排气消声器声学性能有限元分析研究

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船用柴油机排气消声器声学性能预测的边界元法及实验研究的开题报告

船用柴油机排气消声器声学性能预测的边界元法及实验研究的开题报告一、研究背景及意义船用柴油机是船舶动力系统的关键组成部分之一，其运行时会产生噪声污染，对船舶员工和周边环境都有一定的危害。

因此，对船用柴油机的噪声控制是必要的。

而柴油机的排气消声器是降低噪声的一种常见方法，其声学性能直接影响消声效果。

目前，船用柴油机排气消声器声学性能的研究大多采用实验手段，这种方法成本高、周期长，且无法进行全面的声学参数分析，因此亟需开展相关的理论研究。

边界元法是一种应用普适性广的求解声学问题的方法，其能够准确有效地计算消声器的声学性能。

因此，本研究拟采用边界元法对船用柴油机排气消声器的声学性能进行预测，并结合实验对预测结果进行验证，为设计船用柴油机排气消声器提供理论基础。

二、研究内容及方法本研究将从以下几个方面展开：1. 船用柴油机排气消声器的声学特性研究：包括消声器的声学参数、消声器内部的流场分布以及噪声源的分析等。

2. 边界元法在船用柴油机排气消声器声学性能预测中的应用：采用PML（完美匹配层）边界处理方法，建立船用柴油机排气消声器的边界元模型，对其声学特性进行模拟计算，并得出预测结果。

3. 船用柴油机排气消声器实验研究：通过在实验室内建立模拟的工况和环境，对船用柴油机排气消声器进行实验，获取其声学特性数据，并与模拟结果进行对比分析，验证边界元法的准确性。

4. 基于声学优化的消声器设计：结合预测结果和实验验证，针对消声器中存在的问题，对其结构进行优化设计，提高消声效果。

三、预期成果本研究预计可以得到以下成果：1. 船用柴油机排气消声器声学参数的分析，为后续研究提供基础。

2. 基于边界元法的船用柴油机排气消声器声学性能预测模型，提高研究效率与计算准确性。

3. 船用柴油机排气消声器实验仪器的搭建和实验测试数据。

4. 为船用柴油机排气消声器的设计提供有用的理论指导，提高其噪声控制能力。

四、研究难点1. 消声器内部复杂的流场分布和声场分布无法直接解析，需要采用计算流体动力学和边界元法等方法进行分析和计算。

某摩托车排气消声器声学性能分析

收稿日期：００～１０２１１— ８
的大小、消声频带范围的宽窄２个方面，据噪声根
基金项目：庆市教委科研基金资助项目（Ｊ９６０重Ｋ００１）作者简介：泽好（９６）男，南麻阳人，士，授，要从事车辆动力学、黄１６一，湖博教主车辆振动噪声控制方面的研究。
文献标识码：Ａ文章编号：６４—８２（００１０１一４１７４５２１）２— ０ｌ０中图分类号：Ｈ１．Ｔ１３１
ＡｃｕｔｃｒｏｍａｃｏｓｉｓＰｅｆｒｎｅＡｎａｙｉｆＭｏｏｃｃｅＥｘａｓｕｅｌｓｓｏｔｒｙｌｈｕｔＭｆｒｌ
ＡｂｔａｔＴｉｒｓａｃｋｓａｍｔｒｙｌｅｈｕｔｓｅｃｒａａｓｄｂｅｔｎｆｅｏｎｓｃ：ｈｓｅｅｒｈｔｅｏｃｃｅｘａｓｉｎｅｓｔｙｏｊｃ，ａｄａｍｕｒｓｕｄｒａｏｌｕｌｆ
ｉｌｄｔｐｅｐｏｅｓｎｏｔｒｐｒｓｆｅｄｍｏｅｓｅｔｂｉｈｄｂｓｎｈｅｆｎｔｌｍｅｒ・ｒｃｓｉｇｓｆｗａｅＨｙｅｍｅｈ．Ａｃｏｄｎｏｉｃｒｉｇｔ
ＨＵＡＮＧ－ａＺＨＡＮＧｏｌａｇ，ＵＮａｇｄｎＺｅｈｏ，Ｈａ —ｉｎＳＺｈｎ — ｏｇ
（ｅａｏｔｒｏＡｔｍｂｅＰｎｎｆｃｒｇ＆ｅｔｇＭｉｓｙｏｄｃｔｎＫｙＬｂｒｏｆｕｏｏｉａｓＭａｕａｔｉａｙｌｕｎＴｓｎｎｔｆｕａｏ，ｉｉｒＥｉＣｏｇｉｇＵｉｒｔｏｅｈｏｏ，ｈｎｑｎ０００ＣｉａｈｎｑｎｎｖｓｙｆｃｎｌｅｉＴｙｇＣｏｇｉｇ０５，ｈｎ）４

