汽车消声器设计概述

ti
i
Lp--A声级，dB（A）
LAi --第i个频带的声压级，dB
Li --第i个频带的A计权网络修正值，dB
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A声级的计算
例 ： 某人一天工作 8 小时，其中 4 小时在90dB的噪声下工作， 3
小时在的85dB噪声下工作， 1 小时在80dB噪声下工作，计算等效连续 A 声级。
式中：Lw——声功率级（dB）； W—— 声功率（W）； W0—— 基准声功率，为1012 W。
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声压级和声强级的比较
声压级与声强级数值上近于相等
如果在测量时条件恰好是 : 0c0 400
则 SIL ＝ SPL ；对一般情况，声强级与声压级将相差一个修正项 ， 它通常是比较小的。
消声器的初步设计
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排气管初步设计
为了降低消声器的阻力损失和气流再生噪声， 保证消声器正常工作，必须降低消声器和管道中 的气体流速。对于汽车排气消声器中的气体流动 速度，一般气流速度控制在50-60m/S之间。可根 据发动机排量初步计算确定排气管直径。
D2 Q
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IL
通常讲，消声器容积越大，
35
消声效果越好。排气噪声的大
30
小很大程度上取决于消声器容
25
积。要达到理想的消声效果，
20
消声器容积至少要是发动机气
15
缸体积的10倍至20倍，前置
10
消声器容积达到发动机气缸体
5
积的两倍以上。
0
消声器容积 (升)
消声器容积 = 前置消声
5
15
25
35
45
器容积 + 后置消声器容积
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等响曲线
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A声级的计算
在噪声测量中经常需要由倍频带或1/3倍频带声压级计算 A声级，可用计权网络数据进行声级叠加方法计算：
10 t ( LAi Li ) /10 i
Lp 10 log10 i
消声器设计要素
消声器设计要求
声学特性要求 空气动力学要求 机械和材料要求
成本要求
安装空间限制
消声器的的 传递目的 就是减少声能。
如传递损失、 噪声降低量和插 入损失。
通常用声压级和 频谱进行分析。
消声器两边的 压力差太大，气 流阻力也会增加 ，发动机的功率 就会下降。
通常用排气背 压静压或动压进 行分析
汽车消声器设计
北京绿创环保设备股份有限公司 汽车排气系统设计所 吴帮玉
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声学的基本概念
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目录
1.声 压、声压示例、声压级、声强级、声功率级 2.声压级和声强级的比较 3.自由声场中的声压级 3.室内声场中的声压级和声功率级 4.声音的叠加及分贝的相加、相减 5.计权网络，A、B、C声级及A声级的计算
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声强级、声功率级
声强级 声强级用符号 SIL 表示
SIL
10 log10
I I ref
(dB)
声功率级 :声功率级用符号Lw表示
参考声强 I ref 一般取 10 － 12 W ／ m 2 。这一数值是与考声压 2 × 10 － 5 Pa 相对应的声强 ( 计算时取空气的特性阻抗 400 N ·s ／ m) ，这也是 1kHz 声音 的可听阈声强。
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声压
1.声压:设体积元受声扰动后压强由 P0 改变为Pl ，则由声扰动产生
的逾量压强 ( 简称为逾压 ) 就称为声压。
2.瞬间声压 :在已定时间间隔中最大的瞬间声压值称为峰 值声压或巅值声压。 3.有效声压:在一定时间间隔中，瞬时声压对时间取均方 根值称为有效声压
经验推荐值： 3<L/D<4
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消声器结构设计方法
1. 查找、估算及测量发动机噪声数据（A声级和倍频带声压 级等），并确定辐射噪声的部位和传播噪声的主要途径， 从而选择消声器安装的最佳位置。
2. 根据国家标准和客户要求以及确定的具体指标，确定允许 噪声的标准限值，计算消声器所需要的消声量。
人们在夜间对噪声比较敏感，近年来在等效连续 A 声级的基础上又提 出了昼夜等效 A 声级的概念来评价环境噪声。对于夜里 22 时起到次 日晨 6 时之间的声压级，作了附加 10dB的处理。昼夜等效 A 声级可 以表示为
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消声器质量特性
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Ln
20 log10
pn pref
pn pref 10Ln / 20
n
P p12 p22 ... Pn2 pref
10Ln /10
j 1
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p
pref
L 20 log10 pref 20 log10
n
10Ln /10
j 1
pref
n
20 log10
消声器容积与排气系统插入损失之间的 关系
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消声器容积推荐公式
《柴油机设计手册》介绍的公式：
V
K Vh
it 2n
其中：n-发动机转速；t-冲程数；i-气缸数；vh-单缸排量（L）；k-系数，取1000-5000
美国某公司推荐公式：
V Q n Vh 1000 T N
管径与排气噪声关系
dB(A)
110 105 100
95 90 85 80 75 70
1000
直径D=68mm
直径D=62mm
直径D=56mm
2000
3000
4000
5000
6000
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消声器安装位置初步设计
❖ 消声器安装位置越靠近发动机消声效果越好，但 是通常在发动机附近由於受到空间的限制，很难 安装消声器，所以消声器通常安装得比较靠后。
3. 根据需要的消声量、空气动力性（排气背压）等要求，确 定消声器的类型，设计出符合要求的消声器。
4. 反复试验、验证，进行修改后确定设计方案。
