维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年第３期 移动电源与车辆 ３ 柴油机排气噪声频率和抗性消声器结构的分析 容江峰，魏存海 （兰州电源车辆研究所，甘肃兰州７３００５０） 摘要：通过分析柴油机排气噪声频率，结合消声器的消声原理和低噪声电站的特 点，找出抗性消声器设计参数的选择方法。 作者简介：容江峰 关键词：柴油机；排气；噪声；消声器；分析 （１９７２一），男，甘肃 中图分类号：ＴＭ６１１，２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－４２５０（２００５）０３－０００３－０４ 渭源县人，工程师， 从事移动电站的研 究、设计工作。 １前言 密度是０．２９３１ｋｇ／ｍ 。从烃的燃烧反应式可以看 出，烃燃烧后生成的ＣＯ 、Ｈ ０的摩尔比基本相等。 消声器作为低噪声电站中主要的消声元件，长 在一个标准大气压，７００Ｋ时ＣＯ 、水蒸汽（Ｈ ０），等 期以来受到普遍的关注，在实际的工程设计中一直 摩尔数混合后的混合气密度是０．５２１０ｋｇ／ｍ ；加之 追求消声量大、压力损失小的消声器结构设计。关 废气中还有一定量的空气，故我们认为柴油机排出 于消声器的设计方法和参数选择，有不少的论著进 的废气的密度与同条件下空气的密度０．４９７５ｋｇ／ｍ 行了讨论，但缺少对柴油机电站用消声器针对性的 比较接近，所以，在计算废气中的声速时以空气的气 论述。为此，我们通过分析柴油机排气噪声频率，结 体参数代替柴油机废气的气体参数。 合消声器的消声原理和低噪声电站的特点，对在电 流体力学声速计算公式为ｃ＝／ＫＲＴ，其中：Ｋ 站中应用最广的抗性消声器结构进行分析，提出消 为等熵指数，Ｒ为气体常数。将空气的Ｋ＝１．４、Ｒ＝ 声器设计参数的选择方法，以其对今后的设计工作 有指导性。 ２８６Ｎ．ｍ／ｋｇ代人得ｃ＝２０ 。柴油机废气的温度 般在７００—９００Ｋ。另外，随着现代环保的要求，对 ２声速 柴油机燃烧和排气温度进行控制，使其不能太高以 柴油机废气中的声速是一个非常重要的参数， 降低废气中ＮＯ 的含量。因此，在计算中取温度值 通过它可以估算出柴油机废气中的各种噪声峰值的 为７００Ｋ，ｃ＝５２９ｍ／ｓ，这一数值与柴油机在实验中测 频率，以及估算出消声器的消声量大小。也就是说， 得的ｃ＝５００ｍ／ｓ（７００Ｋ时）比较吻合。 如果没有声速，我们对排气噪声频率的认识是不全 ３排气噪声频率分析 面的；也无法预知消声器的消声量，对设计的改进将 是一个障碍。 我们在此讨论的柴油机排气噪声包括两方面的 柴油机排出的废气主要由燃烧产物（ＣＯ 、水蒸 噪声：一是指废气在排气道中流动产生的噪声；二是 汽）和过剩空气组成，另外，还有一些有害物质 燃烧产生的冲击波形成的噪声沿排气道的辐射。在 （ＮＯ 、ＨＣ、ＣＯ、ＳＯ 、微粒），在废气中有害物质所占 低噪声电站中柴油机的废气排气系统直接与外界相 的比例是很小的，大约每种有害物质是０．１５％一 接，燃烧噪声通过排气道向外界的辐射很厉害，而且 ０．２％的含量，所有有害物质所占总量不超过１％。 有我们人耳所敏感的高频噪声，所以，在柴油机的排 因此，在废气中ＣＯ 、水蒸汽（Ｈ ０）、Ｎ：、０ 将占有很 气噪声中必须考虑燃烧噪声。 大的比例。与空气相比较废气中的ＣＯ 、水蒸汽 ３．１燃烧噪声 （Ｈ ０）的含量偏高。在一个标准大气压下，７００Ｋ温 经试验证明，柴油机燃烧噪声主要有两个峰值： 度时，ＣＯ 的密度是０．