汽车进排气系统的噪声与振动 第二章.doc

第二章 消音元件声学评价指标

消除噪声是进排气系统最主要的功能之一。当设计一个进气系统或者排气系统的时候，一定要考虑进气口和排气尾管口处的噪声特性，然后根据这些特性来选择系统中的消音元件。一个消音元件往往用于降低某个频率或者某个频段的噪声，所以了解单个元件的消音效果非常重要。当这些消音元件安装到系统中之后，我们必须知道整个系统的消音效果。所以对单个消音元件和整个进气或者排气系统的消音效果进行评价是噪声控制设计中最重要的问题。

评价消音元件和系统的消音效果通常有四个评价指标：传递损失、插入损失、声级差和声压级。传递损失一般用来评价单个消音元件，而插入损失和声压级一般用来评价整个系统的消音效果。声级差可以用于单个消音元件和整个系统的评价。

第一节 传递损失

假如声波在无限长的管道中传播，而且媒体相同，那么这个声波就会一直传递下去。可是当管道内的声阻抗发生变化时，入射声波就会受到阻碍，一部分声波就会被反射回来。传播媒体的变化和管道截面积的改变都会引起声阻抗的改变。阻抗的改变是抗性消音器工作的原理。图2.1为一个截面积和媒体都改变的管道图。

图2.1 管道截面积变化

声波在阻抗为的管道中传播，当遇到阻抗为的管道时，截面积也发生变化。入射声波的一部分被反射回阻抗为的管道，形成反射声波。入射声波的另一部分继续在阻抗为的管道传播，形成了透射波。这两个声阻抗分别表达如下：
(2.1)
(2.2)
式中，和分别是两个媒体的声阻抗率。

这三种波的声压分别表达如下：
入射声波： (2.3)
反射声波： (2.4)
阻抗透过声波： (2.5)

在截面变化的地方，截面两边的压力相等。在的管道中有入射声波和反射声波，两个管道交界面左边的声压是这两种波声压之和。在交界面的右边只有透射声波。於是交界面两边的声压为：
(2.6)

声波在管道中任何一点的体积速度是相等的。交界面左边的体积速度是入射波速度与反射波速度迭加，这两个速度的方向是相反的。於是在交界处两边的体积速度为：
(2.7)

公式(2.7)可以重新写成：
(2.8)
由公式(2.6)和(2.8)得到，
(2.9)
反射波声压的幅值与入射波声压的幅值之比定义为反射系数：
(2.10)
将公式(2.10)代入到公式(2.9)中，得到：
(2.11)
透射波声压的幅值与入射波声压的幅值之比定义为透声系数：
(2.12)
由公式(2.6)得知：
(2.13)
将公式(2.11)代入到公式(2.13 68)中，得到透声系数为：
(2.14)

声功率传递系数定义为透射声功率与入射声功率的比例，即：
(2.15)
声功率反射系数定义为反射声功率与入射声功率的比例，即：
(2.16)
将公式(2.14)代入到公式(2.15)之中，将公式(2.11)代入(2.16)之中，然后加起来得到：
(2.17)
即功率反射系数和功率传递系数之和为1，这也体现了系统的能量守恒。

传递损失表明声音经过消音元件后声音能量的衰减，即入射声功率级和透射声功率级的差值。传递损失用TL(英文Transmission Loss的简写)来表示，表达如下：
(2.18)

将公式(2.15)代入上式，得到传递损失与功率传递系数之间的关系：
(2.19)

在进排气系统中，媒体都是空气，变截面两边的声学阻抗率相等，即，于是，反射系数和透声系数可以简化为：
(2.20)
(2.21)

於是传递损失为：
(2.22)

从公式(2.22)知道，对这样截面积变化的两个管道来说，传递损失仅仅取决于截面积之比，而与两个管道截面积大小的次序没有关系。也就是说图2.1和图2.2 中只要截面积的比相同，其传递损失是一样的。传递损失不取决于管道截面积的绝对值，而取决于两个管道截面积之比。这个传递损失与频率没有关系。但是在以后的章节中，我们要介绍进排气系统中的各种消音元件，它们与频率是紧密相关的。

图2.2 截面积变化管道(二)

当的时候，传递损失，也就是说管道截面积没有变化的时候，没有入射波反射回来，声波全部透射，在管道中继续传播。一般来说，当管道截面尺寸远远小于波长时，管道截面的形状对传递损失没有影响。

