汽车排气消声器声学性能国内外研究现状及趋势.doc

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1、汽车排气消声器声学性能国内外*研究现状及趋势李根1 ，涂江波2 ，涂海华3( 1 重庆大学机械工程学院，重庆 400030; 2 格特拉克( 江西) 传动系统有限公司 产品开发中心，南昌 330013; 3 江西农业大学理学院，南昌 330045)摘要: 汽车排气消声器的设计具有较高的复杂性，现阶段消声器的设计尚无直接成熟的理论，设计者必须通过反复修改和试验才能达到设计要求。结合有关文献分析了消声器声学性能的国内外研究现状及存在的问题，论述了一维声传递 矩阵、有限元及边界元等声学性能分析方法在消声器设计中的应用和发展，并基于消声器的实际工况特点，指出气流和 温度对消声器的声学性能有不可忽视的影

2、响，并根据当前消声器研究存在的问题，对其研究趋势进行相应的预测。 关键词: 消声器; 气流; 温度; 预测中图分类号: TK411 6 文献标志码: A 文章编号: 16713133( 2012) 12012805The research status and trend at home and abroad of acousticperformance on automotive exhaust mufflerLi Gen1 ，Tu Jiangbo2 ，Tu Haihua3( 1 College of Mechanical Engineering，Chongqing University，C

3、hongqing 400030，China;2 Product Developing Department，Getrag ( Jiangxi) Transmission Co Ltd，Nanchang 330013，China;3 Science College，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China)Abstract: The design of automotive exhaust muffler can be high complicated，however，there is not any direct and mat

4、ure theory on muffler design currently Designers have to revise and take experiments repeatedly to satisfy the design requirements Base on the relevant literature，the research status at home and abroad on acoustic performance and existing problems on muffler are ana- lyzed，the acoustic performance a

5、nalysis methods like one-dimension acoustic transfer matrix，finite element method and boundary element method using on muffler design are discussed Based on the actual working characteristics of muffler，point out that the in- fluence of airflow and temperature on muffler acoustic performance cannot

6、be neglected According to the current problems exist- ing in the study of muffler，the corresponding predictions on muffler research trend are givenKey words: muffler; airflow; temperature; prediction界元法。边界元法的出现有效地提高了声学性能分析的速度和精度。科技的发展带来了消声器分析能力的提高和试 验设施的改善，科技工作者在气流、温度对消声器声 学性能影响规律方面的探讨也日益深入，从最初不考 虑气

7、流和温度的影响，到对气流、温度单独讨论，再到 如今综合考虑两者对消声器声学性能的影响。消声 器的研究愈加深入而细致。引言0随着工业的进步和社会的发展，汽车排气噪声问题愈来愈突出，最简单而有效的降噪措施便是采用排 气消声器1。国内外学者最初基于一维声波理论，采 用声传递矩阵法对消声器的声学性能进行分析。然 而随着分析频率的提高，一维声传递矩阵法表现出其 局限性，进而出现了能考虑高阶谐波的有限元法。为 弥补有限元计算量大、速度慢的不足，人们提出了边* 国家科技支撑计划课题项目( 2012BAD14B14) ; 江西省教育厅科技资助项目( GJJ12230，GJJ12240)128李根，等: 汽车排

8、气消声器声学性能国内外研究现状及趋势2012 年第 12 期验结果与理论分析均表明，在消声器腔内存在高次谐波，平面波与线性化假设便不再适用，而应采取更加 精确的二维和三维理论方法来进行分析，这些方法包 括: 有限元法、边界元法等。声学有限元法是将声传播的空气域用有限元离 散化，根据声学波动方程，得到联立代数方程式，通过 求解代数方程式得到声传播空气域中的声学特性。1966 年 Gladwell 等人16-17 首次在声学领域运用 有限元法，为声学有限元法的研究拉开序幕。1975 年，Young 等人18最先使用有限元法计算了消声器的 四极参数，并预测了膨胀腔消声器的传递损失。随后 国外学者19

