内燃机消声器性能试验台的设计教学文稿.doc

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内燃机消声器性能试验台设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
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评阅教师评阅书

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二、论文（设计）质量
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三、论文（设计）水平
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教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
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教学系意见：
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摘 要

作为内燃机降噪的有效手段，排气消声器已被广泛地采用，如何合理有效地设计满足特定条件的消声器己成为被广泛研究的课题。然而，目前与消声器的理论研究相配套的试验设施还不够完善，设计出的消声器还必须到现场配机试验，浪费大量物力和人力。设计并建造一种用于内燃机排气消声器声学和气动性能试验研究的台架意义重大。本文即在这种背景下展开试验台的设计与实施工作：首先根据现场条件和对台架性能的要求，提出并探讨几种试验台的布置与组成方案，并最终选出较优的一个；然后根据总体布置方案确定各组成部分的具体结构，并用三维软件模拟试验台的搭建。台架以一个高压离心风机作为气流源，可满足试验台架流量和阻力损失的要求，流量由变频仪调节电机转速来控制。台架采用白噪声信号发生仪及两只喇叭来产生噪声，并由功率放大器来放大噪声，从而模拟内燃机工作时产生的噪声。台架的测量系统设计合理，可实现管道内流体参数和消声器参数的准确测量，满足了试验分析的要求。同时还测量了试验台在不同工况下的振动和噪声数据，为全面评估试验台的整体性能提供了相应数据。为了降低风机系统产生的噪声对待测消声器测试结果的影响，分别在风机进、排气口加装了风机消声器。其中，排气消声器由主要在低频消声的抗性消声器和主要在中高频消声的阻性消声器两部分组成。从而有效地实现了气流源的低噪声。为了降低声波在消声器末端反射对待测消声器测试结果的影响，实验台架中设计了消声末端。理论上，性能良好的消声末端可以完全吸收所有的声波，包括入射声波和反射声波，因而性能良好的消声末端的阻抗等于特性阻抗，吸声系数等于 1。所以，在设计消声末端过程中严格按照相关要求来设计和加工，做出了性能良好的消声末端。初步的理论分析结果表明:该台架气体流量范围2-8m³/s，控制精度在士5%；连续工况间调节时间在5分钟以内。可以满足2000kW以下内燃机用多种类型消声器的试验要求。

关键词：内燃机，消声器，试验台，性能分析
THE DESIGN OF TEST BED ABOUT SILENCER PERFORMANCE OF COMBUSTION ENGINE

ABSTRACT

As an effective method of reducing the noise of combustion engines, exhaust silencers have been used widely. How to design the silencers according to special situations, reasonably and efficiently, has been studied widely. But the test facilities for the theoretical analysis of silencers are not enough in present. And silencers have to be studied by field test, which spends too much with respect to money and labor. It is significant to design and build a test bed for the acoustics and dynamics performance study of marine diesel engine exhaust silencers. So that job is done under all the above background in this paper. First, several projects laid according to the test bed’s performance requirements and the field conditions are given and discussed about the disposal and construction of the test bed, and then a better one is chosen. Second, the detailed structures of each part of the test bed are introduced, and analog set up the test bed with 3d software. One high pressure centrifugal fan is used to generate wind. It can satisfy the requirements of the test bed on flow and pressure loss. A conversion instrument is used to regulate the rotate speed of the electrical machine in order to control the flow. The test bed uses a white noise signal producing apparatus and two loudspeakers to produce noise. And a power amplifier magnifies the noise. Thus they can imitate the noise that produced by the combustion engine when it working. The measuring system is reasonable which can get parameters of the gas in the duct and of the silencers accurately. It can satisfy the requirements of the experimental analysis. Also some datum about the vibration and the noise have been got evaluate the performance of the test bed. In order to reduce the noise of fan system that influence the test results of silencers, several silencers are respectively set up in the fan's air inlet and vent. Among them, the exhaust mufflers are mainly comprised of the reactive muffler in low-frequency muffling and the resistive muffler in medium high frequency muffling. So they can effectively realize the airflow source low noise. To reduce the influence of measuring muffler test results which produced by the sound waves reflect in the muffler end, a silencing end is designed in the test bed. Theoretically, the good perrformance of silencing end can completely absorbed all the sound waves, including the incident waves and reflective sound waves, thus the good performance of the silencing end’s impedance is equal to characteristic impedance. The absorption cofficient is equal to 1. So, in the design process of silencing end strictly according to related requirement to design and processing, made the good performance of silencing end. The experimental results show that the test bed can be used to evaluate exhaust silencers of engines whose power is less than 2000kw. The gas volumetric flow range is 2~8m³/s and its error is in the range of ±5%. The adjusting time for changing experiment situations is less than 5 minutes.

