摘 要

试验测试在消声器的设计中占据了非常重要的地位，而消声器专用试验台架的发展较为缓慢。所以设计一个能够模拟发动机实际工作状况的试验台架是非常有必要的，对于消声器的设计也很有帮助。

本文的目标是设计一个能够模拟汽车排气消声器工作状况的测试台架。通过旋转式风机产生高速气流，通过泄流阀与控制器完成流量的控制；通过旁通管道连接主管路与音响系统，利用音响系统产生模拟噪声；借由加热器对高速气流进行加热；通过阻抗管对消声器的传递损失进行测量，测量方法为两负载法。

本试验台架的设计的具体内容包括：(1)分析设计目的，对台架的整体结构进行设计；(2)对阻抗管的管径，传声器安装距离等参数进行设计，确定试验中需要得到的模拟噪声频率；(3)传声器的选型；(4)声源与主管道连接方式的选择；(5)风机选型、消声措施和控制方式的选择；(6)热源结构设计。

关键词：消声器；实验台架；音响；风机；加热器

Abstract

Experiment plays an important role in the design of muffler, and the development of special test bench for muffler make slow progress. Therefore, it is very necessary to design a test bench which can simulate the actual working condition of the engine, and it is also helpful to the design of muffler.

The goal of this paper is to design a test bench which can simulate the working state of automobile exhaust muffler. This bench is able to product high speed air flow by Vortex Blower, and brings about the control of flow through the discharge valve and the controller; through the bypass pipe connecting the responsible road and sound system, using the sound system to produce simulated noise; heating the high speed air flow by the heater; measuring the transmission loss of the muffler through the impedance tube and measuring method is two load method.

The specific contents of the design of the test bench include:(1) the purpose of analysis and design, the design of the overall structure of the platform;(2) design the diameter of the impedance tube, the installation distance of the microphone, and determine the analog noise frequency needed in the test; (3) the selection of the sound transmission device;(4)the selection of the connection mode between the sound source and the main pipe;(5)selection of fan type, noise elimination measure and control mode;(6) design of heat source structure.

Key Words：test bench；muffler；Blower；acoustic；heater

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 3

第2章 消声器性能评价指标与测量方法 4

2.1 声学性能 4

2.1.1 传递损失 4

2.1.2 插入损失 4

2.1.3 噪声衰减量 5

2.2 空气动力性能 5

2.2.1 压力损失 5

2.2.2 阻力系数 6

2.2.3 功率损失比 6

2.2.4 排气背压差 6

2.3 机械结构性能 6

2.4 传递损失测量方法 7

2.4.1 分解法 7

2.4.2 两声源法 8

2.4.3 两负载法 11

第3章 试验管路设计 12

3.1 台架基本结构 12

3.2 声源布置形式设计 13

3.3 阻抗管设计 14

3.3.1 传声器选型 15

3.3.2 传声器安装方式 16

3.3.3 管道的设计 17

3.3.4 消声处理 19

3.3.5 阻抗管的固定与连接 20

第4章 声源设计 22

4.1 扬声器设计 22

4.2 功率放大器的设计 23

4.3 箱体的设计 24

4.4 声源保护设计 26

第5章 流场系统的设计 28

5.1 需要获得的流动参数 28

5.2 风机选型 29

5.3 流量测试系统 29

5.4 流量控制系统 30

5.5 消声装置设计 31

5.6 流量生成系统 33

5.6 加热系统设计 34

第6章 总结 37

6.1 工作内容总结 37

6.2 研究展望 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

噪声污染已成为影响人们生活的重要问题。噪声对人体健康产生的危害不容小觑。据统计，汽车发动机所产生的排气噪声，现已成为了城市噪声的主要组成部分。所以车辆行驶所带来的噪声也已经成为不容忽视的社会问题。早在20世纪30年代，发达国家就已开始限制汽车噪声，并颁布了相应的法律。由于汽车保有量的增加，我国也在1979年开始，也开始限制汽车的噪声水平。

汽车噪声主要包括动力总成及发动机噪声、底盘系统噪声和整车及车身噪声。动力总成及发动机噪声可分为空气动力噪声与结构振动噪声两大类。其中，发动机噪声中的排气噪声约占总噪声的30%，而且往往数值较大，比发动机整机噪声高出10-15dB（A）。在排气消声器出口前0.5米的噪声甚至高达116-128dB^[1]。因此，为减少汽车整体噪声，对排气噪声进行限制是必不可少的。