9、-22先后应用有限元法对扩张腔、阻性消声 器、并联扩张腔及穿孔管等子结构进行声学性能分 析。同时，也有学者23运用有限元法研究平均流等边 界条件对声学性能的影响。Barbieri 等人24利用有限 元声学仿真方法对消声器的声学性能进行了分析。 Barbieri25结合有限元法和 Zoutendijk 可行方向法对 消声器进行了研究。在国内，蔡超等人26用有限元法计算了轴对称抗 性消声器的传声损失，通过试验验证发现有限元具有 较高的精度。董正身等人27采用二维坐标系，以声压 为研究参数，建立起排气消声器二维有限元模型。陆 森林等人28用三维有限元法预估了消声器的性能。三维有限元法的使用，克服了一

10、维理论计算公式 在高频区计算不准确的不足，弥补了二维有限元法不 适用于非对称结构消声器的缺陷。虽然有限元法能 考虑高次谐波的影响，使声学计算更准确，但当划分 的网格达到一定数量时，计算速度受到很大的限制。 边界元法的兴起，很大程度上解决了此问题。与有限 元相比，它只需对离散区域边界而不必对内部区域进 行具体划分，从而减少了划分模型单元的工作量和求 解方程的个数。Tai 等人29首次将边界元法运用于声学内部问题 中，给出了一个可确定任意形状区域的声学腔特征值 和特征模的 BEM 公式。1980 年，Wagner 首次运用边 界元法研究了声学腔的静态响应。Tanaka 等人30 于1985 年用边

11、界元法计算了简单消声器的插入损失。 袁兆成等人31用边界元法计算了某款排气消声器的 消声性能，并采用相应的方法加以控制，取得良好的 降噪效果。季振林32 运用边界元法对穿孔管阻性消 声器的声学性能进行了分析和研究。王雪仁等人33 采用快速多极边界元法( FMBEM) 来分析消声器的传 递损失。129一维声传递矩阵法的研究1早在 20 世纪 20 年代，基于一维平面波理论的传递矩阵法就开始兴起，其基本思想是将声学系统与电 学系统进行类比，将电网络中的分析方法用于声网络 的计算。20 世纪 50 年代后，Davis 等人2-3 基于一维声波 方程对消声器消声单元的四极参数进行了研究，建立 了不考虑

12、气流状态下各消声单元的消声特性计算公 式。Fukuda 等人4提出用等效电路得到的传递矩阵 法计算消声器的传声特性。为研究气流对声波传播特性的影响，通过 Sulli- van5、Doige 等人6 的不断研究，逐步建立起考虑气 流影响的声传递特性计算模型，但该计算模型尚未考 虑温度的影响。随着对气流和温度梯度研究的进一步深入，Mun- jal 等人7给出了直管的计算模型; Luo 等人8对有穿 孔的消声器声传递矩阵进行了研究; Kim 等人9 对弯 管结构进行了计算; Munjal 等人10-11给出了复杂消声 器的计算模型并对阻抗复合性进行了计算。与国外相比，我国消声器研究起步较晚，20 世

13、纪80 年代后期开始有学者基于一维声传递矩阵对消声 器的声学性能进行研究。1988 年，盛胜我12 研究了具有声能耗散时声学 管道的传递矩阵，揭示了在考虑声能耗散情况下声波 在管道中的传播规律。1991 年，黄其柏等人13 通过 试验的方法，给出了刚性直管、穿孔声管、突变插管及 摩擦穿孔板四种常用消声元件的传递矩阵。1994 年， 蔡超等人14考虑均匀气流对声传播特性的影响，推导 了 12 种拖拉机抗性消声器声学子结构的声传递矩阵， 缩短了我国在一维声波应用领域与国外的差距。为探讨消声器内部流场对声学性能的影响，黄其 柏15研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩 阵，利用声压和体积速度的连续