KEY WORDS: combustion engine，silencer，test bed，performance analysis

目　录

前　言 1
第1章 试验台架的结构设计及性能分析 5
1.1 试验台架的总体要求 5
1.2 试验台技术方案 6
1.3 试验台的总体结构布置 7
1.3.1 布置方案的选择 7
第2章 试验台供气系统的设计与分析 10
2.1 供气系统 10
2.1.1 风机选型 10
2.1.2 变频器的选择 13
2.2 风机消声器设计 13
第3章 试验台噪声系统的设计与分析 17
3.1 噪声模拟系统 17
3.1.1 白噪声发生器的选择 17
3.1.2 功率放大器的选择 18
3.2 音箱的设计 18
第4章 试验台测试系统的设计与分析 19
4.1 消声器的性能研究 19
4.2 排气消声器的实验研究 20
4.3 试验台测试方法及相关测试仪器的校准 22
4.4 试验台测试系统 25
4.5 实验测试工况 27
第5章 试验台其它结构及模拟搭建 28
5.1 消声末端 28
5.2 管道支架 28
5.3 试验台的模拟搭建 29
结　论 32
谢 辞 33
参考文献 34
外文资料翻译 35

前　言

近年来，随着汽车保有量的飙升，带来的噪声问题也显得更加突出。不但加剧了环境的恶化，而且导致严重的噪声污染问题。特别是在人口密集的城市，由于汽车行驶速度的日益加快，发动机功率日益增大，汽车噪声污染弥漫于城市中的每个角落，无时不刻破坏着城市的安宁，危害着居民的身心健康。据统计资料表明，城市环境噪声的80%来源于机动车辆，各种机动车辆已成为环境噪声的最大污染源。目前，环境保护日益成为世界各国关心的重大问题，均把噪声水平作为机动车辆的控制考核指标，制定了越来越严格的噪声控制标准。另外，随着汽车市场竞争的激烈化，低噪声已经成为乘坐舒适性的一个重要性能，与动力性、经济性和排放性能一起成为了评价汽车综合品质的重要指标。为了满足日益严格的噪声排放法规要求，汽车生产企业必须要不断提高整车的降噪水平。因此设计生产者在满足法规规定的排放性指标和噪声控制指标同时，又不能过大影响发动机的动力性、经济性以避免丧失市场竞争力。如何有效的降低汽车噪声，尤其是比重较大的发动机噪声成为各国政府和车辆生产厂家共同关心的问题。
排气噪声是汽车发动机最主要的噪声源，随着发动机转速的升高，排气系统内气流速度的加大，排气噪声自然也随之增大，所以汽车发动机的排气噪声已成为一种影响面很广的环境污染源，必须对其进行控制，以使其达到规定的标准。对于汽车内燃机排气噪声控制问题，要从声源机理分析入手，通过内燃机系统改进设计的途径去解决是十分困难的，且降噪效果尚无法达到汽车噪声允许标准的要求，最简单而有效的降噪措施便是采用排气消声器。作为降低和控制汽车排气噪声的一种有效途径，消声器是一种阻止声音传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声的主要技术措施。为使消声器的综合性能达到要求，设计是采用理论与实验相结合的方法。所以就需要建立一个专用的试验台来测试消声器的性能。
内燃机消声器性能试验台的设计与实施在国内和国外文献中所见的报道还是很多的。在以往消声器性能试验研究中，消声器试验多数是在内燃机台架上进行，这种方法既费时、费钱，又不能满足高质量消声器试验要求。对于消声器性能的测试主要还是实验室测量方法。而实验室测量方法因实验装置条件不同又分为混响室法、半消声室法及管道法。相比混响室法和半消声室法，管道法的试验条件较容易达到，实施也相对简便，而且更能直接反映消声器的声学特性，因此，国内外许多学者采用管道法对消声器性能进行试验研究。
