摘 要

本文介绍了发动机排气消声器的消声原理，并研究了排气消声器结构对于消声器性能的影响。以此为基础参照492QA发动机参数进行消声器设计。运用GT-power软件建立了消声器仿真性能计算模型，得出了消声器仿真下的传递损失。并根据传递损失曲线，对消声器的性能和结构进行评价分析，并通过改变共振腔位置和内部管道结构，做出了针对原设计方案的优化设计。进行了消声性能的比较。

论文中运用GT软件计算出消声器消声性能，并比较了设计方案和改变了共振腔位置和管道结构的消声器的传递损失。分析了传递损失的变化，并提出导致变化的消声器结构。对比结果表明共振腔室的位置改变和插入管道的结构对于1500Hz~2000Hz中频噪声有较大的影响，对于低频噪声消声量有一定的影响。同样会改变消声器的最大消声量。

关键词：消声器；设计；传递损失；GT-power

Abstract

This paper introduces the principle of the muffler and studies the effect of exhaust muffler structures on the performance of muffler. Based on this, we design a muffler with reference to 492QA engine, with the help of the GT-power software. we establish a Simulation performance computational model，obtain the transmission loss. According to the transmission loss curve, we evaluate and analysis the performance and structure of the muffler objectively. By changing the location of the resonant cavity and the structure of the inner pipe, the optimal design is made. The performance of muffler reduction is compared.

In this paper, I calculated the noise elimination performance of the muffler by GT software and compared the transmission loss of two mufflers. The change of transmission loss is analyzed, and the muffler structure causing change is point out. The results show that the change of the resonant chamber and the structure of the inner pipe have great influence on the 1500Hz~2000Hz medium frequency noise, and have a certain influence on the noise reduction of the low frequency noise. The maximum noise reduction of the muffler also be changed.

Key Words：muffler；design；transmission loss；GT-power

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2汽车噪声 2

1.2.1车辆噪声的分类 2

1.2.2排气噪声 2

1.3排气消声器的原理及分类 2

1.4消声器性能指标 3

1.5国内外研究现状 4

1.6本章小结 6

第2章492QA发动机排气消声器的设计 7

2.1排气消声器结构设计 7

2.1.1消声器结构 7

2.1.1隔板位置及数目的分析 8

2.1.2穿孔率 9

2.2消声器结构参数的设计 10

2.3消声材料的选择 16

2.4设计总结 16

第3章 消声器性能计算分析 17

3.1GT-power软件 17

3.2消声器模型的建立 18

3.3消声器插入损失和传递损失 19

3.4排气消声器的仿真方法 19

3.4.1四端网络法 19

3.4.2数值分析法 20

3.5运用GT-power进行建模 21

3.6 GT-power性能计算结果及分析 22

3.7本章小结 23

第4章 总结 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

随着生产力迅猛的发展以及经济社会的进步，汽车作为人们生活中最为重要的交通工具，已经渐渐的普及了。1958年5月12日，中国第一辆国产轿车伴随着中国人民的期盼下线了。从那以后，中国汽车的保有量都在稳步的增长，以稳定的增速持续不断的发展。最近的十几年里，由于经济飞跃式的发展，汽车生产量和保有量也都是爆炸性的增长。截止到2016年全国的汽车保有量达到了1.94亿辆同比增长13%，私家车在其中占有1.46亿，同比增长18%。这一个个数据无不令人惊叹。汽车给我们的生活提供了巨大的便利，人们的出行，货物的运输，这些与我们生活所息息相关的琐事都已经离不开汽车。 我们享受着汽车给我们带来的种种便利，但伴随着汽车数量的增长，一系列问题也渐渐的凸显了出来。

汽车数量的增长也象征着经济社会的进步，随着现代汽车产业不断的发展和进步，人们对汽车的性能以及品质的追求也在一步步的细节化和严格化，这催促着国内外汽车产业的更新换代。伴随着汽车数量的增加，汽车噪声的问题也渐渐的被人们所关注，已经成为一种严峻的社会问题，噪声污染已经和空气污染、水污染、并列成为三大污染。虽然不像其他两种污染那样被人们所时刻关注，但噪声污染对人们的危害不容忽视。根据一系列的实验和调查显示，长期处于噪声污染中生活，对人的生理和心理都会造成极大的创伤，使人记忆力下降、听力受损、烦躁郁闷、严重破坏人的心脑血管系统以及神经系统，严重的更甚至是危及生命。对于驾驶员来说，过大的汽车噪声会严重的影响驾驶的舒适性，容易使驾驶员感到疲劳，其后果也是不言而喻的。汽车噪声中排气噪声是汽车发出噪声的主要因素，占到了发动机噪声总量的30%以上。汽车噪声严重的影响到了人们的工作、休息、更甚至是影响到健康问题。解决这一问题也已经到了刻不容缓的地步。