传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性，它只与自身的结构有关。在评价单个消音元件的消音效果或者初步评估系统的消音性能时，通常用传递损失。传递损失是评价消音元件消音效果最简单的一种方法。

图2.3 传递损失测量图

图2.3 是传递损失的测量的示意图。在测量时在尾端装上一个全消音装置，这样就声音全部被吸收。在消音元件的入射端安装两个麦克风来测量入射波的声压和速度，从而计算出入射声功率。在消音元件的后端只安放一个麦克风就可以测量到透射声功率。传递损失可以用公式(2.18)来计算。

第二节 插入损失

插入损失是指一个系统中插入了消音元件之前和之后，在出口处得到的声功率级(或者声压级)的差值。假设系统中没有安装消音元件，如图2.4(A)，声源与测量点之间只是用管道连接，在测量点测得的声功率为。然后再将消音元件装到这套系统上，如图2.4(B)，并在同一点测量声功率为。

图24 插入损失的测量：没有消音元件(A)和有消音元件(B)

插入损失用IL表示(英文Insertion Loss的简写)。插入损失就可以用下面的公式来计算：
(2.23)
式中，是没有安装消音元件系统在测量点的声功率；是安装了消音元件后在同一点测量的声功率。

与传递损失只考虑消音元件本身不同，插入损失是考虑一个系统。也就是说除了消音元件本身外，插入损失还包括了声源和出声口(如进气口和排气尾管)的声学特征，因此这种方法是描述整个系统消音效果的最佳表达方式。
插入损失可以用前面介绍的四端网络方法计算。声源和出声口的传递关系为：
(2.24)
式中，和分别是声源处的速度和声压；和分别是出口处的速度与声压。於是，插入损失可以表达为：
(2.25)
式中是声源的声阻抗，是出口处的声阻抗。A，B，C和D是没有安装消音元件时传递矩阵的系数，而A’，B’，C’和D’是安装了消音元件后传递矩阵系数。

第三节 声压级差值及声压级

声压级差值指系统中任意两点声压级的差值，用LD(Level Difference的简写)来表示。图2.5是声压级差值的测量系统。

图2.5 声压级差

系统中第一点和第二点的声压级分别为和，那么声压级差为：
(2.26)

这种方法不包括声源，但是管道终端的声学特性会影响到测量值。这种方法非常简单，实际工作中经常用到这种方法。

上面三种方法通常用于评价消音元件的消音效果或者是消音元件对整个系统的影响。可是在评价一个系统时，最关心的是出声口处的声压级，如进气系统中进气口的声压和排气系统中排气尾管口的声压。

第四节 几种评价指标的比较

1．传递损失与插入损失的比较
当管道截面没有变化的时候，传递损失为零。只要截面发生变化，传递损失就存在而且永远是正数，也就是说总是有消音效果。而插入损失可以是正数也可以是负数。正数表明加入消音元件后，声音被衰减。负数表明加入消音元件后，系统的声音被放大。

传递损失只取决于消音元件的结构、媒体的阻抗率和截面积。当某个声学元件的结构确定了，那么传递损失也就确定了。传递损失与消音元件在一个系统中的位置没有关系。可是插入损失则取决于消音元件的传递损失和它在系统中的位置。同一个消音元件在不同的位置，系统的插入损失是不一样的。
传递损失与声源和出口处的声学特性没有关系，而插入损失则取决于声源和出口处的声学特性。
传递损失一般用于评价单个声学元件，而插入损失则是评价一个系统。因此插入损失比传递损失更好地描述一个系统消音性能。
插入损失比较容易测量，而测量传递损失则需要专门的设备。计算起来，传递损失比较容易，它不需要声源和终端的声阻抗，而插队损失则需要这些声阻抗和传递矩阵系数。

2．传递损失与声压级差值的比较
传递损失和声压级差值是用来评价单个或者几个消音元件的消音效果。传递损失与声源和出口处的声学特性没有关系，而声压级差值虽然与声源的声学特性没有关系，但是却取决于出口处的声学特性。声压级差值比较容易测量，而测量传递损失时必须在出口处安装一个全消音装置。

3．插入损失与声压级的比较
这两者都是评价一个系统。插入损失是评价加入了消音元件后的消音效果，而声压级是评价出口处最终噪声指标。