1991年，蔡超，宫振根据管内测试和双传声器随机激励技术设计了冷态消声器性能试验台，具有较好的测试精度，可以完成有流和无流条件下多种型号消声器的试验研究。但不能有效模拟发动机排气噪声的噪声源，只能用于管内测试，不能模拟消声器的实际应用环境，既不能用于管外测试[1]。1998年，唐宇彤，蔡翠雪所设计的消声器性能试验台有了进一步的完善，通过合理设计声源，是试验台基本能模拟发动机的低频排气噪声，可以完成消声器的管内和管外测试，但模拟发动机高频排气噪声能力较差[2]。1998年，上海交通大学的张猛等建立了常温脉动气流声学试验装置，该装置在常温稳态气流声学试验装置基础上增加了气流源脉动产生装置，气流源脉动产生装置主要有转盘、密封环、密封垫圈、长轴电机和无缝钢管等组成，通过改变长轴电机的转速和转盘直径，获得不同脉动频率和脉动振幅的流动状态，用来模拟内燃机进排气口处的流动条件，以研究在不同脉动频率和脉动振幅的流动条件下消声器的气动和声学性能。该试验可以实现脉动气流条件下消声器传声损失和压力损失的测量，与常温稳态气流声学试验装置不同的是测量系统内气流速度的测量采用热线风速仪，提高了气流速度的测量精度[3]。2004年，阮登芳，邓兆祥等对消声器热态试验台进行了设计与分析，该装置在常温稳态气流声学试验装置基础上增加了对气流加热和控制装置。在进行排气消声器试验时，该装置可对通过测量系统中的气流加热，以模拟发动机排出的高温气体。该试验装置实现了消声器性能的包括声场、温度场和流场等的多方面模拟，可以进行高温气流条件下消声器传声损失和压力损失的测量[4]。2006年，哈尔滨工程大学的王雪仁等设计了船用柴油机排气消声器性能试验台，可全面的模拟大型柴油机的排气环境，从而使消声器试验台的设计进一步得到完善[5]。
排气消声器的研制过程是一个设计、试验与不断改进的过程，性能试验是一个不可或缺的重要环节。不进行必要的性能试验使一些设计上的缺陷等到陆上配机联调试验时才能发现，再进行改造设计，其损失和代价将远远超过在设计阶段进行同样改进的消耗费用。在以往消声器性能试验研究中，消声器试验多数是在内燃机台架上进行，这种方法既费时、费钱，又不能满足高质量消声器试验要求。因此建设一套试验台架，在消声器的研发过程中，可在实验室进行各阶段消声器及消声元件的试验，是产品的设计更合理，消声性能更好，是很有必要的。
消声器性能的测量应包括声学性能的测量，空气动力性能的测量和气流再生噪声的测量三个内容。声学性能的测量又可分为动态测量和静态测量两种方法、现场测量和实验室测量两种条件，其中应以实验室测量为主要测量方法，它既可以测量声学性能和空气动力性能，条件好的实验室装置也可以测量气流再生噪声。实验室测量方法也因实验装置条件不同而分为管道法、管道混响室法、管道半消声室法等。我国已有消声器测量方法的国家标准GB/T 4760-1995，该方法包括实验室和现场两种测量方法，适用于以阻性为主的各种消声器性能测试。其实验室方法主要可测量消声器的传声损失、插入损失、空气动力性能及气流再生噪声等指标，并可采用混响室法、半消声室法及管道法测量。如在消声器前及消声器后分别测量，即可得传声损失值；在消声器安装前（以替代管代替消声器）及安装后分别测量，即可得插入损失值；同样，在消声器前后管道内分别测定给定截面上的平均全压或平均静压值，即可得压力损失和阻力系数性能指标。
本论文的主要工作是以声学，噪声控制技术的基本理论为基础，结合试验场地，实验设备等实际条件，对内燃机消声器性能试验台各组成系统及其作用，进行理论的计算及分析。设计内燃机消声器性能试验台，以模拟内燃机消声器的工作环境，从而满足对各种型号类型的消声器进行性能测试。具体工作包括以下两部分：
第一部分：试验台的设计与各部分性能的分析
（1）试验台布置方案的设计与选择
根据现场条件，试件结构和仪表操作使用上的要求等，合理设计与选择最佳的试验台布置方案。
（2）试验台各种参数的理论计算与设备的选择
包括供气系统、噪声系统和其他部分的设计技术与校核。合理选择试验台的各种仪器设备，使其性能和经济性达到合理配置。
（3）各组成系统的分析与结论。
第二部分：试验台的建模，性能分析及工程图的绘制
（1）采用三维建模软件设计建立内燃机消声器性能试验台几何模型。
（2）对实验台的整体以及关键部件性能进行分析。
（3）基于分析结果进行改进，绘制内燃机消声器性能试验台的工程图。

