一种低噪声复合式多腔排气消声器的制作方法

本发明涉及一种低噪声复合式多腔排气消声器，具体涉及一种柴油发动机排气系统中的低噪声复合式多腔排气消声器，属于排气消声器技术领域。

背景技术：

消声器是一种既能够允许气流通过，又能有效降低管道内噪声传播的装置。随着国内外噪声排放标准的日趋严格，噪声排放控制成为柴油机工作过程中越来越受重视的问题。柴油机与汽油机相比，有更严重的噪声污染问题。研制具有优秀降噪效果的排气消声器是降低柴油机噪声的重要手段。而现有的柴油机排气消声器，在中、低频具有消声性能差、体积大、气流再生噪声大等缺点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种低噪声复合式多腔排气消声器，克服了柴油机现有排气消声器中、低频消声性能差、体积大、气流再生噪声大的缺点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种低噪声复合式多腔排气消声器，包括消声器壳体、前穿孔管、后穿孔管、第一至第三隔板；所述前穿孔管从消声器壳体的前端插入，且前穿孔管的前端与消声器壳体的前端焊接，后穿孔管从消声器壳体的后端插入，且后穿孔管的后端与消声器壳体的后端焊接，前穿孔管与后穿孔管之间不接触；前穿孔管与消声器壳体之间设置有圆环形第一隔板，后穿孔管与消声器壳体之间设置有圆环形第二隔板和第三隔板，第一至第三隔板将消声器壳体从前至后依次分为四个腔，在前穿孔管位于第一腔部分的中间部位沿周向打有消声通孔，在后穿孔管位于第三腔部分的中间部位沿周向打有消声通孔，在后穿孔管位于第四腔部分的中间部位沿周向打有消声通孔。

作为本发明的进一步方案，所述排气消声器还包括法兰，所述法兰与前穿孔管的前端焊接，用于将排气消声器与排气管连接起来。

作为本发明的优选方案，所述第一隔板、第一隔板与消声器壳体前端之间的消声器壳体、第一隔板与前穿孔管前端之间的前穿孔管部分构成排气消声器的第一扩张腔；第一隔板、第二隔板、第一隔板与第二隔板之间的消声器壳体、第一隔板与第二隔板之间的前穿孔管部分和后穿孔管部分构成排气消声器的第二扩张腔；第二隔板、第三隔板、第二隔板与第三隔板之间的消声器壳体、第二隔板与第三隔板之间的后穿孔管部分构成排气消声器的第三共振腔；第三隔板、第三隔板与消声器壳体后端之间的消声器壳体、第三隔板与后穿孔管后端之间的后穿孔管部分构成排气消声器的第四扩张腔。

作为本发明的优选方案，所述前穿孔管在第二扩张腔部分的长度为第二扩张腔长度的1/4，后穿孔管在第二扩张腔部分的长度为第二扩张腔长度的1/2。

作为本发明的优选方案，所述第一扩张腔、第二扩张腔、第四扩张腔的长度l可通过下式计算得到：

$f=(2n+1)\frac{c}{4l},$

其中，f表示第一扩张腔、第二扩张腔、第四扩张腔对应的目标消声频率，c表示声速，n为整数。

作为本发明的优选方案，所述第三共振腔的长度可通过共振腔体积除以共振腔的截面积得到，共振腔体积可通过下式计算得到：

$f_0=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{G}{V}},$

其中，V表示共振腔体积，f₀表示共振腔的共振频率，c表示声速，S₀表示单个消声通孔的截面积，l₀表示共振腔内穿孔管的壁厚，d表示单个消声通孔的直径，t表示消声通孔的个数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明低噪声复合式多腔排气消声器，针对中低频排气噪声消声，且消声量大、出口噪声小。