汽车排气消声器性能研究与设计开发分析

0引言声学和流体动力学是研究汽车排气消声器性能的最主要的两门学科。

研究人员运用多种运算方式和模拟仿真软件进行消声器的性能测试，对其设计提供了极大的方便。

汽车排气消声器的组成是消声单元。

其基本的消声单元分为扩张式、共振式和阻性消声器等。

汽车排气消声器的开发设计就是基于对消声单元的研究和探索，运用科学的数值分析法研究消声单元在外界条件及不同参数结构影响下的噪声和气流波动是对汽车排气消声器性能研究的基础。

本文研究将在国家规定的行业标准下进行，利用专业的排气消声器测试平台对不同的消声器进行性能的测试，分析出对汽车排气消声器性能设计有重大参考意义的噪声频谱特性。

最后，运用汽车消声器的正向设计思路，以降低噪声的基本性能为主合理的选择消声单元，通过计算和结构构成的实验去验证和检测汽车消声器的设计。

1汽车排气噪声产生原理和消声器的机理研究发动机排气噪声的产生是由于发动机气缸内部高温废气的压力急剧变化，气压波巨大，从而导致排出过程中产生噪声，其噪声根据不同振幅、频率以及产生的结构位置不同分为：基频排气噪声、亥姆霍兹共振噪声、废气喷注噪声、排气道内壁面的紊流噪声、冲击噪声等多种噪声形式，其中基频排气噪声是最主要的噪声形式。

在汽车排气消声器上，为了应对不同噪声形式，从根本上降低噪声，消声器从消声原理上分为有源消声器和无源消声器两大类，由于有源消声器在排气系统的实际应用上比较繁琐，一般多采用无源消声器。

1.1汽车排气噪声产生原理汽车发动机的排气口在打开的瞬间，高速高温的废气从气缸中喷出，从而产生具有低频性、周期性的噪声。

这种噪声称为基频排气噪声，是发动机最主要的噪声源，它的噪声频率和排气次数相同。

其基频和谐波的运算公式为：fk=knz60τ式中，k表示谐波的次数；n表示发动机转速，单位为r/min；z为发动机气缸的数量；τ表示冲程系数，其中二冲程的τ值为1，四冲程的τ值为2。

1.2汽车排气消声器的机理研究汽车消声器是安装在汽车空气动力设备上的气流通道上降低噪声的设备。

汽车排气消声器性能预测及声学特性分析

科学与财富前言：现代社会发展中，汽车排气噪声成为影响人们正常生活的不良因素之一，究其根本，主要是受到汽车排气消声系统的影响，消声器作为汽车不可缺少的一部分，其性能好坏直接决定其噪声高低。

因此，加强对汽车排气消声器性能及声学特性的研究具有重要意义。

一、排气消声器性能评价方法消声器作为一种能够有效阻挡声音传播，且能够确保气流顺利排出的设备，是汽车不可缺少的一部分。

目前，汽车排气消声器主要包括三个类型：阻性、抗性及排空三种消声器，其中抗性消声器应用范围比较广，本文主要结合抗性消声器进行性能预测。

针对消声器性能评价指标主要包括消声、空气动力及机械性能评价。

传统排气消声器性能评价方法主要采取传递矩阵法，并将其作为基础，构建插入损失及压力损失模型，为排气消声器性能评价奠定坚实的基础，通过消声器性能测试，了解和掌握其消声实际情况，能够更好地指导设计人员进行优化设计[1]。

二、排气消声器性能评价模型构建由于传递矩阵法需要大量试验研究给予支持，缺少优化设计，在设计方面存在一定局限性，使得体积偏大，不仅严重浪费物力、人力，而且在很大程度延长了开发周期，且设计效果不尽人意。

基于此，本文主要结合VB 和MATLAB进行软件评价模型设计，并从两个方面入手：（一）插入损失方面针对消声器插入损失计算，要将各个消声元件传递矩阵及总矩阵结合到一起，且为了方便调试程序等工作，将插入损失计算涉及的数据信息，存放至数据库当中。