第1章 试验台架的结构设计及性能分析

1.1 试验台架的总体要求

试验台架的设计与实施过程是一个不断研究分析与改进的过程，它不但涉及到声学、力学、电学、控制学等方面的理论知识，也涉及到机械设计、加工工艺等工程实践方面的知识。本论文所设计的试验台架包括以下几个主要部分：
(1) 供气系统，即风源。
(2) 噪声系统，即噪声源。
(3) 测量系统。
(4) 其它机构。
试验台架要满足功能参数、场地的大小以及使用的方便性等多方面因素的要求。主要是：
(1) 试验台架模拟的是内燃机的排气，具有噪声大的特点，因此试验一般要求在室外进行，又考虑到室外温度较低（特别是冬天），试验台长期在室外放置会对某些仪器造成损坏，这就要求台架方面拆卸，以便在试验完成后将其拆卸转移到室内。
(2) 为减少占地面积，试验台的总体结构尺寸应尽量紧凑。
(3) 供气系统应满足试验台对气体参数的要求：供气压力大于3615Pa，流量为244.8m³/h。
(4) 试验台是生源特性应能模拟不同类型内燃机的声学频谱特性。
(5) 测量系统要实现管道内气体参数的瞬时测量。
(6) 某些设备应采取减振措施，以保证其正常工作。
(7) 控制试验台自身的辐射噪声，以改善操作人员的工作条件，且尽量减少对周围环境的影响。

1.2 试验台技术方案

内燃机消声器性能试验台主要由低噪声气流源，噪声源和测试设备构成。根据这些基本组成部分设计技术方案。经讨论分析初步确定试验台的各组成设备。
1. 供气系统：由高压风机和变频仪组成，通过变频仪调节电机转速来控制气流源的大小。
2. 噪声系统：由白噪声发生器产生一定频率的白噪声，经过功率放大器得到能够驱动扬声器正常工作的白噪声信号，再送入扬声器，从而提供模拟的噪声源。
3. 测试系统：待测消声器的气动—声学性能需要测量其前后压力变化和声压变化，所以在试验台架中设置前后两个测试段，测试仪器主要由毕托管、精密微差压计、实时频谱分析仪等。
试验台的总体轴向布置示意图如图1-1。

