CN104217062A - 消声器插入损失计算及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了消声器插入损失计算及优化方法，针对消声器插入损失及优化方法而专门设计的应用方法是基于传递矩阵研究方法，即把抗性消声器分解成九个不同的消声单元，先求出组成消声器的每一个消声元件的传递矩阵，再把各个传递矩阵按声场的顺序依次相乘，从而得到消声器总的传递矩阵，再利用总传递矩阵的四极参数、相关的发动机参数和气流参数，对消声器的插入损失、压力损失进行预测和结构参数优化。

Description

消声器插入损失计算及优化方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种消声器插入损失计算及优化方法。 

背景技术

过高的车辆噪声严重地影响着人们地生活、工作和健康，对人的危害主要体现在以下几个方面： 

(1)对听觉的损伤。大量研究表明，一个人长期处于强噪声环境中而又没有采取有效的防护措施就会逐渐造成耳聋； 

(2)影响人的生理健康。噪声引起人体的紧张反应使得心率改变和血压升高； 

(3)影响人的心理。噪声对心理的影响是使人烦躁不安，容易使人疲劳，影响精力集中和工作效率。 

影响排气噪声的主要因素有以下几个： 

(1)发动机的转速因素； 

(2)发动机排气筒的负荷； 

(3)排气管的尺寸。 

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种消声器插入损失计算及优化方法。 

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种消声器插入损失计算及优化方法，其关键在于，包括如下步骤： 

步骤1，建立消声器的数学模型，输入发动机参数和消声器参数，选择传递矩阵模型； 

步骤2，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，进行消声器声学性能计算，得到理论优化的传递矩阵模型； 

步骤3，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，得到现实优化后的消声器传递矩阵模型，制作N个消声器传递矩阵模型，选取最优结构。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤1包括： 

步骤1-1，建立消声器的数学模型后，根据发动机参数和消声器参数，计算气流速度和排气温度发动机基频； 

步骤1-2，选择传递矩阵模型参数值； 

步骤1-3，对消声器声学性能进行计算，根据消声器消声单元的结构参数，计算出全频程传递损失。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤2包括： 

步骤2-1，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，以及消声器消声单元的结构参数，选择设计变量。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤3包括： 

步骤3-1，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，读入损失计算模型单元列表； 

步骤3-2，输入三分之一倍频带约束，判断所述倍频带约束输入是否正确； 

步骤3-3，输入腔室体积变化的不等式以及腔室体积不变的等式，得到最优的传递损失及最优消声器结构参数。 

步骤3-4，所述的插入损失计算模型为 

$G_i={\∫}_{f_i/a}^{{\mathrm{af}}_i}\frac{R}{{|\mathrm{C\ξ}+D|}^2}\·\frac{\mathrm{df}}{2f\ln a};$

$W_i=G_i{U}_{0i}^2;$

$D_i=10\lg \frac{W_i^{\′}}{W_i}=10\lg \frac{G_i^{\′}}{G_i}.$

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：直管声学元件 

$T_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \frac{j}{m}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\\ \mathrm{jm}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\end{array}\right];$ T₁为直管声学元件传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面收缩消声单元 

$T_4=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_3}{m}{\mathrm{\σ}}^{2}M\tan \left(\mathrm{kl}\right)& \frac{(1-{\mathrm{\σ}}^2)M}{m}\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1+j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₄为有内插管截面收缩消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面扩张消声单元 

$T_5=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& -\frac{2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)\{1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\}& 1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₅有内插管截面扩张消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：赫姆霍兹共振单元 

$T_9=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{jm}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1\end{array}\right]$ T₉赫姆霍兹共振单元传递矩阵，l为管长，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：管道截面突然收缩消声单元， 

$T_2=\left[\begin{array}{cc}1& (1-{\mathrm{\σ}}^2)\frac{M}{m}\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1； 

管道截面突然扩张消声单元，M为气流的马赫数， 

$T_3=\left[\begin{array}{cc}1& \frac{-2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型经过MATLAB运算之后得到最优值，将最优值使用在消声器的结构上，实现消声器的消声最优化。 

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： 

预测消声器的插入损失，并能对结构进行适当的优化，适用范围包括各种型号摩托车排气消声器和汽车排气消声器。 

通过传递矩阵研究方法，即把抗性消声器分解成九个不同的消声单元，先求出组成消声器的每一个消声元件的传递矩阵，再把各个传递矩阵按声场的顺序依次相乘，从而得到消声器总的传递矩阵，再利用总传递矩阵的四极参数、相关的发动机参数和气流参数，对消声器的插入损失、压力损失进行预测和结构参数优化。 

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。 

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中： 

图1是本发明消声器插入损失计算及优化方法的流程图； 

图2是本发明消声器插入损失计算及优化方法的参数选择示意图； 

图3是本发明消声器插入损失计算及优化方法的发动机参数选择和消声器参数示意图； 

图4是本发明消声器插入损失计算及优化方法的消声单元相关参数输入示意图； 

图5是本发明消声器插入损失计算及优化方法的传递损失计算示意图； 

图6是本发明消声器插入损失计算及优化方法的优化示意图； 

图7是本发明消声器插入损失计算及优化方法的三分之一倍频带消声量约束设置图； 

图8是本发明消声器插入损失计算及优化方法的优化结果示意图； 

图9是本发明消声器插入损失计算及优化方法的消声器优化前后的实测 插入损失对比图。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。 

