系數(shù)可以簡化為：(2.20)(2.21)於是傳遞損失為：(2.22)從公式(2.22)知道，對(duì)這樣截面積變化的兩個(gè)管道來說，傳遞損失僅僅取決于截面積之比，而與兩個(gè)管道截面積大小的次序沒有關(guān)系。也就是說圖2.1和圖2.2 中只要截面積的比相同，其傳遞損失是一樣的。傳遞損失不取決于管道截面積的絕對(duì)值，而取決于兩個(gè)管道截面積之比。這個(gè)傳

6、遞損失與頻率沒有關(guān)系。但是在以后的章節(jié)中，我們要介紹進(jìn)排氣系統(tǒng)中的各種消音元件，它們與頻率是緊密相關(guān)的。圖2.2 截面積變化管道(二)當(dāng)?shù)臅r(shí)候，傳遞損失，也就是說管道截面積沒有變化的時(shí)候，沒有入射波反射回來，聲波全部透射，在管道中繼續(xù)傳播。一般來說，當(dāng)管道截面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長時(shí)，管道截面的形狀對(duì)傳遞損失沒有影響。傳遞損失沒有包括聲源和管道終結(jié)端的聲學(xué)特性，它只與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在評(píng)價(jià)單個(gè)消音元件的消音效果或者初步評(píng)估系統(tǒng)的消音性能時(shí)，通常用傳遞損失。傳遞損失是評(píng)價(jià)消音元件消音效果最簡單的一種方法。圖2.3 傳遞損失測(cè)量圖圖2.3 是傳遞損失的測(cè)量的示意圖。在測(cè)量時(shí)，在尾端裝上一個(gè)全消音裝置，這

7、樣就聲音全部被吸收。在消音元件的入射端安裝兩個(gè)麥克風(fēng)來測(cè)量入射波的聲壓和速度，從而計(jì)算出入射聲功率。在消音元件的后端只安放一個(gè)麥克風(fēng)就可以測(cè)量到透射聲功率。傳遞損失可以用公式(2.18)來計(jì)算。第二節(jié)插入損失插入損失是指一個(gè)系統(tǒng)中插入了消音元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級(jí)(或者聲壓級(jí))的差值。假設(shè)系統(tǒng)中沒有安裝消音元件，如圖2.4(A)，聲源與測(cè)量點(diǎn)之間只是用管道連接，在測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的聲功率為。然后再將消音元件裝到這套系統(tǒng)上，如圖2.4(B)，并在同一點(diǎn)測(cè)量聲功率為。圖2.4 插入損失的測(cè)量：沒有消音元件(A)和有消音元件(B)插入損失用IL表示(英文Insertion Loss的簡寫)。

8、插入損失就可以用下面的公式來計(jì)算：(2.23)式中，是沒有安裝消音元件系統(tǒng)在測(cè)量點(diǎn)的聲功率；是安裝了消音元件后在同一點(diǎn)測(cè)量的聲功率。與傳遞損失只考慮消音元件本身不同，插入損失是考慮一個(gè)系統(tǒng)。也就是說除了消音元件本身外，插入損失還包括了聲源和出聲口(如進(jìn)氣口和排氣尾管)的聲學(xué)特征，因此這種方法是描述整個(gè)系統(tǒng)消音效果的最佳表達(dá)方式。插入損失可以用前面介紹的四端網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算。聲源和出聲口的傳遞關(guān)系為：(2.24)式中，和分別是聲源處的速度和聲壓；和分別是出口處的速度與聲壓。於是，插入損失可以表達(dá)為：(2.25)式中是聲源的聲阻抗，是出口處的聲阻抗。A，B，C和D是沒有安裝消音元件時(shí)傳遞矩陣的系數(shù)，而

9、A，B，C和D是安裝了消音元件后傳遞矩陣系數(shù)。第三節(jié)聲壓級(jí)差值及聲壓級(jí)聲壓級(jí)差值指系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)聲壓級(jí)的差值，用LD(Level Difference的簡寫)來表示。圖2.5是聲壓級(jí)差值的測(cè)量系統(tǒng)。圖2.5 聲壓級(jí)差系統(tǒng)中第一點(diǎn)和第二點(diǎn)的聲壓級(jí)分別為和，那么聲壓級(jí)差為：(2.26)這種方法不包括聲源，但是管道終端的聲學(xué)特性會(huì)影響到測(cè)量值。這種方法非常簡單，實(shí)際工作中經(jīng)常用到這種方法。上面三種方法通常用于評(píng)價(jià)消音元件的消音效果或者是消音元件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。可是在評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，最關(guān)心的是出聲口處的聲壓級(jí)，如進(jìn)氣系統(tǒng)中進(jìn)氣口的聲壓和排氣系統(tǒng)中排氣尾管口的聲壓。第四節(jié)幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較1傳遞損失與

10、插入損失的比較當(dāng)管道截面沒有變化的時(shí)候，傳遞損失為零。只要截面發(fā)生變化，傳遞損失就存在而且永遠(yuǎn)是正數(shù)，也就是說總是有消音效果。而插入損失可以是正數(shù)也可以是負(fù)數(shù)。正數(shù)表明加入消音元件后，聲音被衰減。負(fù)數(shù)表明加入消音元件后，系統(tǒng)的聲音被放大。傳遞損失只取決于消音元件的結(jié)構(gòu)、媒體的阻抗率和截面積。當(dāng)某個(gè)聲學(xué)元件的結(jié)構(gòu)確定了，那么傳遞損失也就確定了。傳遞損失與消音元件在一個(gè)系統(tǒng)中的位置沒有關(guān)系?？墒遣迦霌p失則取決于消音元件的傳遞損失和它在系統(tǒng)中的位置。同一個(gè)消音元件在不同的位置，系統(tǒng)的插入損失是不一樣的。傳遞損失與聲源和出口處的聲學(xué)特性沒有關(guān)系，而插入損失則取決于聲源和出口處的聲學(xué)特性。傳遞損失一般用于評(píng)價(jià)單個(gè)聲學(xué)元件，而插入損失則是評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)。因此插入損失比傳遞損失更好地描述一個(gè)系統(tǒng)消音性能。插入損失比較容易測(cè)量，而測(cè)量傳遞損失則需要專門的設(shè)備。計(jì)算起來，傳遞損失比較容易，它不需要聲源和終端的聲阻抗，而插隊(duì)損失則需要這些聲阻抗和傳遞矩陣系數(shù)。2傳遞損失與聲壓級(jí)差值的比較傳遞損失和聲壓級(jí)差值是用來評(píng)價(jià)單個(gè)或者幾