７５６４ｋｇ／ｍ ，水蒸汽（Ｈ ０）的 个是在柴油机爆发频率ｆｈ处出现；另一个是在燃 收稿日期：２００４４３９－０７ 维普资讯 http://www.cqvip.com ４ Ｍｏｖａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＆ Ｖｃｈｉｃｌｅ ＮＯ．３ ２００５ 烧过程中，火焰传播造成的冲击波遇到燃烧室便进 行多次反射，形成的高频噪声，其频率记作ｆ 。两 个峰值频率计算公式如下： Ｚ——排气管长度，ｍ； 气缸工作容积，ｍ 。 以ｌ＿￣ｍｂａｒｄｉｎｉ生产的９ＬＤ６２５－２型柴油机为例， （１） 可计算出柴油机在３ ０００ｒ／ｍｉｎ时，ｆ ，＝２５Ｈｚ、ｆｂ２＝ ７６８Ｈｚ、ｆｓ＝４６２Ｈｚ、ｆＮ＝１９Ｈｚ。可以看出，柴油机废 ／ ＝ Ｊ¨ （２） 气排气噪声呈明显的低频特性。 综合燃烧噪声和废气排气噪声来看，柴油机排 式中 ——柴油机的转速，单位ｒ／ｍｉｎ； 气口传出的噪声呈明显的低频特性，换句话说，也就 ｉ——气缸数； ７－——冲程系数，四冲程，丁＝２，二冲程，丁＝１； ／／ ——冲击波传播速度，单位ｍ／ｓ，取ｖ ＝ （１．１～１．１５）Ｃ； ｄ——气缸直径，单位ｍ。 从中可以看出，随着柴油机排气温度的变化，引 起冲击波速度的变化，使ｆ 呈现宽频带的频谱。以 ｌ＿￣ｍｂａｒｄｉｎｉ生产的９ＬＤ６２５—２型柴油机为例，可计算 出柴油机在３ ０００ ｒ／ｍｉｎ时ｆｈ＝５０Ｈｚ，ｆ ｂ在３１４６Ｈｚ 附近。 ３．２废气排气噪声 柴油机废气排气噪声的频谱主要包含四种频率 成分：以每秒钟排气次数为基频的排气噪声，频率记 作ｆ 。；排气管内气柱共振的噪声，频率记作ｆｂ２；排气 歧管处的气流吹气声，频率记作ｆｓ；还有亥姆霍兹共 振声，频率记作ｆｎ，亥姆霍兹共振声在单缸、双缸和 三缸机上最为突出。四种频率的计算公式如下： ／７，Ｚｅ Ｊ ｂｌ一６０ｆ （３） ／－ Ｃ ，６２ （４） ／＝＝ｓ １／ａ （５） （６） 式中１７，——柴油机的转速，单位ｒ／ｍｉｎ； 气缸数： ７－——冲程系数，四冲程，丁＝２，二冲程，丁＝１； Ｃ——废气中的声速，ｍ／ｓ； Ｚ——排气管道长度，ｍ； ａ——系数，对于两端开口，ａ＝２，对于一端 开口，ａ＝４； ／／ ——废气流经排气歧管口的流速，ｍ／ｓ； ｒ ——排气管半径，ｍ； Ｓ，——斯特劳哈尔数，在０．１４～０．２０之问， 般取Ｓ ＝０．１８５； Ｓ——排气管截面积，ｍ ； 是８００Ｈｚ以下的频率在排气口的噪声中占有很大 的比例，但对小功率的柴油机，３ ０００Ｈｚ左右的高频 噪声需要特别的关注，因为，小功率的低噪声电站在 追求体积小的情况下，使得消声器进气端的排烟管 长度很小，高频噪声的衰减不明显，直接进人消声 器。 ４消声器结构分析 消声器主要分为两大类：阻性消声器和抗性消 声器，阻性消声器对中、高频噪声的消除比较明显； 抗性消声器对中、低频噪声的消除有优势，适用高流 速、高温度的柴油机排烟系统，体积相对阻性消声器 要小，因此，在低噪声电站上广为应用。 抗性消声器在结构上有扩张式和共振式两种， 在实际的应用中我们采用扩张式串联共振式的结构 形式，来满足柴油机排气噪声的频谱特性。 ４．１扩张式消声结构 我们在此只讨论最基本的单节扩张式结构，其 消声量△Ｌ计算公式如下： ＡＬ＝ｌ０ 【ｌ＋＋ｔ ｍ． ｋ１］ （７） 式中 ｍ——扩张比，１ＴＩ＝Ｓ ／Ｓ。，Ｓ 为扩张式截面 积，Ｓ 为导管截面积； ｋ——波数，ｋ＝２￣ｒｆ／ｅ，ｆ是噪声的频率，ｃ是 废气中的声速； Ｚ——扩张式的长度，１ＴＩ。 