消声器可以阻碍管道中的噪声传播，在有气流通过时依旧有效。所以在各种方法中，安装消声器是控制进排气噪声最有效而且也是最简便的途径。目前，消声器设计的主要手段仍然是试验。因此，实验台架在消声器设计中的重要性不容忽视。若使用发动机台架对消声器参数进行测试，则不仅操作不便，过程繁琐，还要面对高昂的试验成本。与此相比，若是设计一种可以模拟汽车发动机排气的气体流动和声学特征的消声器专用试验台架，则可大大提高消声器研究的工作效率。

1.2 国内外研究现状

消声器在各个领域的应用日益广泛，包括但不限于发电、冶炼、纺织、化工、制造等行业。其中，汽车排气消声器的应用是最为常见的，也是与人们的生活关系最密切的。

世界上出现的最早的消声器是无源消声器，根据其消声机理可分为六种主要的类型：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器和特殊型消声器。汽车的排气消声器一般选择抗性消声器。这种消声器通过控制声传播过程中阻抗的改变，产生声能的反射与干涉，从而降低由消声器向外辐射的声能，以达到消声目的。抗性消声器适用于消除中、低频段的噪声，在高温、潮湿、流速较大的工作条件下也能保持较好的性能，因此适用于汽车的排气系统中。

台架试验是消声器设计中不可缺少的一部分。2001年，Desants等人搭建了一种消声器实验装置，该台架利用罗茨鼓风机与稳压箱产生稳定的气流，利用电控阀门调节空气流速，利用热线风速仪测量气流速度。通过模拟实际气流环境，探究了高速流动下的空气对排气系统消声器性能的影响^[2]。2003年，Schumacher等人搭建了汽车内燃机消声器试验台架，通过控制内燃机的工况，来模拟消声器不同的工作状态，由于消声器所处环境与实际工作时基本相同，所以本试验具有相当高的准确性，但由于直接通过发动机产生气流，试验成本较高且难以通过控制变量法对影响消声器性能的参数进行分析^[3]。2005年，Jebasinski等人搭建了两种测量装置，分别研究了消声器在有气流条件下的再生损失与无气流条件下的传递损失^[4]。

国内对于消声器台架的研究也颇为重视，早在上世纪八十年代，就有从业人员着手进行这方面的研究。1991年，蔡超等人搭建了常温下的消声器性能测试试验台，试验台由风机、气罐、音箱、试验消声器和测试器材组成，试验台利用管内测试方法和双传声器随机激励测试技术完成了较为精准的测试，但此台架并没有模拟发动机排气噪声，测试得到的结果精度不足^[5]。1998年，上海交通大学的张猛等人搭建了可以产生脉动气流的声学试验装置，此装置可以模拟发动机排气消声器进出口处的流动条件，用以研究不同脉动频率下，消声器的空气动力性能和声学性能^[6]。2007年，武汉理工大学的邹雄辉提出了新的消声器压力损失测量方案。并利用鼓风机模拟发动机排气气流，对消声器的压力损失进行了测量，验证了这种方案^[7]。2009年，清华大学郑四发等人为研究穿孔管消声器的声学性能，搭建了有流条件下的测试台架来测量多穿孔管消声器的传输损失，并与声学边界元法的仿真结果对比，研究了影响穿孔管消声器声学性能的因素^[8]。2015年，重庆大学的王志伟分别搭建了排气消声器压力损失与传递损失的试验台架；压力损失台架主要由涡轮式气泵、电机、变频器、控制器、皮托管、消声器组成，用来研究在高速气流作用下的消声器的空气动力性能;传递损失台架使用了Bamp;K声学材料测试系统，用来研究常温下消声器的声学性能^[9]。同年华南理工大学的林光典通过GT-Power搭建了发动机与排气系统的耦合模型，用以测量不同工况下，发动机的排气压力、噪声频谱、排气温度等参数，并搭建了发动机与排气消声器的性能测试平台，通过理论值与试验值对照，确定了模型的准确性^[10]。

1.3 课题研究内容

本次设计的主要内容是研究可以模拟发动机排气的气体流动和声学特征的试验台架。该台架需要完成以下任务：

(1)模拟发动机排气气流的温度

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