摘 要

在如今这个科技创新作为第一生产力的社会，不管是为了改善汽车品质，提高市场竞争力，还是为了保护环境，促进人类健康，通过对消声器的改进设计去降低排气噪声都是一个极具价值的课题。本文以某款排气消声器的改进设计为课题，通过对选取的消声器进行仿真计算，并研究分析影响其消声性能的结构因素，最终提出了相应的改进设计方案去降低排气噪声。具体内容如下：

首先，利用仿真软件GT-power中的模型板块GEM3D对选取的消声器结构进行三维仿真建模，再通过离散化方法和仿真环境GT-ISE分析计算出原消声器的传递损失，以传递损失作为消声器性能评价标准。其次，通过查阅文献资料，分析研究对传递损失有影响的结构因素，再通过对实验进行计算验证，得出对消声器传递损失影响的结构参数。然后，基于以上实验，对多个优化结构参数进行综合分析，提出具体的改进设计方案。最后，对改进后的排气消声器性能进行验证，试验结果表明，该排气消声器经过结构改进后，其消声量提高了2.43dB，即改进方案合理。

这次对选取的消声器进行的改进设计不仅提出一种消声器结构优化方案，还加强了我们将理论运用于实践的能力，为以后工作或进一步的的学习奠定基础。

关键词：消声器；仿真建模；结构参数；传递损失

Abstract

In today’s society, the technological innovation is a primary productive force, whether it is to improve the quality of automobiles, increase market competitiveness, or to protect the environment and promote human health, it is of great value subject to reduce exhaust noise by improving the design of mufflers. This article takes the improvement design of an exhaust muffler as an issue, simulates the selected muffler, and studies and analyzes the structural factors that affect its noise attenuation performance, and finally proposes a corresponding improved design scheme to reduce the exhaust noise. The details are as follows:

Firstly, the three-dimension simulation modeling of the selected muffler structure is performed using the model plate GEM3D in the simulation software GT-power. Then the transmission loss of the original muffler is calculated by the discretization method and the simulation environment GT-ISE analysis. The transmission loss is used as the performance evaluation standard of the muffler. Secondly, by consulting the literature, the structural factors that affect the transmission loss are analyzed and researched,and then the structural parameters that affect the transmission loss of the muffler are obtained through calculation and verification of the experiment. Then, based on the above experiments, a comprehensive analysis of multiple optimization structural parameters was conducted and a specific improvement design proposal was proposed. Finally, the performance of the improved exhaust muffler is verified. The experimental results show that after the exhaust muffler has been improved in structure,the muffler volume is increased by 2.43 dB, which means that the improved scheme is reasonable.

The improved design of the selected muffler not only presents a structural optimization plan for the muffler, but also strengthens our ability to apply the theory to practice, laying the foundation for future work or further learning.

Key Words: Suspension; Handling Stability; Kinematic Analysis; Strength

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外消声器研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3本文研究主要内容、目的、方案 3