14、性推导了对应的矩 阵，使我国在声传递矩阵方面的研究上了一个新的 台阶。以上研究都是基于一维平面波理论，当消声器截 面几何尺寸较小，分析频率不太高( 小于 1 000Hz) 的 情况下，这种分析方法是适用的。有限元、边界元法的研究虽然一维声传递矩阵在分析频率不太高时，理论 计算与试验结果符合较好，但当分析频率提高后，试22012 年第 12 期现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)虽然边界元法只需要离散化边界，计算所花费的时间比有限元少，但当声学腔表面的声压分布不唯一 时，边界元法的分析效果就会很差。为充分发挥有限元法和边界元法的优点，克服有 限元计算

15、速度慢和边界元在一定条件下分析效果差 的不足，王朝辉34 采用边界元法建立声学系统的模 型，结合由平板型壳元离散弹性壁的壳体结构有限元 模型，分析消声器弹性外壳对其消声性能的影响，实 现了结构体声学边界元与有限元模型的耦合，在一定 程度上提高了传声损失计算的速度和精度，同时也为 消声器声学性能分析方法开拓了新的研究思路。除气流外，温度对消声器的声学性能也有一定的影响。温度的变化将影响空气的密度和特性阻抗，影 响在空气中传播的声速大小，进而影响消声器的消声 特性。在声波性能方面，当气流温度降低时，声速亦 随之降低，抗性消声器的传声损失曲线会向频率减小 的方向转移42。因此，在一定的条件下，温度对

16、消声 器的声学性能有一定的影响。Sreenath 的研究发现，忽略温度梯度的变化会导 致消声器声学性能预测与实测结果的差异，随后 Ka- gawa 等人43研究了温度梯度对声学性能的影响。黄 其柏等人44探讨了在考虑气流和线性温度梯度情况 下，声波在声管中的传播特性，推导了穿孔声管消声 器声场传递函数，为后续的深入研究提供了参考。实际上，消声器内部温度分布不均匀，其温度场 并非成简单的线性梯度关系。董红亮等人45 对某消 声器分别建立了温度场、声场分析模型，并巧妙地将 消声器内部温度场的求解结果作为声场分析的边界 条件，研究了温度对消声器声学性能的影响，该方法 的分析结果和试验数据符合很好，且

17、为以后的研究提 供了崭新的思路。随着消声器研究的不断发展，已有越来越多的科 技工作者综合考虑气流和温度对消声器声学性能的 影响，采用现代数值分析和试验分析的方法对消声性 能进行分析和改进，继续探讨气流和温度对消声器性 能的影响规律。气流、温度对声学性能的影响在对消声器的声学性能进行分析和预测时，气流 和温度对其性能有较大的影响。气流速度对消声器 消声性能的影响主要体现在两个方面: 气流的存在使 声波在消声器中传播的衰减规律发生变化; 气流本身 的湍流运动产生的涡流噪声( 以中高频为主) 和固体 构件受迫振动而产生的噪声( 以低频为主) ，统称为 “气流再生噪声”35。由于气流的存在对消声器的声

18、学性能有一定的 影响，且这种影响程度随气流速度的增加有明显增大 的趋势，由气流再生噪声所引起的问题也愈加突出。 气流再生噪声不仅受气流速度的影响，还与消声器具 体的内部结构有关，复杂的影响规律导致现阶段大多 只能通过试验来研究气流再生噪声，而无直接成熟的 理论对其进行预测。俞悟周等人36用试验探讨了插入损失和传声损 失随气流马赫数的变化规律，为后续研究消声结构对 气流再生噪声的影响提供了实验基础。 Desantes 等 人37采用试验和量纲分析相结合的方法，对直管、突 然收缩和简单扩张腔三种消声结构的气流再生噪声 进行了研究。Ashcroft 等人38对共振腔在低速气流条 件下的非稳态气流及其