图1-1 试验台的总体轴向布置示意图
1-风机；2-风机进气消声器；3-电机；4-变频器；5-隔声墙；6-风机排气消声器（低频）；7风机排气消声器（中高频）；8-音箱；9-皮托管；10-消声器试件；11-实时频谱分析仪；12-精密微差压计；13-消声末端；14-白噪声发生器、功率放大器

1.3 试验台的总体结构布置

试验台架总体布置的目的是根据技术方案将各器件合理组合与安装，是总体结构最紧凑合理。试验台架主要包括两大部分：一是安装在隔声墙外的风机、风机进气消声器、电机、变频仪。二是隔声墙内的噪声系统、测量系统及管道等。其中第二部分主要成直线布置，较为简单；第一部分则的布置则有较大的可变性，直接影响整个台架结构布置的合理性。下面内容将重点讨论第一部分的结构布置。

1.3.1 布置方案的选择

设计时，结合风机、风机进气消声器、变频器等主要结构的尺寸设计了如下几种试验台的布置方案，在分析它们优缺点的基础上，最终确定了较优的一种方案。
方案一，试验台的结构布置方案如图1-2。

图1-2 试验台的结构布置方案一
该方案将风机出口布置在试验台主管道的轴线上，其电机和风机进气消声器分别布置在风机的两侧，变频器与风机进气消声器在同一侧，可较好的利用空余的空间。该方案的有点是风机出口正对试验台主管道，气流无需转变方向就能进入主管道，有利于减少风机排气的阻力。结构较为紧凑，缺点是变频器与电机的连接距离较远。
方案二，试验台的结构布置方案如图1-3。

图1-3 试验台的结构布置方案二
该方案将风机出口布置在试验台主管道轴线的垂直方向上，风机进气消声器、变频器、电机围绕风机布置。该方案的优点是结构最为紧凑；缺点是气流需转变方向才能进入主管道，不利于风机排气阻力的减少。
方案三，试验台的结构布置方案如图1-4。

图1-4 试验台的结构布置方案三
该方案相较方案一，把电机、风机、风机进气消声器整体沿主管道轴线的垂直方向向上平移，将变频器布置在电机一侧，减少了变频器和电机的连接距离，但结构不够紧凑，切气流仍需转向才能进入主管道，不利于对风机的排气阻力的减少。
通过以上对各方案的分析对比，本着减少风机排气压力以及结构尽可能紧凑的原则，选择方案一为最终的布置方案。

第2章 试验台供气系统的设计与分析

2.1 供气系统

供气系统是实现试验台流量要求的关键。为了能对大限度的降低外界因素对实验的干扰，因此，对气流源的基本要求至少包括以下两点：
(1) 气流要尽可能的安静和平稳，以保证在试验频率范围内自风机进入主管道的噪声不会影响测量结果，及气流本底噪声尽可能低。这主要是通过在风机的进气口和排气口分别加进。排气消声器以及隔音墙等措施来实现。
(2) 气流速度要可调节且流速范围较大。通过加装变频器与电机相连可以调节气流的流速，流速范围较大则需要选择风压较高的风机来实现。