1.3.1研究的内容 3

1.3.2研究的目标 4

1.3.3拟采用的方案 4

第2章 排气消声器基本理论 5

2.1排气噪声发生机理与特性 5

2.1.1气柱共振噪声 5

2.1.2基频排气噪声 5

2.1.3排气歧管噪声 6

2.1.4其他组成部分 6

2.2 消声器类型 6

2.2.1抗性消声器 6

2.1.2阻性消声器 7

2.2.3 阻抗复合式消声器 7

2.3消声器性能评价指标 7

2.3.1声学性能指标 7

2.3.2空气动力性能指标 8

2.3.3机械性能指标 9

2.4本章小结 9

第3章 原消声器的性能仿真分析 10

3.1消声器的选取和基本尺寸 10

3.2性能评价指标的选择 10

3.3仿真软件的选取 11

3.4三维建模及仿真计算 11

3.4.1三维模型的建立 11

3.4.3传递损失模型的建立 14

3.4.4结果计算和分析 17

3.5本章小结 18

第4章消声器传递损失影响因素分析 19

4.1穿孔扩张管结构对传递损失的影响分析 19

4.1.1管道直径对传递损失的影响 19

4.1.2穿孔半径对传递损失的影响 20

4.2穿孔板结构对传递损失的影响分析 21

4.2.1穿孔板的穿孔率对传递损失的影响分析 21

4.2.2穿孔板的位置对传递损失的影响分析 22

4.3本章小结 23

第5章 消声器的的改进和验证 25

5.1消声器的改进 25

5.2性能验证 25

5.3本章小结 26

第6章 总结与展望 27

6.1本文总结 27

6.2展望 27

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

在过去的几十年里，随着科技的不断创新，人类生活水平开始稳步提高。然而，以对环境的过度破坏为代价，追求工业化的高速发展造成的隐患也凸显出来，环境污染日益严重。其中，噪声污染作为与水污染，大气污染并列的世界三大污染之一^[1],它虽然不像其他污染一样能够用眼睛观察到，但噪声对人的肉体和精神有着严重的双重危害，且它对人们精神层面的危害远大于其他污染。在生理上，噪声会直接作用于耳朵，破坏其中的听觉中枢神经，致使人耳失聪；除此之外，研究人员还发现，五官并非“各自为政”，其中耳朵与眼睛之间有着微妙的内在“联系”^[2]，当噪音对人耳造成危害时，还会通过神经元之间的联络对我们的眼睛产生影响，轻则削弱视力，重则致使失明。从心理上来说，噪音首先会严重影响休息，使我们难以入眠；其次，在思考问题时也会出现神游太虚，精神不专注，甚至健忘等心理症状，进而导致心情烦躁不安情绪不稳定，甚至容忍能力减退，脾气暴躁；最终导致一系列疾病，如高血压，溃疡和糖尿病。心理学把这种情况称为心身疾病，意思是心理因素引起的身体疾病。专家医生还强调，如果长期处于高噪声的坏境中，引发心身疾病的概率将大大增加，并且涉及到心理方面的疾病，寻常物理药物都难以治疗，一般需要花费很长时间去开导调节，这将给人们的日常生活和工作带来很多麻烦。

据有关资料统计，在城市环境中，车辆噪声是最强烈、影响最大的污染源，而在车辆噪声中，排气噪声又是最大的噪声源，比其他噪声要高10～15dB(A)^[3]。因此，我们可以从降低排气噪声方面出发去减小城市污染，尽可能保护我们的居住环境。

一般来说，降低汽车的排气噪声分为主动和被动两种途径。主动途径是从根源出发，寻找噪声的来源及产生原因，从而阻止噪声的产生，不过由于汽车本身结构及工作冲击等多方面的原因，排气噪声的产生难以避免。被动途径则是阻碍噪声的传播或防止噪声进入人耳。通常情况下，我们选择在排气系统中安装排气消声器，它是一种阻碍排气噪声传播且对发动机工作影响不大的降噪装置^[4]。一个与发动机耦合合适的消声器，可以使排气噪声声压级降低20～40dB，相应响度降低75％～93％^[5]。因此，它被广泛应用于控制汽车排气噪声系统中。

近年来，虽然各国已给与噪声污染高度重视，不断出台和修订汽车噪声标准与法规，使得车辆的噪声限值越来越低，以尽量减少对人们居住环境的影响，汽车噪声法规也确实对减少交通噪声指标的发展起到了越来越有效的作用。然而，与国外发达国家相比，中国的汽车噪声法规起步较晚，进展缓慢，且我国是人口大国，对家用私车的需求也是日益增大。为了降低排气噪声对人们生活的危害，消声器的改进设计成为了一个极具价值和吸引力的课题。

1.2国内外消声器研究现状

汽车排气消声器是由各种最基本的消声单元和吸声材料构成，常见的如扩张腔、内插管、壳体、玻璃棉等^[6]。为了改进消声器的设计，国内外学者都做了大量研究工作，不断在前人的基础上进行完善和创新。目前，消声器的研究方法主要包括使用软件三维仿真技术和实验检测验证技术，两者相互结合的方式越来越普及。

1.2.1国外研究现状

2013年，G. Montenegro等人^[7]应用集成的一维-多维和准三维方法来预测了压力波可以显着非平面的反应和耗散混合器的传输损耗，指出高阶模式对声学性能的影响，并通过预测的结果与实验测量结果的对比实验验证了正确捕获中高频多维波浪效应以及高振幅扰动和平均流动效应的重要性。

2015年，Adrien Mann等人^[8]运用LBM软件对消声器建立内部流体仿真模拟，基础排气噪声产生机理的分析结果，对消声器内部结构进行了改进优化。同年，Xiang Yu^[9]等人提出了消声器设计的子腔优化，与全局优化相比，所提出的具有子室优化的设计方案大大降低了设计变量和计算成本，因此在消音器设计中提供了更宽的范围。

2016年，Prasad V.Shinde^[10]等人提出可以将消声器的三维时域CFD方法的数值分析的新理论运用在在消声器的设计中，这对于新的研究工作也是优选的。除此之外，Esubalewe Lakie Yedeg^[11]等人开发了一种使用各向异性设计滤波器与细网格相结合的方法，以分别控制不同方向的最小厚度。一个两阶段的后处理程序是用来控制开口谐振器，和嵌入式薄阻抗表面的砂浆元建模。数值计算结果表明，该方法适用于在很宽的频率范围内传输损耗高的消声器，特别是针对抗性消声器的内部设计。

1.2.2国内研究现状

与国外的发展水平相比，消声器在中国的研究起步较晚，尤其是在流量领域和消声器的动态特性。直到1979年第一部机动车标准颁布执行后^[12],我国科研学家才正式开始涉及噪声领域的研究。即使是在关键科学技术缺乏和时间紧凑的简陋条件下，我国科研专家凭借着不懈努力和艰苦创新的精神仍取得了消声器多方面改进设计的突破性成果。

