复合式消声器声学特性的分析方法和实验研究

摘要

发动机的进排气噪声是车辆的主要噪声源之一，对进排气噪声的有效控制对于改善整车噪声控制水平具有重要的影响。消声器是降低进排气噪声的主要装置之一，随着发动机技术的不断发展，发动机进排气噪声在不同工况下覆盖从低频到高频的整个频段，并且受到空间和重量等因素的限制，单一类型的简单消声器已经不能使车辆进排气噪声控制在合理的水平。高性能复合式消声器的设计、开发和应用已经成为提高进排气噪声控制水平和改善整车NVH性能的主要方向。本文以复合式消声器为研究对象，针对复合式消声器声学特性的分析方法进行了系统的研究。
　　复合式消声器通常由管道将不同类型的基本消声结构连接成多个腔体的复杂消声结构，复合式消声器的设计首先需要确定基本消声结构的声学特性。本文从基本消声结构出发，采用理论计算、数值仿真和实验测试相结合的研究方法，对基本消声结构的声学特性及分析方法进行详尽的研究。在此基础上，对不同类型复合式消声器的声学特性进行分析，总结复合式消声器声学性能分析和设计步骤，为复合式消声器的设计和开发提供参考。本文的研究工作包括以下内容。
　　基于声学理论，研究抗性消声器声学性能的分析方法，以抗性消声器常用的扩张式消声器为对象，利用传递矩阵法、一维平面波理论和二维解析法对消声器的声学特性进行分析，并与三维有限元分析结果相比较，总结了分析方法的计算精度。阐述了三维有限元法的基本理论，以某客车排气消声器为例，通过实体建模、网格划分、材料属性和边界条件的设定和选择传递损失的计算方法，建立消声器数值仿真的计算流程。利用三维解析法和有限元法计算多入口多出口消声器的声学性能，分析进出口管道相对角度、偏置距离、进出口管道数量及穿孔管等消声器结构参数对消声器声学性能的影响，总结消声器的改进措施，改善了多入口多出口消声器的消声性能。
　　以多穿孔管/板阻性消声器为研究对象，讨论了阻性消声器的分析方法。将吸声材料看做具有复声速和复密度的流体，推导了包含吸声材料声学参数和穿孔管/板声阻抗的阻性消声器声传播模型，阐述阻性消声器传递损失的计算过程。对消声器及穿孔管/板的结构参数(消声器长度、穿孔管的厚度、孔径和穿孔率)和吸声材料对阻性消声器声学性能的影响进行系统的研究。进一步分析了横流阻性消声器和通过流阻性消声器的声学特性，通过对三种阻性消声器的对比分析，总结出三种阻性消声器的特点及适用场合。
　　基于集中参数法、一维解析法和二维解析法及有限元法预测了共振消声器的消声性能，讨论各种方法对共振消声器共振频率预测结果的精度。采用两种连接管末端修正公式提高了集中参数法和一维解析法的预测精度。讨论了连接管内插长度的变化对共振消声器传递损失和共振频率的影响。研究共振腔内部填充吸声材料的声学特性的变化，分析了吸声材料的填充方式与吸声材料的属性对共振消声器传递损失和共振频率的影响。针对共振消声器消声频带窄、消声频率单一的缺点，提出了串联式和并联式多腔共振消声器的概念，探讨共振腔结构参数的变化和不同腔体之间的耦合作用对多腔共振消声器传递损失和共振频率的影响规律。
　　设计和搭建了消声器传递损失和插入损失实验台架，研究消声器的实验测量方法。应用两负载法在阻抗管上测量和计算了消声器的传递损失，验证了本文所采用的分析方法预测消声器声学性能的有效性和准确性。在发动机台架上对三种复合式消声器的传递损失和压力损失进行测试，通过对实验结果的分析对比，对复合式消声器的综合性能做出评价，为消声器的改进设计提供参考。
　　探讨不同复合式消声器结构和组合方式对声学性能的影响，提出了消声器内部设置不同穿孔管/板参数或吸声材料的复合式结构，分析了混合阻抗式消声器的声学特性。提出了可调谐式多腔串并联共振消声结构与调节方式。根据本文采用的消声器分析方法和结论，总结了复合式消声器的分析流程，为复合式消声器的设计提供参考和思路。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 消声器国内外研究现状

1.2.1 抗性消声器的研究现状

1.2.2 阻性消声器的研究现状

1.2.3 复合式消声器的研究现状

1.2.4 消声器的数值仿真研究现状

1.2.5 复合式消声器设计和分析中存在的问题

1.3 本文的研究意义和内容

1.4 主要内容章节安排

第二章 低阻力抗性消声器声学性能研究

2.1 引言

2.2 消声器的声学性能指标

2.2.1 传递损失TL

2.2.2 插入损失TL

2.2.3 减噪量LNR

2.3 扩张式消声器的一维理论分析

2.3.1 一维平面波理论

2.3.2 传递矩阵

2.4 扩张式消声器的二维解析法

2.4.1 消声器的二维解析法

2.4.2 几种分析方法的比较

2.5 扩张式消声器的三维有限元法

2.5.1 消声器的三维有限元法的基本理论

2.5.2 消声器声学有限元数值仿真研究

2.6 多入口多出口扩张式消声器的声学特性

2.6.1 多入口多出口消声器的理论模型

2.6.2 结构参数对消声器声学性能的影响

2.6.3 改善多入口多出口消声性能的措施

2.6.4 多入口多出口消声器的研究结论

2.7 本章小结

第三章 穿孔管/板阻性消声器声学性能研究

3.1 引言

3.2 同轴直流阻性消声器的声学特性分析

3.3 多穿孔管/板直流阻性消声器的声学特性分析

3.3.1 多穿孔管/板阻性消声器的声学理论模型

3.3.2 结构参数和吸声材料对声学性能的影响分析

3.4 通过流阻性消声器的声学特性

3.4.1 通过流阻性消声器的声传播分析

3.4.2 通过流阻性消声器的声学性能分析

3.5 横流穿孔管阻性消声器的声学特性

3.5.1 横流穿孔管阻性消声器的声传播分析

3.5.2 横流穿孔管阻性消声器的声学性能分析

3.5.3 阻性消声器的相关研究结果

3.6 本章小结

第四章 宽频多腔共振消声器声学性能研究

4.1 引言

4.2 共振式消声器的理论模型

4.2.1 集中参数法模型

4.2.2 一维理论模型

4.2.3 二维理论模型

4.3 共振式消声器的颈部结构对消声性能的影响

4.4 吸声材料对共振式消声器消声性能的影响

4.5 多腔共振消声器的声学特性

4.5.1 串联式共振消声器的声学特性

4.5.2 并联式共振消声器的声学特性

4.5.3 多腔共振消声器的相关研究结论

4.6 本章小结

第五章 复合式消声器的声学实验研究

5.1 引言

5.2 消声器传递损失实验研究

5.2.1 消声器传递损失测量方法

5.2.2 消声器传递损失测量装置

5.2.3 消声器传递损失测量结果及讨论

5.3 消声器插入损失实验研究

5.3.1 消声器插入损失测量装置介绍

5.3.2 消声器插入损失的测量

5.3.3 消声器排气背压的测量

5.3.4 消声器插入损失测量结果及讨论

5.4 本章小结

第六章 复合式消声器的声学特性计算与分析

6.1 引言

6.2 混合阻抗式消声器的声学特性

6.3 可调谐式串并联复合式共振消声器

6.4 复合式消声器声学性能的分析流程

6.5 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 工作总结

7.2 本文的主要创新点

7.3 有待进一步开展的工作

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的学术论文