噪声是工业社会带来的副产品，它与大气污染和水污染一起被认为是当今世界的三大公害，噪声通过声波对人的心理和生理产生影响，一般噪声在70分贝以上时，人们就感到不舒服，如果长期置身于噪声达到或超过90分贝的环境中，就会出现烦躁、头昏目眩、生理机能下降、情绪波动大、记忆力衰退，甚至导致噪声性耳聋和冠心病、动脉硬化等心血管疾病的发生。随着社会的发展和进步，汽车行业的兴起，由此所带来的噪声问题也变得更为突出。据相关资料表明^[1]：城市噪声的70％来源于交通噪声，而汽车噪声在交通噪声中占有很高的比重。

汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源，其噪声可以大致分为两部分：发动机噪声、底盘噪声。发动机噪声是汽车的主要噪声源，它分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力性噪声。其中，空气动力性噪声又包括进、排气噪声和风扇噪声。在没有进、排气消声器时，排气噪声是发动机的最大噪声源，进气噪声次之，风扇噪声与进、排气噪声相比其噪声级很小^[2]。近年来，随着制造技术和加工手段的提高，发动机的机械噪声及燃烧噪声己得到有效控制，排气噪声控制方面已取得了相当满意的成果。在排气噪声及其它噪声得到有效控制后，进气噪声往往上升为发动机的主要噪声源，特别是对于小型高速轿车用汽油机和客车用增压柴油机，进气噪声有时可比发动机的燃烧噪声、机械噪声高出5-10dB（A）^[3][4]。控制发动机进气噪声就成了控制汽车发动机噪声的一大重点。

进气噪声控制包括有源控制和无源控制。无源控制是采取在进气管道上加装进气消声器的方法，通过消声器对声音的衰减而达到消声的目的;有源控制是指去掉传统的消声器或简化其内部结构，在排气管道的某个环节引入有源消声技术，从而达到降低进气噪声的目的。由于有源噪声控制技术尚不成熟，且结构复杂，离实际应用还有一定的距离。因此，目前在进气噪声控制方面，应用较多的还是采用无源噪声控制技术，而无源控制技术的核心是消声器。

根据消声原理的不同，消声器大致可以分为3类：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合型消声器。阻性消声器是利用敷设在消声器管道内的吸声材料吸收声能，以达到减小出口处的辐射声能。阻性消声器的特点是在较宽的范围(尤其是在中、高频范围)内有较好的消声效果，但当气流速度较大且气流方向与声速反向时声波将向管中心弯曲，这样就不利于吸声材料的吸声，所以在非增压发动机上很少看到传统的阻性进气消声器。抗性消声器主要是利用通道中声抗的突变反射部分声能，从而起到消声的作用。抗性消声器的频率选择性较强、适合消除低中频范围内的窄带噪声。抗性消声器一般分为扩张式、干涉式和共振式三种类型。目前广泛应用于汽车发动起进排气消声的是共振式消声器，其结构是根据赫姆霍兹共振腔原理设计的。

赫姆赫兹共振腔由于其结构简单，且有较好的低频消声性能，而被广泛应用于发动机进排气消声上。但是由于其消声带宽较窄，找准其共振频率就显得至关重要。在赫姆赫兹共振腔模型的建立中，传统的方法是将其当作质量弹簧系统，也称为集中参数模型。其中，腔中的空气作为“弹簧”，主管与腔体的连接管中的空气的质量作为“质量”，而连接管外口处的声压作为“作用力”。这是一个一阶系统，因而只有一个共振频率，而且它与腔体的形状无关。然而，在“质量块”运动过程中，连接管中的空气并不仅限于在连接管中运动，由于惯性的作用，在管的两段总要有一定的附加“质量”跟随运动，这相当于人为地加长连接管的长度，因而使实测频率比设计频率低。

国外较多学者在连接管长度修正和共振腔体方面做过许多研究。较著名有Ingard^[5]，他考虑到连接管与腔体截面突变处高次模式波的存在，提出了Ingard长度修正公式，它的效果却不太理想。 1972年，M.Alster^[6]对Helmholtz共振器的古典集中参数模型进行了修正，考虑了共振腔内气体质量的分布，将共振腔视为变质量的弹簧，在外部激励力的作用下，与颈部相连的外部流体和共振腔与颈部相连的内部流体都随颈部孔口内气体一起运动，于是建立了消声器的弹簧一质量系统。由此推导出了共振腔形状为球形、矩形、锥形、台形等的Helmholtz共振器连接管长度修正公式，所得结果比集中参数模型的结果有一定的改善，但计算公式复杂，且公式的使用具有一定的条件，即颈部长度远小于声波波长;共振腔结构尺寸小于声波波长的1/4；共振腔高度大于颈部长度等。A Selamet，Munjal等^[7-9]分析并研究了共振腔的理论和设计方法，利用各种仿真和实验对共振腔进行了多次改造，Chanand^[8]对共振腔进行了腔体扩大，并研究了腔体和进气管接口位置对减噪的影响。Sugimoto ， Horioka^[10] 通过在平行位置增加一个共振腔和改变共振腔腔体形状的方法来优化共振消声器。另外，很多汽车厂家在汽车上安装了进气谐振腔。美国康明斯发动机在使用共振式进气消声器后，发动机总体噪声下降了4 dB (A)。此外，日本的铃木汽车公司及本田公司也大量使用了共振式消声器。丰田公司在实施车外降噪过程中，一项重要的举措就是采用进气谐振腔。进气谐振腔的设计应用，改善了汽车发动机的进气噪声网^[11]。

国内的专家学者对复合型消声器的研究成果比较多。2012年12月，Min-chie chiu等^[12]在研究阻性—共振腔消声器的各种影响消声器效果因素时，利用转移矩阵和模拟退火方法对共振腔的腔体位置、数量，阻性消声器进气管的管口直径、管壁穿孔率和穿，孔直径，以及阻性消声器吸声材料的长短等影响因子进行了仿真分析，并得到最佳的内部结构尺寸。2013年11月王海东等^[13]申请了一项阻性-共振复合型消声器的专利，利用1 /4波长管和共振腔来吸收中低频噪声，用阻性材料来吸收高频噪声，制作简单，安装在小型车上可节约成本。中国奇瑞汽车程振峰等于2015年7月申请了一项进气消声器的专利，该实用新型的进气消声器，采用膨胀腔和Helmholtz共振腔组合，既保证在较宽的频率范围内存在较大的消声量，同时利用赫姆霍兹消声器的特性对汽车进气系统的低频率范围内进行消声，可以快速准确地评估进气系统噪声对车内噪声贡献量。2016年1月，高书娜等^[14]对Helmholtz，共振腔进行了改造，他们在一级共振腔上又增加了一个共振腔，叫做串并联复合型共振式消声器，这种方法拓宽了进气消声器的消声频率范围。

为了提高发动机进气噪声的降噪效果，降低噪声带给我们日常生活的危害，必须深入探究赫姆霍兹共振腔的原理、分析发动机进气噪声的传声机制。因此对于基于赫姆霍兹消声器的进气噪声分析和降噪性能研究具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容

本文主要通过了解发动机进气噪声研究的发展现状及消声器应用调研、进气噪声的产生机理及控制措施进行分析说明，以赫姆霍兹消声器为研究对象，分别建立不同共振腔腔体的赫姆霍兹消声器的几何模型及有限元模型、利用LMS Virtual. lab软件进行声学有限元分析，根据仿真结果对比分析不同结构对消声性能的影响，确定最佳消声性能的结构。