一 司 瑚ｉ 韫 ≥ ０ 频率Ｈｚ 图１单节消声频率特性曲线 可以看出消声量△Ｌ随ｋｌ作周期性的变化，其 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年第３期 移动电源与车辆 ５ 消声频率特性曲线如图１所示，当ｋｌ＝（２ｎ＋１）７ｒ／２ 时（ｎ＝０，１，２…），ｓｉｎ ｋｌ＝１，消声量△Ｌ达到最大， 示。设两扩张式的长度为ｌ 和ｌ：，联立式（８），（９） 可解得，ｌ ／１：＝１＋１／２ｎ（ｎ＝１，２…），在实际设计中 为了方便我们可取ｎ＝１时的ｌ ／１：＝１．５或ｎ＝２时 的ｌ ／１：＝１．２５。这只是确定两扩张式的长度比例 这时频率称为最大消声频率，记作ｆｍａ ；当ｋｌ＝ｎ订时 （ｎ＝１，２…），ｓｉｎ ｋｌ＝０，消声量△Ｌ为零，这时频率 称为通过频率，记作ｆⅢ 两频率计算公式如下： 关系，在实际中为了使低频噪声的衰减更好，可使扩 张式的长度从进气端开始递减。同样可以看出在消 声器的设计中，采用两个扩张式就可以了，再多的扩 （２ｎ＋１）７。ｉ－（ｎ＝０，１，２…） （８） 厂ｍ ＝ｎ者（ｎ＝１，２…） （９） 对于柴油机的排气噪声从十几赫兹到三千多赫 兹来说，在采用单扩张式时总有一些频率会无衰减 的通过。因此，必须改善扩张式的消声性能，使消声 器没有通过频率，通常我们采用两种方法来改善消 声的消声特性：一种是内接管形式；另一种是采用多 节扩张式串联的形式。 一 日 嘲 ｝田Ｌ 涎 Ｏ 频率Ｈｚ 图２ 内接管消声特性曲线 在扩张式的进气端和排气端分别插人规定尺寸 的内接管后，基本上消除了通过频率，这可使消声器 在较宽广的频域内，消声量曲线比较平坦如图２中 虚线所示。这种结构之所以能消除通过频率，是因 为在扩张式内插人管长１／２时，可消除式（９）中ｒｌ 为奇数的通过频率；插入管长１／４时，可消除式（９） 中ｎ为偶数的通过频率。 一 司 嘲 ｝田Ｌ 涎 Ｏ 频率Ｈｚ 图３多节消声特性曲线 采用多节扩张式串联的形式主要使各节扩张式 的通过频率相互措开，最好使一节的通过频率为另 节的最大消声频率，消声频率特性曲线如图３所 张式只使消声量曲线变得更平坦，不会使消声器的 最大消声量提高太多，反而使消声器的功率损失加 扩张式抗性消声器有一个工作频率范围，在消 声器设计时要特别注意，设计的消声器，其工作频率 要能包含计算出的各排气噪声峰值频率或测得的各 噪声频率峰值。消声器工作频率上下限频率计算公 式如下： 厂上＝１．２２ （１０） √亩 （１１） 式中 ——扩张式的体积，ｍ ； Ｄ——当量直径，ｍ； ｆ——扩张式的长度，ｍ； Ｓ——进出端连接管的截面面积，ｍ ； ｃ——废气中的声速，ｍ／ｓ。 消声器的扩张式体积Ｖｍ与柴油机的排量Ｖｎ 的比值Ｒｖ是消声器结构的重要参数，一般取Ｒｖ＝ ３．５～１０。知道了Ｖｍ，结合上下限频率我们就能计 算出不同排量柴油机所要配的消声器的尺寸大小。 Ｖｍ也可由Ｄ．Ｔｈｏｍａｓ推荐的估算公式计算： ： ！： （１２） 。 １０００，／ｉ·ｚ 式中Ｑ——消声要求的因子常数； Ｑ＝２，用于最低限度消声要求； ｐ＝３，用于好的消声要求； Ｑ＝４，用于高标准消声要求； Ｑ＝５或６，用于汽车消声器； 柴油机转速； ｉ——谐波次数，一般去１，２，３； ｚ——柴油机气缸数。 ４．２共振消声器结构 共振消声是作为扩张消声的补充结构，主要是 对排气噪声中的高频噪声进行消除，在结构作为消 声器的最后一节。它具有很强的频率选择性，即只 有在以共振频率为中心的一定宽度频率范围内起有 维普资讯 http://www.cqvip.com ６ Ｍｏｖａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＆ Ｖｃｈｉｃｌｅ Ｎｏ．３ ２０ｏ５ 效消声作用。