19、声辐射进行了研究，探讨了共 振腔的气流特性和气流再生噪声的产生机理。刘丽萍等人39通过大量试验，探讨了在有气流的 条件下，扩张室式消声器的腔室直径、腔室长度、尾管 直径以及连接管形式对消声效果的影响。Jebasinski 等人40对穿孔管排气消声器的气流再生噪声进行了 研究，主要讨论了穿孔管长度、穿孔率、孔的大小和形 状等结构参数变化对气流再生噪声的影响。赵海军 等人41在消声器模拟试验台上，探讨了在高速气流 下，各结构参数对共振式消声器再生噪声的影响。3现阶段研究难点随着计算机技术的发展和科技工作者经验的累 积，消声器的设计将会愈加深入而细致，研究难点和 技术瓶颈也愈加突出。当前的研究难点主

20、要有以下 几点。1) 气流对消声器声学性能的影响。汽车动力性 的提高使发动机排量有逐年增大的趋势，气流对消声 器的影响则愈加明显。气流的存在不仅改变了声波 在消声器内的传播和衰减规律，还会激发出气流再生 噪声。气流再生噪声与消声器内部结构密切相关，影 响规律复杂。目前尚无成熟的理论对气流再生噪声 进行计算，软件对其模拟效果也不好。现阶段几乎都 是通过试验来探求各种消声结构对再生噪声的影响 规律。2) 温度对消声器声学性能的影响。温度影响声 波在空气中传播速度的大小，进而影响消声器的消声 特性。消声器工作时的温度分布复杂，现阶段通常简4130李根，等: 汽车排气消声器声学性能国内外研究现状及趋势

21、2012 年第 12 期化为恒温场，或用具有线性梯度的温度场来大致模拟实际的温度分布。当消声器温度场分布非线性较强 时，分析结果与试验数据存在较大的偏差。3) 发动机动态特性对消声器消声特性的影响。 汽车在行驶过程中，发动机的转速和负荷都会在较大 范围内变化，消声器必在随时间变化的复杂工况下工 作。现阶段大多只对消声器的静态特性进行测试，通 常用恒定气流作为试验条件，而发动机的实际排气规 律为高速脉冲式。试验条件的局限性决定了消声器 实际性能与理想性能间的差距。应的预测，为消声器的研究者提供了一定的参考。参 考 文 献:1何渝生，邓兆祥，陈朝阳 汽车噪声控制M 北京: 机械工业出版社，1995

22、Davis D D Theoretical and Experimental Investigation ofMuffler with Comments on Engine Exhaust Muffler DesignJ NACA，1954( 1192) Igarashi J，Toyama M Fundamentals of acoustic silencersD Acoustical Research Institute，University of Tokyo，1958( 339) : 223 241Fukuda M，Okuda J A Study on Characteristics of

23、 Cavity- type Mufflers ( 2nd report) J Bulletin of JSME，1970，13( 55) : 96 104Sullivan J W Modeling of Engine Exhaust System Noise ASME winterconference C Atlanta， Georgia，1977: 161 169Doige A G，Thawani P T Mufflers Performance from Trans- mission MatricesJ Noise Control，1979( 2) : 245 254 Sahasrabud

24、he A D，Munjal M L Design of expansion cham- ber mufflers in cooperating 3-D effectsJ Noise Control Engineering Journal，1992( 1 2) : 26 39Luo H，Tse C C，Chen Y N Modeling and Applications of Partially Perforated Intruding Tube MufflerJ Applied A- coustics，1995( 44) Kim Jun-Tai，Ih Jeong-Guon Transfer M

25、atrix of Curved Duct Bends and Sound Attenuation in Curved Expansion Cham- bersJ Applied Acoustics，1999( 56) : 297 309Munjal M L，Behera B K，Thawani P T Transfer Matrix Model for the Reverse-flow，Three-duct，Open End Perfora- ted Element MufflerJ Applied Acoustics，1998，54 ( 3 ) :229 238Munjal M L Anal