2.1.1 风机选型

风机选型主要包括风机主要参数的确定、风机的传动方式及出口角度的选择等。
1. 风机主要参数确定
风机的主要参数主要包括流量、风压和功率等。
(1) 流量：是指单位时间内风机输送流体的数量，有体积流量和质量流量之分，该参数主要由消声器试验件的最大工作流量确定。
(2) 风压：是指流体通过风机后获得的总能量，也就是被送流体柱高度表示的单位重量流体通过风机后所获得的机械能。该参数主要由试验管道、消声器试验件等结构的阻力损失确定。
(3) 功率：是指风机的输入功率，也就是电机传到风机轴上的功率，又称轴功率。
对于管道或消声器，根据阻力损失的产生机理，分为摩擦阻力损失和局部阻力损失两大类。
摩擦阻力损失主要是管道或消声器的内壁与气流之间的摩擦产生的，可由下式计算：
（2-1）
式中为摩擦阻力损失（Pa），为摩擦阻力系数，为消声器或管道的长度（m），为通道截面的等效直径（m），为气体密（kg/m³），V为气流速度（s/m）,g为重力加速度。
局部阻力损失是指气流通过消声器或管道时，由于消声器或管道结构的变化，使气流的机械能不断损耗，从而产生阻力损失，可由下式计算：
（2-2）
式中，为局部阻力损失（Pa），为局部阻力系数。
在通常情况下，摩擦阻力系数λ值的变化范围不大，约为0.04～0.06，粗略地可取0.05。而对于局部阻力损失系数则与所采用的局部结构相关。对于管道突然扩大的结构，粗略地可取=（1-）²，对于管道突然缩小的结构，粗略地可取=0.5x（1-），其中为突变截面的面积之比。
在本台架测试中，风机的主要阻力损失在主管道和风机排气消声器。因此，以下对这两个主要阻力损失部分作估算以确定风机的风压。（假设消声器试验件的进口气流速度最高达到60m/s，主管道长6m，风机排气消声器长2m）。
主管道：
=2335（Pa）
风机排气消声器：
=1280（Pa）
通过以上估算可知，对于主管道和风机排气消声器这两个试验台的主要阻力损失部分，在消声器试验件的进口气流速度为60m/s时，风机所能提供的风压不应低于这两者之和，即3615Pa。
同理，假设消声器试验件的进口气流速度为60m/s，对于进口管径为 0.038m的消声器试验件，其流量要求为：
Q=V×A
=60×0.25×3.14×0.038²×3600
=244.8(m³/h)
根据以上对于试验台的流量及压力的基本要求和估算，并考虑到摩擦损失等实际损耗，查相关文献，可知型号为9-19的一种高压离心式通风机满足要求。该风机的全压为4603Pa，流量为1174m³/h。
风机的流量和风压确定以后，在满足使用要求的前提下选择功率较小的风机即可。因此，选择电机功率为4KW，风机的轴功率为2.07KW。
2. 风机传动方式、旋转方向及出口角度选择
离心式通风机按传动方式大致可分为6种，如图2-1所示。其中A式通风机将叶轮直接装在电机轴上，结构简单紧凑，普遍采用。B，C，E式通风机采用皮带轮变速传动，当风机转速和电机转速不同时，可选用这三种形式。B，C，D式通风机采用将叶轮装在主轴一端的悬臂式结构，其优点是拆卸方便。E，F式通风机则是用将叶轮放在两个轴承中间的双支承式结构，其优点是运行比较平稳，适用于双吸或大型单吸通风机。根据本试验台的总体布置方案，结合各传动方式的优缺点，风机选用A式传动方式。

图2-1 离心式风机的六种传动方式
根据叶轮旋转的方向不同，离心式通风机有右旋和左旋之分。从原动机一侧看，叶轮以顺时针方向旋转的为右旋离心式通风机，一般用“右”字表示在型号中。叶轮以逆时针方向旋转的为左旋离心式通风，一般用“左”字表示在型号中。
风机的出口位置以风机的出口角度表示。“左” 、“右”风机的出口角度通常制成0，45，90，135，180，225，270，315度等八个角度。根据本试验台的总体布置方案，风机选用右旋，风口安装角度为180度，如图2-2所示。

图2-2 风机出口角度

2.1.2 变频器的选择

根据相关资料，选择使用DanfossVLT5000变频器，该变频器适用于所有工业应用，与电机的适配性强。其设计体积小，结构紧凑，可节省空间。按照实际负载来调整速度，降低了能源成本。产品范围较大，便于调试和使用0.75-37kw(200-240v)，0.75-400