由此可见，插入计算子模块主要包括总传递矩阵子模块及计算消声器插入子模块两部分。

在具体性能评价过程中，针对特定的频带中心频率，计算各个元件元件传递矩阵流程为选择声学元件类型———选择对应数据库———计算传递矩阵三个环节。

通过这三个环节，能够有效节省人力、物力，以最少投入，最快得出相应结果，进而实现插入损失试验目标。

（二）压力损失方面一般情况下，压力损失主要包括气流与管壁之间的摩擦、消声系统结构发生变化两方面，针对排气消声系统压力损失计算，主要按照以下流程图，如图1。

基于有限元法的内燃机排烟消声器性能分析

纺织机械
２１０１年第４期
・究与应用・２研１
基于有限元法的内燃机排烟消声器性能分析
孙伟王永林小军
（州工业高等专科学校７０５）兰３００
摘
要
对柴油发电机组噪声进行了频谱分析，究了柴油发电机组噪声频谱的范围以及噪声产研
ｆ＝２／０Ｈｚ … … … … … … … … … … （）ｏＫｎ６Ｔ（）１
机噪声的大小和功率损耗一。为了获得较好的消声效果和满足功率要求，般消声器的设计多运用一的是经验公式和类比法，就造成了噪声抑制的不这
９Ｂ（以上时，作谬误率显著增加，聋发病０ｄＡ）工耳率随噪声级的增加而上升，０ｄＡ）８Ｂ（以下，保证能长期工作不致耳聋；５ｄＡ）０ｄＡ）间工８Ｂ（一８Ｂ（之作，１％的人听力受损；０ｄＡ）５ｄＡ）有０９Ｂ（一８Ｂ（之问工作，２％的人可能产生噪声性耳聋；０Ｂ有１１０ｄ（以上时，聋病人高达４％。因此，除或降Ａ）耳１消低噪声是进行环境污染治理的重要研究内容。消声器是降低内燃机电站排烟噪声的重要部件，安装在柴油机噪声最大的地方。如果消声器它设计得较大，气排出比较流畅，声抑制得较小，废噪达不到降低噪声的要求；果消声器设计得较小，如对

阻抗复合式排气消声器声学性能研究

阻抗复合式排气消声器声学性能研究安装排气消声器是控制船舶排气噪声最为简单且有效的手段,而阻抗复合式消声器因其优良的消声性能在实际工程应用中最为常见。

本文针对阻抗复合式排气消声器的声学性能进行了探究。

研究了吸声材料硅酸铝和玻璃纤维的声学特性。

基于传递函数理论,利用四传声器法测量并结合MATLAB自编程序得到了特性阻抗比和复波数比,并对实验结果进行曲线拟合,给出了特性阻抗比和复波数比的经验公式。

利用双传声器法分别测量了二者的吸声系数并对实验结果进行了对比分析,发现硅酸铝在低频范围内的吸声性能明显优于玻璃纤维。

同时,以玻璃纤维为例探究了吸声材料厚度对吸声系数的影响,发现增加吸声材料的厚度可以有效改善吸声材料在低频处的吸声能力。

探究了不同的阻抗结构对消声器声学性能的影响。

基于有限元法利用COMSOL软件对消声器的传递损失进行了计算。

以简单膨胀腔消声器为例,对只有穿孔板、膨胀腔内全为刚性壁、吸声材料单独存在、吸声材料直接贴附在穿孔板上、吸声材料与穿孔板之间夹有玻璃丝布等不同情况下的传递损失进行了计算和对比分析。

结果发现,与简单膨胀腔内都是刚性壁相比,穿孔板有效地增加了传递损失;穿孔板与吸声材料贴附在一起时,穿孔板的作用则几乎可以忽略,该种情况下的传递损失与只有吸声材料时差异微小,说明吸声材料起到了主要作用;与吸声材料穿孔板的二者复合结构相比,中间夹有玻璃丝布的三者复合结构对应的传递损失更小,在频率较高时尤其明显,说明玻璃丝布起到了一定的隔声作用,不利于提升消声器的声学性能。

探究了进口插管和膨胀腔对消声器声学性能的影响。

在仿真计算的基础上,利用两负载法实际测量了相应的消声器试验件的传递损失。

发现膨胀腔长度不变时,增加进口插管长度可使传递损失曲线向低频方向移动,进口插管长度增加有利于控制低频噪声;插管长度不变时,改变膨胀腔的长度,传递损失曲线则几乎没有变化;说明调节进口插管的长度对于控制低频噪声更有效。