26、ysis and Design of Pod SilencersJ Journal of Sound and Vibration，2003( 262) : 497 507 盛胜我 考虑声衰减时抗性消声器的传递矩阵J 同 济大学学报，1988，16( 4) : 521 527黄其柏，夏薇 内燃机排气消声元件声学传递特性研究J 内燃机学报，1991，9( 3) : 233 240 蔡超，宫镇，赵剑，等 拖拉机抗性消声器声学子结构声 传递矩阵研究J 农业机械学报，1994，25 ( 2 ) : 65 71黄其柏 考虑非均匀流场的管道声学理论及消声器研 究J 华中理工大学学报，1999，27( 8)

27、: 46 48Gladwell G M L A variational formulation of damped a- coustic structural vibration problemsJ Journal of Sound and Vibration，1966，4( 2) : 172 186Gladwell G M L，Zimmermann G On energy and comple-131234展望基于以上存在的问题，消声器将沿以下方向进行 设计和研究。1) 气流再生噪声的研究。气流对再生噪声影响 规律复杂，现阶段只能通过试验对其进行研究，基于 试验成本高、周期长和研究效率相对较

28、低的特点，更 多学者将注重于对气流再生噪声发生机理的探索，总 结出经验或半经验公式，或是具有一定雏形的理论。2) 消声器动态特性的研究。现阶段进行的消声 器声学性能测试大多基于静态试验，与消声器实际工 况差异较大。从某种程度上说，没有真正反映消声器 的实际消声性能，设计过程中必引起一定的偏差。若 能对消声器的动态特性进行仿真，预测出消声器性能 随发动机转速、负荷等因素变化的规律，并基于该规 律得出多维数据，对消声器进行研制，则消声器的设 计水平将会得到较大的提升。3) 消声器专家系统的开发。现阶段专门为消声 器设计而开发的专家系统甚少，且不能很好地考虑气 流、温度及发动机工况对其声学性能的影响

29、。若能结 合最新的研究成果，将其中的设计经验及各因素间的 相互影响规律以计算机能够识别的方式存入知识库， 开发针对消声器的专家系统，不仅能提高消声器消声 性能分析的精度，而且能降低成本，缩短设计周期，具 有较大的工程价值和现实意义。5567891011121314结语根据现阶段消声器的设计特点，分析了国内外消 声器声学性能的研究现状和设计过程中所遇到的问 题。论述了一维声传递矩阵、有限元法和边界元法在 消声器声学性能分析中的特点及其发展过程。简要 探讨了气流和温度对消声器声学性能的影响，提出了 现阶段消声器的研究难点，并对其研究趋势进行了相61516172012 年第 12 期现代制造工程(

30、Modern Manufacturing Engineering)33WANG Xueren，JI Zhenlin Application of FMBEM to pre-dict silencer acoustic performanceJ Journal of University of Science and Technology of China，2008，38 ( 2 ) : 207 214王朝辉 基于边界元与有限元耦合模型的消声器传递 损失的预测D 南京: 南京理工大学，2004马大猷 噪声与振动控制工程手册M 北京: 机械工业 出版社，2002俞悟周，王佐民 存在气流的消声扁管道

31、声学特性的实 验研究J 声学技术，1996，15( 3) : 105 108Desantes J M，Torregrosa A J，Broatch A Experiments on flow noise generation in simple exhaust geometries J ACUSTICA United with Acta Acoustica，2001，87( 1) : 46 55Ashcroft G B，Takeda K，Zhang X A numerical investiga- tion of the noise radiated by a turbulent flow o

32、ver a cavityJ Journal of Sound and Vibration，2003( 265) : 43 60刘丽萍，肖福明 扩张室式消声器气流噪声的试验研究J 机械工程学报，2002，38( 1) : 98 100Jebasinski Rolf，Sascha Leng，Marco Jess，et al Investiga- tion on whistle noise in automotive exhaust system mufflers2005 SAE C Grand Traverse， Michigan， UnitedStates，2005赵海军，邓兆祥，潘甫生 共振式