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消声器优化设计
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消声器技术目标
消声量
传递／插入损失 优化设计
压力损失
消声量频谱
选定频率对 应的消声量
)
10 log10 (4
400 0c0
)
11
SPL Lw 20 log10 r 11
在自由声场中，已知10m处的声压级为60dB,求100m处的声压级。40dB
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声音的叠加
60分贝加60分贝只等於63分贝。下面的公式解释声音相加的原理 :即 声压级分别为L1,L2……Ln声音叠加,总声压级L的计算过程
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声压级
1.人的耳朵有一个很“奇怪”的特点、当耳朵接收 到声振动以后，主观上产生的“响度感觉”并不 是正比于强度的绝对值，而是更近于与强度的对 数成正比。以符号 SPL 表示
2.声压级
声压级
SPL 20 log10
pe pref
(dB)
参考声压 p ref 一般取为 2 × 10 － 5 Pa
n-发动机转速；T-冲程；N-气缸数；Vh-发动机排量；Q-系数；取5-6
英国某公司推荐公式：
V Vh n 1/i
n-发动机转速； Vh-发动机排量； i-气缸数
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消声器长径比设计
当消声器容积保持不变时，只改变其内径与长 度，L/D越小，空腔越扁，截面积的扩张比m越大， 最大衰减量也随之增大，但消声频率范围变得很窄。
最差频率对应的 总消声量为 消声量为目标函数 目标函数
选定频率对的 传递／插入损失
倍频程
１／３倍频程
传递／插入损失数据 消声量数据 压力损失数据
优化设计文件
消声器设计与优化流程
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设计实例:某6缸发动机
1. 发动机转速在1500 rpm 时,大约在75 Hz噪声峰值进行优化
排气系统中温度很 高，材料在这样的高 温气体环境中很容易 腐蚀； 消声器都是薄板材 料制造的，在机械振 动和气流冲击下，很 容易辐射噪声； 结构设计(包括材料) 必须满足一定的刚度 和强度要求。
在汽车排气 消声器设计 中，成本的 因素有时是 决定性的。在 消声器设计时 必须加以考虑
要达到良好的消声 效果，消声器的容 积应该越大越好， 但是排气系统能 够安装的空间都非 常有限。所以往往 是在限定的空间内 来设计消声器。
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声压示例
声压大小的典型例子： 人耳对 1kHz 声音的可听阈 ( 即刚刚能觉察到
它存在时的声压 ) 约 2 × 10 － 5 Pa ；微风轻轻 吹动树叶的声音约 2 × 10 － 4 Pa ；在房间中的 高声谈话声〔相距 l m 处 ) 约 0.05Pa ～0.1Pa ； 交响乐演奏声 ( 相距 5m － 10 m 处 ) 约0.3Pa ； 飞机的强力发动机发出的声音 ( 相距 5m 处 ) 约 200Pa 。
L Ln 10 log10 n 70 10 log10 5 77dB
一个人讲话为声压级60dB，一百个人 同时讲话声压级为? 80dB 60dB+70dB=? 60dB+65dB=?
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声压级的叠加(分贝的相减)
例：为测定某车间中一台机器的噪声大小，从声级计上测得声级为104dB, 当机器停止工作，测得背景噪声为100dB，求该机器噪声的实际大 小。解： 设有背景噪声时测得的噪声为LP ，背景噪声为LP1，机器 实际噪声级为LP2由题意可知 LP - LP1 =4dB 从图7-2中可查得ΔLP = 2.2dB,因此该机器的实际噪声声级为： LP2 = LP -ΔLP = 104dB-2.2dB = பைடு நூலகம்01.8dB
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计权网络
计权网络实际上是一种电子滤波线路，是按照等响曲线所表示的人 耳对声音频率的响应而设计的。在声级计中一般都设计了A、B、C三条 计权网络，C计权网络是模拟等响曲线中100phon曲线而设计的。B计权 网络是对应模拟等响曲线中70phon曲线，A计权网络是模拟等响曲线中 40phon曲线而设计的，它对1000Hz以下的声音有较大的衰减。用A计权 网络测量出来的噪声强度，与人耳对噪声的主观感觉比较接近，它也与 人耳听力损伤程度相对应，A声级的单位记作dB（A）或dBA。A声级在 噪声测量和评价中应用最为广泛。
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消声器设计过程
排气系统-初步设计:
汽车排气消声器是一种高温、高速的脉动气流噪声，当发动机工作
排 气 系 统 性 能 指 标 时，气缸内的废气随排气口间断开闭而周期性地喷射到排气管内,它的声
源非常复杂。在系统设计时有如下要素需要考虑：
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自由声场中的声压级
在自由声场中，Lw为声源的声功率级，求距声源r米处的声压级Lp 。
w 4 r2 pe2 0c0
Lw
10 log10
w w0
10
log10
(
4 r 2 pe2 0c0
*
400 p2
ref
)
SPL
20 log10
r
10 log10 (4
400 0c0
排放 噪声 振动 功率损失 可靠性
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排气系统噪声源
发动机
机械噪声
尾管噪声
冲击噪声
辐射噪声
v 尾管空气噪声
v 振动噪声
v 辐射噪声
v 机械噪声
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10Ln /10
j 1
当L1=L2=……=Ln时，上式就简化为：
20 log10 n *10Ln / 20 20 log10 10Ln /20 10 log10 n
Ln 10 log10 n
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声音叠加的例子 70dB+70dB+70dB+70dB+70dB=?
发动机
75Hz
转速与频率 对应关系：
f 2Kn 60T
K:气缸数 n:转速 T:冲程数
❖ 对于二级消声器，通常前置消声器安装位置要求 尽可能靠近发动机排气口。
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消声器容积的初步设计