我国自1979年首次颁布了车辆噪声限值，以及实验方法和国家标准，对机动车噪声减小和噪声限定的要求提高。这一方针就如同是指挥棒一般，催促和引导着汽车行业在降噪方面做出必要的改进。日本，美国，欧盟等汽车工业发达地区的要求更为严格和优化，并且每五年就会修订一次标准。这一系列的措施从方针、引导的层面有效地降低了机动车的噪声。但想要彻底的解决问题，那就要从根本上解决问题。为了从根本上降低汽车排气产生的噪声，排气消声器是必不可少的。排气消声器经过吸收或者是反射两种基本的消声方式，通过组合和设计，最有效的降低汽车排气的噪声。使高温废气能够安全有效地排出。排气消声器能够有效地降低排气噪声，从本质上控制了噪声源。基于消声器性能的研究也具有很大的意义。

1.2汽车噪声

1.2.1车辆噪声的分类

汽车噪声对人们的生活带来了许许多多的困扰，严重的影响着人们的休息，工作和生活。另一方面对驾驶人员的舒适度也会有不良的体验。汽车噪声可以归结为两个大头，一方面是与发动机转速有关的发动机噪声，另一方面是与车速有关的底盘噪声，发动机噪声在其中占据了主要因素，排气噪声正是其中的关键。

汽车噪声细分可以分为；

1. 发动机噪声；混合气在内部燃烧时产生的冲击以及活塞的往复运动振动作用于缸体而产生的的噪声。
2. 传动系统噪声；主要的噪声源是轴承滚动噪声、齿轮啮合噪声、以及旋转部分的振动激励。
3. 进气系统噪声；各个气门在关闭时所发出的脉冲，以及空气湍流所产生的噪声。
4. 排气系统的噪声；可以分为排气口所产生的排气噪声和排气管壁振动产生的辐射噪声。
5. 轮胎噪声，轮胎气泵噪声以及轮胎振动产生的噪声。
6. 制动系统噪声；
7. 空气动力学噪声；空气通过车声缝隙或气流通过车辆外凸起物产生的空气涡流噪声，以及空气和车辆摩擦产生的噪声。

1.2.2排气噪声

排气噪声，顾名思义就是排气系统中部件辐射的噪声，包括管道噪声、壳体噪声、以及连接部分缝隙所产生的泄漏声。经过大量的考察和计算分析之后，我们可以得出机械噪声在排气噪声所占的比例很小，近乎可以忽略。空气动力性噪声即气体的运动或气体与物体的碰撞而造成的。占据主导因素。

排气噪声的声压级与发动机功率、转速、排气量、平均有效压力、排气管截面积息息相关。但这些因素都关系到了汽车的动力性，可以优化但不能够完全的避免，通过这些方面的优化再结合排气消声器的使用，汽车噪声能够进一步的得到减小。

1.3排气消声器的原理及分类

排气消声器的使用能够有效地降低排气噪声，排气消声器是通过降低，衰减排气压力的脉动来降低噪声。根据干涉原理排气消声器分为吸收和反射两种，其中吸收消声器通过噪声和玻璃纤维，石棉等吸音材料的摩擦而减小其能量是一部分的声能转化成为热能的形式散失掉，反射消声器则是有多个协调腔不同长度的多孔反射管通过多次反射、碰撞、膨胀冷却减轻震动，通过膨胀消声，收缩消声的方法来减小能量，从而达到减小排气噪声的目的。汽车排气消声器根据原理和结构可以分为：

1. 抗性消声器，
2. 阻性消声器
3. 阻抗复合型消声器。

抗性消声器是内部通过管道隔板等部件组成扩张室、共振消声单元，声波在传播时发生反射和干涉，在声波传递过程中降低声能量，达到消声效果。抗性消声器的消声频带有限，对低，中频带消声效果比较好，而对高频带效果较差；