33、消声器气流再生噪声发 生机理研究J 内燃机工程，2010，31( 1) : 74 77 李国祥，李娜，王伟，等 消声器内部流场及温度场的数 值分析J 内燃机学报，2003，21( 5) : 337 340Kagawa Y，Yamabuchi T，Mori A Finite element simulation of an ax symmetric acoustic transmission system with a sound absorbing wallJ Journal of Sound and Vibration，1977，53( 3) : 357 374黄其柏，师汉民，杨叔子，等 计

34、及气流和线性温度梯度 的内燃机穿孔声管排气消声器研究J 内燃机学报，1993，11( 1) : 77 82董红亮，邓兆祥，来飞 考虑温度影响的消声器声学性能 分析及改进J 振动工程学报，2009，22( 1) : 70 75mentary energy formulations of acoustic and structural vi-bration problems J Journal1966，3( 3) : 233 241of Sound and Vibration，18Young C I J，Crocker M J Prediction of transmission loss inm

35、ufflers by the finite element method J Journal of the Acoustical Society of America，1975，57( 1) : 144 148 Craggs A A finite element method for modeling dissipative mufflers with a locally reactive liningJ Journal of Sound and Vibration，1977，54( 2) : 285 296Craggs A Finite element method for damped a

36、coustic sys- tems: an application to evaluate the performance of reactive341935362037mufflers J Journal( 3) : 377 392of Sound and Vibration，1976，4821Ross D F A finite element analysis of parallel-coupled a-coustic systems using subsystemsJ Journal of Sound andVibration，1980，69( 4) : 509 518Ross D F

37、A finite element analysis of perforated component acoustic systemsJ Journal of Sound and Vibration，1981，79( 1) : 133 143Peat K S Acoustical impedance at discontinuities of ducts in the presence of a mean flowJ Journal of Sound and Vibration，1988，127( 1) : 123 132382239234024Barbieri Renato，Barbieri

38、Nilson Finiteelement acousticsimulation based shape optimization of a mufflerJ Ap-plied Acoustic，2006( 67) Barbieri Renato，Nilson Barbieri Finite element acoustic simulation based shape optimization of a mufflerJ Ap- plied Acoustics，2006( 67) : 346 357蔡超，宫镇，诸圣国 存在气流时轴对称抗性消声器传递损失的有限元法求解J 汽车工程，1994，16

39、( 5) : 296 302董正身，张旭，黎苏 汽车排气消声器的二维有限元分析J 小型内燃机，1998，27( 4) : 41 46陆森林，刘红光 内燃机排气消声器性能的三维有限元 计算及分析J 内燃机学报，2003，21( 5) : 346 350Tai G R C，Shaw R D Helmholtz-equation Eigen Values and Eigen Modes for Arbitrary DynamicsJ Aeoust Soc Am 1974，56( 3) : 796 804Tanaka T，Fujikawa T，Abe T，et al Method for the an

40、alyti- cal prediction of insertion loss of a two-dimensional muffler model based on the transfer matrix derived from the bound- ary element methodJ Journal of Vibration，Acoustics， Stress，and Reliability in Design，1985，107( 1) : 86 91 袁兆成，丁万龙，方华，等 排气消声器的边界元仿真设计方法J 吉林大学学报，2004，34( 3) : 357 361季振林 穿孔管阻性消声器消声性能计算及分析J振动工程学报，2005，18( 4) : 453 4574125424326274428452930 作者简介: 李根，硕士研究生，主要研究方向: 车辆动力学，计算机辅助分析。涂江波，本科，助理工程师，主要研究方向: 变速箱设计制造。涂海华，硕士，副教授，主要研究方向: 自动控制与仿真。E-mail: ligen 88 163 com收稿日期: 2012-05-283132132