反相对冲柴油机排气消声器消声单元声学特性的研究

【摘要】： 排气噪声是柴油机及拖拉机的主要噪声源,且属低频噪声,安装排气消声器是控制排气噪声最直接有效的方法。而传统排气消声器大都由扩张室加穿孔管或穿孔板等组合而成,其排气阻力大,消声性能差,特别是对排气噪声中占主导地位的低频部分消声效果差。消声器的消声量与其排气阻力往往是一对矛盾,因此研究高效节能的新型消声原理具有重要意义。为此,本文针对柴油机排气消声器提出了一种反相对冲的新型消声原理,并对基于该原理的消声单元进行了数学建模和试验验证,研究内容及成果如下： 1)针对柴油机传统消声器低频消声性能差、排气阻力大,即功率损失严重的问题,提出了一种反相对冲消声的新型原理。其消声原理是利用声波反相抵消,来.降低排气噪声中起主导地位的低频成份；利用气流对冲流速降低,从而减小气流再生噪声的原理,降低其它频带下的噪声。由于在结构上没有采取开小孔的穿孔管或板,再加上气流流速降低及气流从入口至出口通流面积均没有减小,因此排气阻力低。 2)建立了反相对冲消声单元的物理模型,并利用声辐射理论,对其声学特性进行了数学建模和分析,推导出了此新型消声单元传递损失的理论模型,建立了其消声性能与消声单元结构参数之间的关系,为基于该原理的新型消声器的设计及优化提供了理论依据。 3)以CG25型单缸柴油机为样机,对样机的排气噪声进行了测试和频谱分析,并利用奇异值分解技术对其进行分解与重构,较准确地确定目标消声频带,并以此为依据,设计试制了三种不同参数的反相对冲消声器。对安装三种新型消声器、5种转速下柴油机排气噪声的总A声级、倍频程声压级及详细频谱进行了测试分析,并与不装消声器及样机原装消声器下的排气噪声进行了比较分析,验证了新型消声单元的消声理论。 试验结果表明：三种新型消声器的插入损失均达到了7dB(A),较原装消声器提高了4 dB(A)。原装消声器仅对高频噪声有消声性能,当频率低于500 Hz时,非但没有消声反而增强,再一次证明了传统消声器在低频消声效果较差的问题。而新型排气消声器低频段消声效果明显,从而证明了新型消声器能有效控制低频噪声的理论。同时还发现新型消声器在全频域都有降噪效果,特别是在500 Hz以内效果更加显著。这不仅证明了新型消声器的低频消声性能,也证明了利用气流对冲能降低气流再生噪声的原理。因为反相消声只能使频率为目标消声频率及其奇数倍谐频的排气噪声反相抵消,而不能在全频域范围内都有消声效果。而对冲对频率没有选择性。对比三种新型消声器的频谱图,证明了新Ⅱ型消声器的消声性能最好,特别是在额定转速下更加明显,与模型的理论分析相吻合,进一步验证了理论的正确性。 4)本文是针对柴油机排气消声器提出的反相对冲消声原理,由于内燃机排气噪声的产生机理都相同,故本文的相关理论和结论可以推广应用至汽油机等其它内燃机上。