消音器优化设计

二、消音器优化设计

基于以上的讨论结果，为了降低气流噪声，选择最佳的消音器构造及相关参数，以达到最佳的消声效果，下面加以详细阐述。

●单纯膨胀型消音器：空腔越长越有利，如果短了，气流会与镜面发生冲击，此时锥形镜面比平面镜面有利。

●插入型消音器：插入长度增加会使气流噪声恶化，但会降低脉冲噪声。

●带喇叭口的插入型消音器：喇叭口直径增大时降噪效果好，气流的主流线平顺。

●多孔插入型消音器：小孔对降噪有效，小孔的直径越小越好。

●多孔贯通型消音器：因小孔而产生口哨声，孔径缩小会使口哨声的频率提高。

基于以上分析结果，以减小背压和增加消声效果为目的，进行多变量优化分析，开展消音器的优化设计。

图19-39为优化消音器内部构造的分析规划。每一步的实施项目和内容概要如下所示。

1.分析准备

选择消音器内部构造的具体位置作为优化目标，并收集数据。

2.多变量分析

以消音器的消声量和背压为目标函数，根据回归分析法进行求解，并据此决定能达成目标的最终构造、方案。

3.验证

根据回归分析所求得的最佳化消音器，在台架上测试其消声量，将测试结果反映到最终的方案设计上，并通过实车测试加以验证。图19-40为以降低气流噪声为目的的消音器内部结构设计。

图19-39 分析规划图

图19-40 降低气流噪声的消音器内部结构设计

着眼于气流噪声的产生原因，图19-41中选定了

7个设计参数。

X₁：出口管小孔直径

X₂：出口管小孔的开口率

X₃：内管小孔直径

X₄：内管的开口率

X₅：内管长度

X₆：第一室小孔位置

X₇：内管数目

最终的讨论结果如图19-42所示。

图19-41 消音器内部构造

图19-42 最优化消音器及预测值

如前所述，根据对统计结果的处理，基于各参数影响程度的实测数据，得到噪声级别和背压的实验公式。按照预测公式求得的消音器内部构造最佳方案制作试验样件，并进行台架试验，基本上达到了预期的消声量和背压目标，而这也证明了统计处理方法的有效性。

图19-43 排气温度对气流噪声的影响

图19-44 气流噪声频谱

接下来，介绍一个大型车的实车消音器测试实验。在实车上进行排气系统的噪声试验，可以同时考核包含排气脉冲、气流噪声以及温度的影响。在实车测试排气系统噪声时，需要克服的困难是排气温度变化的影响。图19-43为气流噪声与温度的关系。此时的气流噪声及放射噪声频谱如图19-44所示。气流噪声会随着温度的上升而增大，这是由于温度升高时排气流量增加而造成的。另外，温度上升时放射噪声呈现出下降的趋势，如图19-45、图19-46所示。

图19-45 前消音器放射噪声频谱

图19-46 主消音器放射噪声频谱

其次，介绍一下用排气系统试制样件所进行的试验结果。图19-47为试制样件的诸参数与气流噪声减衰量、背压的关系。

图19-47 气流噪声减衰量和背压的关系

表19-2中显示的是具有代表性的模型，针对降噪目标值的方案布置。模型Ⅰ为基准，容积为33.2L（试验用发动机排量的2.33倍），模型Ⅱ的消音器容积为61.5L，为基准的2倍，模型Ⅳ的容积为基准的3.7倍。

为了达到-8dB（A）的降噪目标，试验结果显示当容积为基准模型的2.7倍时效果最佳。

通过以上分析，降低排气系统气流噪声的对策，总结如下：

1）不使用消音器时的排气噪声频谱与白噪声非常接近，是全频范围内减衰效果理想的消音器构造。但是，在有限的空间内难以实现，在高频时有较好减衰效果的多孔分散型，或者在低频时效果好的扩张型，由这两者组合使用能达到更好的效果，而组合后的不足之处可以由共鸣型消音器补充。

2）关于气流噪声，要极力避免容易发生的因素，在采用扩张型消音器时，最好能采用出口端带喇叭口的插入管。采用多孔分散型消音器时，与隔离板的有无无关，要尽可能布置在消音器的前段。

表19-2 排气系统代表模型的性能

3）排气系统噪声中由其外壁向外放射的噪声所占的比例很大。排气气流的脉动对该放射噪声的影响显著，设置前消音器对降低该噪声非常有效。作为解决放射噪声的对策，包括阻断发动机振动向排气系统的传递以及隔音材料的应用，都在实际中证明是有效的，但是需要同时考虑零部件的耐久性、成本等。

4）对于排气背压，同消音器部分的压力损失相比，排气管部分所占的比例更大，增大排气管的直径、确保弯曲部位的曲率半径，是排气系统设计时需要考虑的重点。