在设计时，我们使消声器的共振频率 与排气高频频率基本相同，而且消声频带要比较宽。 ５结束语 在低噪声电站的设计之初或方案论证阶段，尤 共振频率ｆ０计算公式如下： ｆｏ＝ 其中式中Ｇ 或 ： （１３） 其是在柴油机的选型阶段，结合电站的总体布置，根 据以上的方法可以估算出所设计消声器的消声量是 否满足电站噪声指标的要求，使得对低噪声电站的 ｃ——废气中的声速，ｍ／ｓ； 前期计算工作更加充分；同样根据以上的方法我们 可在设计验证阶段对消声器的结构进行有目的、有 Ｇ——传导率，ｍ； 预期的改进。当然对特定柴油机来说，一个消声性 共振腔内体积，ｍ ； 能好、功率损失小的消声器设计，最好的方法是先进 Ｐ——内管穿孑Ｌ率％； 行柴油机排气噪声的频谱分析，但这样一来会大大 Ｄ——共振腔深度，ｍ； 地加大产品设计的成本，有时甚至会变成不可能的 ｎ——小孑Ｌ数量； 事情。这种从理论分析开始的方法，虽然不能很准 ｄ——小孑Ｌ直径，ｍ； 确地描述出柴油机废气排气的噪声，以及设计出十 ｔ——穿孔板有效厚度，ｔ＝ｔ。＋０．８ｄ。 分匹配的消声器，但在减少设计成本、缩短设计周 共振消声器的消声量可用以下两个公式分别估 期、指导设计改进等方面有积极的作用。 算出１倍频程频带消声量△Ｌ 和１／３倍频程频带消 参考文献： 声量△【１： ［１］宫镇．拖拉机噪声［Ｚ］．机械工业出版社，１９８８． ［２］ 盛敬超．工程流体力学［Ｚ］．机械工业出版社，１９８８． ＡＬ１＝ｌＯｌｇ（１＋２ｋ ） （１４） ［３］ 吕玉恒，王庭佛．噪声与振动控制设备及材料选用手 ＡＬ３＝ｌＯｌｇ（１＋１９ｋ ） （１５） 册（Ｍ］．机械工业出版社，１９９９． ［４］ 马大猷，噪声与振动控制工程手册［Ｍ］．机械工业出 其中ｊｃ＝ ２Ｓ 版社，２００２． 式中Ｓ——共振消声器的通道截面面积，ｍ ； ［５］郑长聚．环境工程手册——环境噪声控制卷［Ｍ］．北 共振腔内体积，ｍ ； 京：高等教育出版社，２０００． Ｋ值的大小决定了共振消声频带的宽窄，Ｋ值 ［６］董敬，庄志．汽车拖拉机发动机［Ｚ］．机械工业出版社， １９８８． 越大，消声频带越宽，反之依然。因此，在实际设计 （７］蒋德明．内燃机原理（Ｚ］．机械工业出版社，１９８８． 时，在结构尺寸容许的情况下，使Ｋ值越大越好。 ［８］ Ｆ·Ｐ·因克罗普拉、Ｄ·Ｐ·德威特．传热基础［Ｍ］．宇 航出版社，１９８７． Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｘｈａｕｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｕｆｌｆｅｒ ＲＯＮＧ Ｊｉａｎｇ—ｆｅｎｇ，ＷＥＩ Ｃｕｎ—ｈａｉ （Ｌａｎｚｈｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ＆Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏ ．，Ｉｘｍｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｘｈａｕｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａ— ｔｉｏｎ，ａｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｍｕｆｆｌｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ；ｅｘｈａｕｓｔ；ｎｏｉｓｅ；ｍｕｆｆｌｅｒ；ａｎａｌｙｓｉｓ