2、本发明低噪声复合式多腔排气消声器，排气背压小、发动机功率损失小。

3、本发明低噪声复合式多腔排气消声器，体积小、使用方便、结构简单。

4、本发明低噪声复合式多腔排气消声器，安装方便、制造成本低、便于加工并实现工程化，具有广泛应用前景。

附图说明

图1是本发明低噪声复合式多腔排气消声器的剖视结构示意图。

图2是本发明低噪声复合式多腔排气消声器的侧面结构示意图。

图3是本发明其中一个实施例的消声量随频率变化曲线图。

其中，1-法兰，2-前穿孔管，3-消声器壳体，4-第一隔板，5-后穿孔管，6-第二隔板，7-第三隔板，8-第一腔的消声通孔，9-第三腔的消声通孔，10-第四腔的消声通孔，11-尾管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明针对1000Hz以内的低频区域，基于扩张腔声波反射与干涉消声以及共振腔共振消声的原理，研究出一种具有优秀降噪效果的低噪声复合式多腔排气消声器。

如图1和图2所示，本发明低噪声复合式多腔排气消声器包括法兰1，法兰1与前穿孔管2焊接，前穿孔管2的前端与消声器壳体3的前端焊接，消声器壳体3与前穿孔管2之间焊接第一隔板4，消声器壳体3的后端与后穿孔管5的后端焊接，消声器壳体3与后穿孔管5之间焊接第二隔板6；第二隔板6与消声器壳体3后端之间焊接第三隔板7；消声器壳体3的后端与尾管11焊接；前穿孔管2在第一腔的中间部位沿周向排布第一腔的消声通孔8；后穿孔管5在第三腔的中间部位沿周向排布第三腔的消声通孔9；后穿孔管5在第四腔的中间部位沿周向排布第四腔的消声通孔10。

第一隔板、第一隔板左侧的消声器壳体及第一隔板左侧的前穿孔管构成排气消声器第一扩张腔；第一隔板、第二隔板、第一隔板与第二隔板之间的消声器壳体、第一隔板右侧的前穿孔管及第二隔板左侧的后穿孔管构成排气消声器第二扩张腔；第二隔板、第三隔板、第二隔板与第三隔板之间的消声器壳体及第二隔板与第三隔板之间的后穿孔管构成排气消声器第三共振腔；第三隔板、第三隔板右侧的消声器壳体及第三隔板右侧的后穿孔管构成排气消声器第四扩张腔。

第一腔的消声通孔8位于第一扩张腔的中部；第三腔的消声通孔9位于第三共振腔的中部；第四腔的消声通孔10位于第四扩张腔的中部。

本发明的工作原理是：在扩张腔内，当声波波长远大于消声器各部分尺寸时，管子内的空气柱像活塞一样运动，不同的管子和扩张室组合，相当于不同声质量和声顺的组合，适当的组合就可以阻止某些频率的噪声通过消声器，从而达到消声目的。在共振腔内，当声波传递到穿孔管的消声通孔位置时，由于声阻抗突变，一部分声波反射回去，一部分声波进入消声通孔和共振腔中。当声波频率与共振腔的共振频率接近时，空气在消声通孔壁面上不断振动摩擦，在粘滞阻尼和导热的作用下，不断消耗声波能量，达到消声目的。

对扩张腔，在截面为S₁的管道中插入一段长度为l、截面为S₂的管道(扩张室)，即构成最简单的单节扩张室消声器，其声强透射系数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{4{\cos }^2\left(kl\right)+{(S_2/S_1+S_1/S_2)}^2{\sin }^2\left(kl\right)}=\frac{I_2}{I_1}---\left(1\right)$

其中，k为波数，k＝2π/λ，λ为声波波长；I₁和I₂分别为通过扩张室前后的声强。于是，消声量为：

$\mathrm{\Δ}L=10*\lg \frac{I_1}{I_2}=10*\lg \[1+\frac{1}{4}{(m-\frac{1}{m})}^2{\sin }^2\left(kl\right)\]---\left(2\right)$

表示扩张比，可以看出，当kl＝nπ，即时(n＝0,1,2,...)，sin²(kl)＝0，消声量ΔL＝0，表明声波可以无衰减地通过消声器，这是单节扩张室消声器的主要缺点。此时，对应的频率称为消声器的通过频率：