2015年，天津大学张俊红等人^[13]通过采用数理统计学中的DOE对消声器参数进行几何分析，辨识出其中的关键参数进行单目标和多目标优化对比实验。对比实验表明：两者各有优势，多目标优化可以使整个频率带的整体优化效果更好，单目标优化可以使特定峰值频率下的传输损失达到最大值。这不仅提高了消声器的优化设计效率，还提供选择优化目标数量的新思路。

2016年，浙江工业大学王志刚等人^[14]针对某内燃叉车最高转速排气噪声过大的问题，首先利用仿真软件FLUENT将排气消声器内部流场划分为湍流网格，再建立湍流网格与声学网格的耦合关系。然后进行仿真分析，得出排气消声器在流场和温度场作用下的传输损失曲线。最后，根据对传递损失的曲线分析对消声器进行优化和验证。结果表明，以上研究的改进方法有效，可以降低内燃机叉车最高转速下的排气噪声。

除此之外，张利，张晋源，林胜^[15-17]其他人先后使用有着“虚拟引擎”之称^[18]的GT-Power软件对汽车排气消声器进行仿真分析，为汽车消声器的优化设计提供了参考。

以上的研究使我国在消声器设计方面得到了长足的进步，减小了我国在消声器应用领域同国外的差距。但是技术知识的累积不是一蹴而就的，需要更多热爱科学的年轻人不断地投入到消声器的创新设计中。

1.3本文研究主要内容、目的、方案

1.3.1研究的内容

首先，设计前先了解消声器的各基本结构和工作原理，以及消声器在汽车上的应用现状。然后，再以此为依据，进行某一款消声器的设计和改进。本文具体内容如下：

1. 掌握消声器的基础理论知识，如噪声的发生机理与特性、消声器的类型以及消声器的性能评价指标等；
2. 选取某一款常见的汽车排气消声器，作为研究和设计改进的对象，选取一个消声器性能评价指标作为改进指标；
3. 了解该消声器的结构和基本尺寸，利用GT-Power建立原消声器的数字模型进行仿真分析；
4. 分析其结构参数(穿孔扩张管直径、穿孔半径、穿孔板穿孔率及其位置）等对其评价指标的影响，并了解对该指标影响较大的结构参数；
5. 在以上仿真分析的基础上，对消声器内部结构进行调整，提出改进方案；
6. 运用GT-Power对改进后的消声器进行声学性能的仿真分析计算，并进行对比，验证其改进效果。

1.3.2研究的目标

通过此次毕业设计课题，期望达成以下目标：

1. 了解消声器的不同基本单元,理解消声器的基本理论，掌握车用消声器改进设计的基本过程；
2. 学会使用UG,CATIA等三维软件建模和利用GT-power，FLUENT及Virtual. Lab进行仿真分析；
3. 开阔眼界，关注时事，即使了解国内外消声器最新的研究现状；
4. 利完成毕业设计，全面认知自己，将理论运用于实践，为以后工作或进一步的的学习奠定基础。

1.3.3拟采用的方案

本次毕业设计课题研究方案具体如下：

（1）查阅资料，借鉴前人经验确立自己的改进设计思路，以消声器的结构参数为变量，以选取的改进指标为因变量；

（2）利用GT-Power对原消声器进行仿真计算，分析其有待改进之处；

（3）保持其他结构参数一定，改变某一结构参数，分析改进指标的变化规律，通过这样逐步的仿真对比实验，确立消声器结构参数与改进指标之间的函数关系以及最佳的结构参数值；

（4）选出与之有明显关系的结构参数及其最佳值进行综合分析，确立具体的优化方案进行原消声器改进设计与验证。

第2章 排气消声器基本理论

2.1排气噪声发生机理与特性

众所周知，消声器的作用在于可以降低噪声，常用于整车中。因此，我们可以追根溯源，去了解噪声的发生机理和与特性，以便对消声器性能进行针对性设计，使改进的消声器的消声频率集中在噪声频率段。其中，常见的排气噪声有如下几种：

2.1.1气柱共振噪声

在发动机气缸周期性正常工作时，排气门打开，燃烧的废气延排气管排出，排气门关闭，由于失去气缸与排气管的压力差，部分气流会滞留在气管内，下一次排气门打开时，在新产生的燃烧废气的冲击下，滞留的气流柱相互之间发生共振，就会产生中低频噪声，这种噪声就称为气柱共振噪声。气柱共振频率为：

(2-1)

(2-2)

式中：c―声速，单位m/s ；

l,S―排气管的长度和横截面积，单位m,m²；

V―气缸容积m³。

2.1.2基频排气噪声

当发动机活塞周期性正常做功时，混合燃烧后的废气会在第四个行程排气门开启时排出，不过由于工作时的气缸内温度较高，压力较大，P_b约为3～4×10⁵P_a，是排气管内压力的两倍以上，超出了气流的临界压力比值（约为1.9），它就会以该处声速(一般可达550～700m/s)喷入排气管内，对已排除出的气体产生强力冲击，致使压力产生剧变而形成压力波，从而激发出低频噪声^[19]，这种噪声就称为基频排气噪声。基频排气噪声频率为：

（k=1,2.3) (2-3)

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