汽车排气系统的三维设计和有限元分析

中起着非常重要的作用。排气系统的主要功能是排放和降噪，排气系统
主要由：气管、排消声器和尾管组成。随着世界各国
对汽车尾气排放的要求日益提高，各汽车生产商也通过安装各种各样的装置来降低汽车排放的尾气中污染物的含量。如：三氧催化器、碳罐等。而且对
响。本文主要考虑由于自身重力的作用对排气消声
器的寿命的影响。以往对排气消声器寿命影响因素的分析是基于许多排气系统实体的实验数据的基础上进行的，
现在随着各种三维设计软件和分析软件的发展，我
心脏，通过燃烧燃料提供动力，使车辆成为满足人们需求的动力系统。动机在向车辆提供动力的同时，发
一
排气系统看似只是简单的管道，际设计中不实仅要考虑到特定的底盘布置，同时排气系统的长度、管径大小、消声器的大小等，还要考虑到排气气
体的流动特性，防止背压过大，增加功率损失。因此
排气系统设计是车辆设计的重要一环。
气管用铸铁制成，左端通过法兰与发动机排气口连
接，端通过法兰与消声器连接，厚约２５，右壁．ｍｍ质
量大约１５Ｇ。．Ｋ９
消声器是车辆内燃机排气系统广泛采用的消声装置。按照消声器的消声机理，可以分为阻性消声器、性消声器和阻抗复合式消声器三类。抗阻性消声
以使得设计人员设计出更好的产品，而且大大节约了制造成本和缩短了生产周期，对现代企业是一个很好的选择。