阻性消声器是在内部排气通过的管道填充吸声材料来吸收声能量，达到消声目的，对中，高频噪声消声效果好;正是由于阻性消声器和抗性消声器在降噪的过程中存在有一定的局限性，阻抗复合性消声器才应运而生，并且得到了广泛的运用；

阻抗复合性消声器分别用抗性消声单元和吸声材料组合，具有抗性，阻性消声器共同的特点，对低，中，高噪声都有良好的消声效果。

1.4消声器性能指标

消声器的主要性能指标有消声性能，空气动力性能，和结构性能。

1. 消声性能；消声器的消声量以及频谱特性。消声器的消声性能通常用传递损失和插入损失来提现。

传递损失是消声器进口入射声能和出口声能的差值，可以运用如下公式表示；

（1.1）

插入损失IL是车辆安装排气消声器后固定测试点噪声声功率级与安装排气消声器之前的差值，它可以很直观的提现消声器的具体效果。可以运用如下的公式表示；

（1.2）

W1-入射声功率 W2-透射声功率 I1-入射声强 I2-透射声强

P1-入射声压 P2透射声压Llw1-入射声功率级 Lw2-透射声功率级

1. 空气动力性；消声器的空气动力性直接的表现了在安装了排气消声器前后，排气管排气顺畅度或者排气气流阻力。消声器由于内部的复杂结构产生了声学阻力，阻碍了排气的流动，这也使得消声器背压得升高。这一变化也将会影响发动机新鲜充量的空气进入发动机，使得发动机功率下降。功率损失比

（1-3）

根据消声量的大小，功率比损失可以适当放宽松。

消声器的阻损亦或是阻力系数，消声器的阻损用消声器进气口和排气口的全压差来表示，阻力系数可由动压也阻性进行计算得出，空气动力性是消声器使用的前提也是优化的关键地方。空气动力性与与发动机功率损失息息相关，

（3）结构性能；消声器的结构性能主要包含三项，尺寸、价格、以及使用寿命。每一项对消声器都很重要，消声器的尺寸大小因适中，与发动机相匹配。考虑到所处的工作环境，消声材料、筒体和外壳等都应该选取耐高温，耐腐蚀的材料，从而保证消声器正常而稳定的工作，同时还要考虑设计结构不易使消声器内部有杂质的累积。前面所提到的各项也都影响着发动机的使用寿命。

除此之外，消声器的设计应该考虑不同汽车实际安装的空间，外观尽可能的美观。为了追求经济性能，尽可能的降低生产的成本，提高消声器使用的时限。

1.5国内外研究现状

从相关的文献和资料中我们可以了解到汽车噪声产生的主要因素是空气动力，机械传动，和电磁三部分引起的。其中发动机噪声占极大的比例，发动机噪声控制的关键在于降噪和减震。而消声器则是分为两种（1）阻性消声器中所运用的消声材料的应用，使声能转化成为热能而散失，（2）抗性消声器中运用反射和干涉的声波原理降低噪声。亦或是（3）阻抗复合性消声器将两者有效地结合在了一起。

根据天津市汽车研究所和浙江大学的赵骞，徐林玉，郝志勇联合发表的《汽油机排气噪声及消声器实验研究》中表明他们针对安装与不安装消声器的情况下在针对不同转速下（1200~6000r/min，间隔区间400r/min）在全负荷工况下研究了汽车的插入损失，频谱特性。并提出了消声器的改进措施。得出结论在噪声中500~5000Hz的中高频噪声占据了主导地位，消声器的插入损失约为20dB。在足够的安装空间下增大扩张比能够有效地控制中频段噪声，在尽量减少功率损失的情况下，采用玻璃纤维等阻尼材料对高频段噪声具有衰减的作用^[1]。这一研究表明，阻抗复合型消声器的优点不言而喻。

