汽车排气系统的声学设计

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1 k 1 lim Ps0 2 2 10 Ps*
P 1.0 S P0 S
1 k 1
0.789 0.798
k 1.4 k 1.29
0.9
0.8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
也就是说, 面积的突然收缩能引起的驻压损失不会超过来流驻压 的21%,从本质上讲, 这种驻压损失主要是由气流收缩以后的膨胀而 引起的。
分类 旁支型和同轴型
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共振消声器设计方法
共振消声器传递损失为：
V
Ac
lc
ΔL=10lg
1
k2
f f 0
2 f 0 f
K=
2
GV 2S
传导率：
2f 0 V G= c
2
A1 A2
可以导出静压比与M*与2之间的函数关系。定义:
M 1 P2 2 P * 1 M 2 1
* 1 1 * M1 1


2

2
2 Ps 2 1 k 1 k 1 2 1 Ps* (k 1) k 2 2 2
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1、通流面积突然收缩
2 P’ P”
2
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根据连续、能量和动量方程，经推导可得到下式：

* * M0
* 2k k 1 M 0 * 1 M1 1 0 * M1 1 ( k 1) k 1 1
P
V S 0 2 C
Le
0 X
S0
C
S 0
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结论
1. 直颈锥管式消声结构阻力小，可有效地抑制中低频 噪声；
2. 其结构特点适合于圆形截面的消声器。尤其适合于 要求功率损失小，底盘空间较大的车型（例如： SUV，载重货车）的主消声器。
波 数
扩张比对传递损失的影响
扩张器长度对传递损失的影响
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共振腔消声器
原理 • 利用共振吸声 ，当声波入射到共振腔口时，因为声阻抗 的突然变化，一部分声能将反射回声源。同时在声波的 作用下，孔径中的空气柱产生振动，振动时摩擦阻尼又 使一部分声能转变为热能而耗散掉，仅有少量声能辐射 出去，从而达到了消声的目的。
当
* M1
1
* M0
1 1 1 1y y


可得到驻压降与面积比在阻塞时的单参数函数关系
1 2 k 1
Ps* Ps0
1 1 1y k 1 k 1 1 1 1y 2 1y 2 y
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2、通流面积突然扩张
A 2
A2
A 1
A2
A 1
A 2
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从连续, 动量和绝热能量方程出发, 引入理想气体的状态方程, 得到:

* 2 M2
1 k 1 * 2k 1 * * M 1 0 k 1 M1 k 1 M1 * 2 2 M1 2
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锥形扩散管的声阻抗
j 1 x0 l x0 1 cos kl sin kl Z 2 sin kl kx0 x0 KS l x0 Z1 S0 l x0 jS 0 1 kx0 cos kl sin kl 2 kx0 l x0 K sin kl l cos kl Z2 2 Sl x0 K x0
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空间几何尺寸
消声器的高频失效
高频失效：高频不能很好的用平面波近似，方向性强，以窄
声束的形式沿通道传播，很少或根本不与饰面接触，造成消 声量急剧下降。
上限失效频率:
c f 上 1.85 D
式中： c — 声速，米/秒； D — 气流通道的截面直径，米。
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消声器材料
隔声 隔振 耐热
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一、汽车消声器的常规结构设计
1. 2. 3. 4. 阻性消声结构 抗性消声结构 阻抗复合消声结构 扩散消声结构
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阻性消声器
原理 • 利用声阻进行消声。一般是利用多孔吸声材料来制作 阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时， 声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振 动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能 转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。
赫尔姆兹 消音器 A
c
L
c
V
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阻抗复合式消声器
• 阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗 性消声器则适于消除低、中频噪声。将阻性、抗 性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的 降噪效果。 • 不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗 复合消声器。一般情况下，是抗性部分放在前面 (入口端)，阻性部分放在后面。
P2 S P S
1.0
0.8
0.6 0.5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
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排放、噪声、油耗三个标准同时满足 对传统设计理论的挑战
噪声限值加严 油耗标准实施 排放标准加严
增大消声器体积 增加内部结构 增加紧偶合催化器
增加背压 增大油耗 增加功耗
S x sin
P1 P2 P1 U 2
2
A B C D
U 2 0
U 1 P2 U U 1 U 2
P2 0
2 0
P2 0
出口阻塞时入口两端的声压比。 出口完全开放时的转移阻抗。 出口阻塞时的转移导纳。 出口完全开放时的流速比。
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重要的设计原则
1. 尽量分离气流通道与消声通道； 2. 优化传统声学元件的设计；
3. 发展和应用新的声学元件。
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二、特殊结构的消声元件
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1、锥形扩散管
Y
Y0 X
x S0
c S0
Z0
P C V
1 C 1 jx0
汽车排气系统的声学设计
北京绿创环保设备股份有限公司
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姜鹏明 （PhD）
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0
排气系统的构成
连接发动机出口，用排气管道连接热端（催化 器）和冷端（消声器）构成
冷端 热端
冷端
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常用汽车消声器的分类
阻性消声器
抗性消声器
阻抗复合消声器
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扩张消音器的传递损失为：
pt ( x, t )
S1
pr ( x, t )
p2r ( x, t )
S3
S2
1 1 1 2 2 2L TL 10log10 10log10 (1 ( m) sin ) TW 4 m
x0
xL
峰值消声频率:
c fn=（2n+1） 4l
通过频率:
失效频率:
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抗性消声器
• 抗性消声器主要是利用声 抗的大小来消声的，利用 各种不同形状的管道和腔 室进行适当的组合，提供 管道系统的阻抗失配，使 声波产生反射或干涉现象， 从而降低由消声器向外辐 射的声能。 • 常用于汽车消声器设计的 技术：扩张室式、共振腔、 干涉等
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扩张室消声器
X0
锥形扩散管及声电类比图
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锥形扩散管
• 只要扩散管的锥角不过份大以免造成气体脱流, 这种 结构所造成的气流阻力是很小的, 几乎没有局部压力损 失, 可以有效地抑制气流再生噪声。
• 这种结构常被用作传声筒, 然而用作消声元件, 还未见 报道。
• 以下的推导证明, 锥形扩散管对于低频噪声有明显的抑 制作用
f“n=
nc 2l
f上=1.22c/d
f下=
2c 2 S lV
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空间几何尺寸
35 30 25 20
TL
m增加
35 30 25 20
15 10 5 0 0 2 4 6 8
TL
15 10 L=1.5 5 0 0 500 1000 1500 2000 L=2.0 L=2.5
主观感受 物理量限制
空间几何尺寸
布置 截面 指向
背压阻力
其它声源的屏蔽
工艺、成本
气流再生噪声
气流速度 湍流 指向性
消声器材料
隔声 隔振 耐热
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消声器中的压力损失计算
背压阻力
气流在净化消声器中的流动状况虽然比较复 杂, 但是引起局部压力损失最大的通流结构, 可 以简化为两种基本的物理模型:通流面积的突然 扩张和通流体面积的突然收缩.
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阻性消声器的计算方法
赛宾公式：
Pl 1.4 L 1.05 T S
Pl L 0 S
彼洛夫公式：
( 0 ) －消声系数，与阻性材料垂直入射系数有关。