$f_{min}=\frac{n}{2\mathrm{\π}}c---\left(3\right)$

当时，sin²(kl)＝1，消声量最大，可以导出消声量最大时的相应频率为：

$f_{max}=(2n+1)\frac{c}{4l}---\left(4\right)$

利用内接管的方法将扩张的入口管和出口管分别插入消声器壳体内，由理论分析可知，对长度为L的扩张腔，当插入管长度等于时，可消除式(3)中n为奇数的通过频率。当插入管长度等于时，可消除式(4)中n为偶数的通过频率，二者结合，可得到较为理想的消声效果。

对共振腔，确定共振腔的共振频率至关重要。取单个共振腔，设有t个消声通孔，那么共振腔的共振频率f₀可以表示为：

$f_0=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{G}{V}}---\left(5\right)$

其中，V表示共振腔体积，用体积除以共振腔的截面积得到共振腔的长度，c表示声速，G为传导率，表达式如下：

$G=\frac{{\mathrm{tS}}_0}{l_0+\mathrm{\π}d/4}---\left(6\right)$

其中，S₀表示单个消声通孔的截面积，l₀表示共振腔内穿孔管的壁厚，d表示单个消声通孔的直径。

由式(5)和式(6)可知：共振腔体积越小、消声通孔截面积越大，则共振腔的共振频率也就越大。

单个共振腔对频率为f的纯音消声量(传递损失)为：

$TL=10*\lg (1+\frac{GV}{4S^2{(f/f_0-f_0/f)}^2})---\left(7\right)$

其中，S为穿孔管内壁截面积。由式(7)可知：共振腔体积越大、消声通孔截面积越大，则共振腔的消声量也越大。

因此，通过合理选择消声通孔的个数、单孔截面积、共振腔体积以及共振腔的个数，可以使得消声器在较宽频带内具有足够的消声量，达到消声目的。考虑尺寸限制，对扩张腔，根据目标消声频率和式(4)可计算得到扩张腔长度尺寸；对共振腔，根据式(5)和式(6)可计算得到共振腔长度尺寸。

以下通过有限元仿真和试验说明低噪声复合式多腔排气消声器的消声效果。通过噪声测量试验，测得某柴油机排气噪声的能量主要分布在2000Hz以内，特别是1000Hz以内能量最为集中。据此设计的本实施例，前穿孔管内径为50.5mm，壁厚为1mm；后穿孔管内径为42mm，壁厚为1mm；消声器壳体内径为97mm，壁厚1.5mm；第一腔有12列共228个消声通孔，孔径为4mm；第三腔有3列共45个消声通孔，孔径为4mm；第四腔有10列共190个消声通孔，孔径为4mm；各腔长度尺寸分别为103mm、187mm、50mm、102mm，前穿孔管在第二扩张腔部分的长度为第二扩张腔长度的1/4，后穿孔管在第二扩张腔部分的长度为第二扩张腔长度的1/2；各腔隔板壁厚均为1mm。

通过仿真计算，得到本实施例的传递损失。从图3可以看出，本实施例在1130Hz、1820Hz、2100Hz、3310Hz、3920Hz出现共振峰，传递损失明显，2400Hz以内中低频及3300Hz以上的高频消声性能较好，最大达到93dB，达到了消声目的。

将该型柴油机安装到相应的某型拖拉机上形成完善的农业机械产品，进行多工况实际测量。本实施例在拖拉机的定置噪声测试中，距离排气消声器排气出口10cm处，在发动机最高转速和常用恶劣档位下，与原有消声器相比，测得的声压级降低了6dB(A)。在不改变拖拉机其他噪声辐射条件下，按照国家测试标准，测得仅由排气消声器出口声压级降低的贡献，导致的驾驶员耳旁声压级降低，由原来高于国标变成低于国标2dB(A)，有效地降低了噪声并提高了驾驶员舒适性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。