陈永光和林辉江前辈在他们共同发表的《车用排气消声器结构优化设计与分析》中提出了结构的选取决定着消声器性能的好坏。我们在分析中能够采用三维边界声学单位法和计算机流态模拟较好的分析消声器的各项性能，但由于技术的限制，大部分消声器消声器的消声量都小于30dB。而前辈们在结构的选取和尺寸的优化上下了很大的功夫，结构上采用了多级膨胀并使其通流部分呈渐扩结构，尽量使所产生的声波具有相位差。从而使噪声相互抵消，达到良好的消声效果，在实验中最优的消声器结构插入损失达到了33.4dB(A)。 这些研究得出了相同的结论采用阻抗复合型结构的消声器能够更加有效地降低排气噪声^[2]。也给这一次的设计方案给予了一定的方向。在消声器类型的选择以及结构的确定上面给予了一定的导向。

华南理工大学的林光典前辈2015年在《汽车排气消声器性能研究及设计开发》中提出了消声器正向设计的流程,采用从确定设计目标到总体方案再到具体设计的思路,以声学性能为主,流场及其他性能为辅,以主消声器的设计为主,副消声器的设计为辅,从排气噪声频谱的角度出发,通过基本消声单元的合理选择、计算和组合来逐步完善消声器的设计,再根据内部流场分布图进行改进和整体性能的验证。也是优秀的设计方案。

在2016年长城技术中心的耿鹏飞在《汽车排气系统低频噪声分析与结构优化》中利用GT-Power软件建立发动机工作过程与排气消声器耦合仿真分析模型,对排气消声器声学性能和空气动力学性能进行数值计算,分析排气尾管低频噪声大的原因。依据分析结果提出消声器结构优化方案,制作优化样件进行整车排气尾管噪声试验。试验结果表明,低转速时消声器插入损失提高5d B~7 d B,阶次噪声整体降低,低频噪声问题明显改善。

刘一航在2014年发表的《基于GT-Power的汽车排气消声器的试验研究》中利用GT-Power软件,建立排气消声器与发动机耦合模型,计算得到消声器的插入损失。开发一款装置作为模拟声源代替发动机,连接消声器进行试验测试,试验结果表明,测试结果与仿真结果基本一致。验证了仿真软件的可靠性,为消声器开发提供快捷的途径。GT-power这一软件的运用对于我们基于排气消声器的设计以及所性能计算分析带来了极大的便利。

由Benzhu Liu，Masahiro Maeno，Shuichi Hase和Wakamatsu共同发表的《A Study of a Dual Mode Muffler》中提出双模具有良好的噪声衰减效应，共振效应是消声器设计的基本原理，开启角和废气流量将会影响共振效应的噪声衰减。阀门的开启角度对噪声衰减有显著地影响，这些数据用于调节气门弹簧力，已达到最有效的消声器设计最大的噪声衰减。在《Comparison of various algorithms for improving acoustic attenuation performance and flow characteristic of reactive mufflers》中，Chao Shen，和Liang Hou两位前辈利用亥姆霍兹方程和纳维-斯托克斯方程分别对声场和流场进行了有限元分析。优化结果表明，它可以最大限度的传输损失（TL）和与给定的权重因子的压降最小化^[3]。最后通过数值优化实例验证了该优化方法在声学流场中的有效性和可靠性

同济大学的左曙光发表了自己关于排气消声器中隔板数目和隔板位置对于排气消声器消声性能的影响方面的研究。根据数据所得出的结论表明，消声器隔板的建立有效的降低了排气噪声，当隔板数目超过三个时消声性能的影响就不那么明显了^[4]。这一研究结果的得出对消声器的设计有着十分重要的引导意义。

1.6本章小结

消声器极大的降低了汽车发动机的排气噪声，它的运用在一定程度上减小了排气噪声对环境的污染。也顺从着人们对环境一步步提高的要求。对于环境问题的解决起着正面的影响。但在进步的道路之上人们从未停止过，在消声器的优化和改善上面一代又一代的学者和工程师都在做着不懈的努力。从种种层面来说消声器的声学性能、空气动力性能方面的研究拥有着很直观的现实意义。

研究的方面也是各种各样，从不同排气消声器的结构，消声器隔板、消声器插入管和隔板的穿孔率、消声器消声材料的选择、消声材料固定位置的选择，等各个方向来进行研究。也会对气流和消声器中其他影响因素的层面去分析消声器的性能。总而言之都是在基于降低排气噪声（也就是控制插入损失和传递损失）方面做着努力。每一个结果都具有一定的参考价值，也使得消声器结构上不断进步。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：