汽车排气消声器性能分析及改进

汽车排气消声器性能分析及改进汽车排气消声器是车辆部件中的重要一环，其主要职责是通过减少排气管中的噪声来降低车辆的总噪声水平。

然而，由于内燃机的工作原理，排气噪声是不可避免的，因此消声器的设计和性能显得尤为重要，它的质量可以大大影响整个车辆的噪声水平和驾驶员舒适度。

本文将从理论分析和改进角度探讨汽车排气消声器的性能。

一、消声器工作原理汽车排气消声器的主要工作原理是利用反射、吸声和消能等方法降低排气管中的噪声。

消声器中设有气室，气室内部有诸如屏障板、孔隙管等噪声吸收材料。

当排气气流通过消声器时，由于气室内的屏障板和孔隙管等声音吸收材料的存在，气流因此得到噪声的减弱。

由于屏障板、孔隙管等材料在垂直于它们表面的方向上有一定的声障作用，从而反射和混响噪声波，使其形成相消干涉，进而消声。

二、消声器的设计参数汽车排气消声器的设计需要考虑如下参数：气室长度、气室截面积、尾管直径、屏障板厚度、屏障板孔径和孔隙管密度等。

这些参数的取值将决定消声器的性能和噪声减弱效果。

如何设计这些参数以获得最优的消音效果是消声器研究的一个重要问题。

三、消声器的性能分析消声器性能可以通过模拟和实验等方法进行分析和评估。

模拟方法主要依靠计算机模拟软件，如ANSYS、b等。

模拟方法可以模拟气体流动和声波传播等物理现象，以获得消声器的声学特性。

实验方法主要采用声学试验仪器和工具，如声谱仪、信号发生器等。

实验方法可以直接测量噪声水平和消声器的消音效果。

四、消声器的改进为了获得更好的消音效果，消声器可以从以下几个方面进行改进。

1. 减少气室缩径设计：单一气室缩径方式的消声器传声系统具有较好的消音效果。

通过对管道进行缩径、扩管等设计，可以使排气通过局部压缩而达到消声的效果。

2. 采用阻性材料吸声：阻性材料吸声机理是靠材料的阻度和摩擦力将声能转化成热能而达到消声的效果。

喇叭形状的波纹管是一种有效的阻性材料吸声结构。

3. 采用共振器结构：共振器吸声机理主要是利用共振器在特定频率上共振的材料，将通过它的声波大量吸收。

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排气消声器声学性能有限元分析研究
１５０
文章编号：０６１５（０００ —１５０１０ —３５２１）５００－３
排气消声器声学性能有限元分析研究
蔡克强，毕传兴
（肥工业大学噪声振动工程研究所，合合肥
摘
２００）３０９
会产生较大的误差。有限元法是根据微分原理，可
（）媒质中传播的是小振幅声波，合线性传２符
递关系；
（）声传播是绝热过程；３
（）媒质的静态压强和静态密度都是常数；４
（）消声器为刚性管壁组成，５声波不会透过管
根据声学激励求解声压响应的公式为［＋ｉｗＣ一Ｍ］＝ＦＰＡ（）１
声学分析，析了插入管长度，张比，孔板，分扩隔扩
张腔长度等因素对消声器传递损失产生的影响，为消声器的设计提供了理论依据。
中图分类号：Ｔ４３Ｋ１
文献标识码：Ａ
ＤＩＯ编码：０３６／．ｓｎ１０１．９９ｊｉ．０６—１５．０００．２ｓ３５２１．５０５
ＦｉｉｅＥｌｍｅｔＡｎｌｓｓｏｈａｔＭｕｅ ’ ｏｓｉｒｏｍａｅｎｔｅｎａｙｉｆＥｘｕｓｌｆｒＳＡｃｕｔｃＰｅｆｒｎｃ
要：消声器结构很难利用纯粹的理论方法算出正确的结果。利用声学软件ＳＳＯＳＹＮＩＥ计算消声器的传递
损失，并研究了扩张比、插人管深度等因素对消声效果影响，为消声器的设计、优化提供了理论依据。关键词：声学；消声器；ＹＮＩＥ软件；限元分析；ＳＳＯＳ有传递损失
发动机排气噪声是汽车噪声中最大的噪声来
源，主要通过安装消声器来消除，因此消声器的设计与改进成为降低汽车噪声的有效途径。
１声场理论模型
１１分析计算过程中的假设条件］．
传递矩阵法 ¨ 和有限元法是两种常见的设 ’
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｍｕｆｒｒｓａｌｃｍｐｉａｅｎｓｒｃｕｅ．Ｉｉｄｆｃｌｔｎｌｚｎｒｄｃｈｉｆｅｓａｅｕｕｌｏｌｔｄｉｔｔｒｓｔｓｉｕｔｏａａｙｅａｄｐｅｉｔｅｒｌｙｃｕｉｔ
收稿日期：２００９～１１—０；修改日期：２０６０９—１ —２１６
ｚｔｏｆｍｕｌｒ．ａｉｎｏｆｅｓ
Байду номын сангаас
Ｋｅｒｓ：ａｏｓｉｓ；ｆｅ；ＹＳｙｗｏｄｃｕｔｃｍｕｆｒＳＮＯＩＥｏｔｒｆｎｉｌｍｅｔａａｙｉ；ｒｎｍｉｓｏｏｓｌＳｓｆｗａｅ；ｉｔｅｅｎｎｌｓｓｔａｓｓｉｎｌｓｅ
以用来研究任意形状的消声器，是分析复杂消声器声学性能的有效方法。本文利用ＨＰＲＳ软ＹＥＭＥＨ件和ＳＳＯＳＹＮＩＥ软件。消声器进行有限元建模和对
壁向外辐射。
１２有限元计算过程中的数学公式描述．
（）消声器中的媒质为理想流体；１
计消声器的方法。传递矩阵法使用范围仅限于平面波传播，主要适用于简单结构消声器的声学性能
分析。大部分消声器外部形状都不规则、内部结构也比较复杂，如果仍然用平面波理论分析研究必然
Ｃ — ｉｎ，ＢＩＣｈａｎｘｎＡＩＫｅｑａｇｕ —ｉｇ
（ｎｔｕｆｏｎｎｉｒｔｎＲｓａｃ，ｅｅＵｉｒｔｏｅｈｏｏｙｅｉ３０９ＣｉａＩｓｔｔｏｕｄａｄＶｂａｏｅｅｒｈＨｆｎｖｓｙｆｃｎｌ，Ｈｆ００，ｈｎ）ｉｅＳｉｉｅｉＴｇｅ２
ｓｕｄａｔｎａｉｎｅｆｃｓｔｅｒｔｃｌｏｎｔｅｕｔｏｆｅｔｈｏｅｉａｌｙ．ＩｈｓｐｐｒｈｃｕｔｃｓｆｒＹＳｎｔｉａｅ，ｔｅａｏｓｉｏｗａｅＳＮＯＩＥｉｅｏｃｌｕａｅｔＳｓｕｓｄｔａｃｌｔｔｒｎｍｉｓｏｏｓｏｆｌｒＴｆｅｔｏｘａｓｏａｉｎｈｅｔｆｉｅｔｏｕｅｏｈｈｅｔａｓｓｉｎｌｓｆａｍｕｆｅ．ｈｅａｆｃｆｅｐｎｉｎｒｔｏａｄｔｅｄｐｈｏｎｓｒｉｎｔｂｎｔｅｎｉｅｅｉｎｔｏｅｏｍａｅｉｎｅｔａｅｏｓｌｍｉａｉｎｐｒｒｎｃｓｉｖｓｉｔｄ．Ｔｈｓｗｏｋｐｏｉｓｓｍｅｒｆｒｎｅｏｅｉｎａｄｏｔｍｉｆｇｉｒｒｖｄｅｏｅｅｅｃｓｆｒｄｓｇｎｐｉ —