本发明提供了一种消声器插入损失计算及优化方法，其关键在于，包括如下步骤： 

步骤1，建立消声器的数学模型，输入发动机参数和消声器参数，选择传递矩阵模型； 

步骤2，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，进行消声器声学性能计算，得到理论优化的传递矩阵模型； 

步骤3，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，得到现实优化后的 消声器传递矩阵模型，制作N个消声器传递矩阵模型，选取最优结构。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤1包括： 

步骤1-1，建立消声器的数学模型后，根据发动机参数和消声器参数，计算气流速度和排气温度发动机基频； 

步骤1-2，选择传递矩阵模型参数值； 

步骤1-3，对消声器声学性能进行计算，根据消声器消声单元的结构参数，计算出全频程传递损失。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤2包括： 

步骤2-1，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，以及消声器消声单元的结构参数，选择设计变量。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述步骤3包括： 

步骤3-1，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，读入损失计算模型单元列表； 

步骤3-2，输入三分之一倍频带约束，判断所述倍频带约束输入是否正确； 

步骤3-3，输入腔室体积变化的不等式以及腔室体积不变的等式，得到最优的传递损失及最优消声器结构参数。 

步骤3-4，所述的插入损失计算模型为 

$G_i={\∫}_{f_i/a}^{{\mathrm{af}}_i}\frac{R}{{|\mathrm{C\ξ}+D|}^2}\·\frac{\mathrm{df}}{2f\ln a};$

$W_i=G_i{U}_{0i}^2;$

$D_i=10\lg \frac{W_i^{\′}}{W_i}=10\lg \frac{G_i^{\′}}{G_i}.$

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：直管声学元件 

$T_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \frac{j}{m}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\\ \mathrm{jm}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\end{array}\right];$ T₁为直管声学元件传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面收缩消声单元 

$T_4=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_3}{m}{\mathrm{\σ}}^{2}M\tan \left(\mathrm{kl}\right)& \frac{(1-{\mathrm{\σ}}^2)M}{m}\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1+j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₄为有内插管截面收缩消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面扩张消声单元 

$T_5=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& -\frac{2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)\{1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\}& 1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₅有内插管截面扩张消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：赫姆霍兹共振单元 

$T_9=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{jm}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1\end{array}\right]$ T₉赫姆霍兹共振单元传递矩阵，l为管长，m为相对面积比。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型包括：管道截面突然收缩消声单元， 

$T_2=\left[\begin{array}{cc}1& (1-{\mathrm{\σ}}^2)\frac{M}{m}\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1； 

管道截面突然扩张消声单元，M为气流的马赫数， 

$T_3=\left[\begin{array}{cc}1& \frac{-2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1。 

所述的消声器插入损失计算及优化方法，优选的，所述传递矩阵模型经过MATLAB运算之后得到最优值，将最优值使用在消声器的结构上，实现消声器的消声最优化。 

建立摩托车消声器计算的结构数学模型；计算该消声器的插入损失。 

本方法功能主要是预测消声器的插入损失，并能对结构进行一些适当的优化，适用范围包括各种型号摩托车排气消声器和汽车排气消声器。 

针对消声器插入损失及优化方法而专门设计的应用方法是基于传递矩阵研究方法，即把抗性消声器分解成九个不同的消声单元，先求出组成消声器的每一个消声元件的传递矩阵，再把各个传递矩阵按声场的顺序依次相乘，从而得到消声器总的传递矩阵，再利用总传递矩阵的四极参数、相关的发动机参数和气流参数，对消声器的插入损失、压力损失进行预测和结构参数优化。 

所述九种矩阵为： 

直管单元； 

管道截面突然收缩单元； 

管道截面突然扩张单元； 

有内插管突然收缩消声单元； 

有内插管突然扩张消声单元； 

双管穿孔消声单元； 

三管穿孔消声单元； 

穿孔板消声单元； 

共振结构单元； 

图1为方法的应用流程图。通过方法的应用操作，可设计出最佳的消声器结构参数，达到消声器插入损失最大，功率损失最低。如图1所示。 

因此，在使用之前，要根据二维(或三维)数学模型，将消声器按照声场的顺序划分成九个基本消声单元的组合，并对每个单元的结构参数赋值，保存文件。 

具体使用方法的步骤，如图2所示，选择发动机参数和消声器参数：输入所需要的参数后，计算出气流速度、排气温度和内燃机排气基频、消声器有效容积、消声器进气管内径、消声器腔数等参数。 

如图3所示，发动机参数选择和消声器参数界面 

简化消声器结构并计算传递损失：传递损失曲线反映出消声器在各消声频带上的消声能力，是消声器消声能力的评价标准。在进行传递损失的计算之前，首先要将之前简化的消声器各基本单元在方法里实现，再对每个单元进行参数赋值。最后保存文件，在频程选择处勾选全频程分析，点击计算传递损失进行计算，如图4所示，依次选择消声单元及相关参数输入，传递损失计算结果如图5所示。性能优化计算通过MATLAB进行运算：点击性能优化可以对多个结构参数进行优化，优化界面如图6。 

进入性能优化设计模块后，首先读入之前保存的单元列表，这里的单元列表显示的是消声单元的参数，格式为L(1,1)、D(1,1)、d(1,1)等，其中括号 里第一个数字代表单元顺序号，第二个数字是为了替换格式而生成的字符，可以不予考虑。读入单元列表后，选择所要进行优化的结构参数作为设计变量，并输入变量名称，变量初始值和变量允许的取值范围，选择三分之一倍频带消声量约束，如图7为三分之一倍频带消声量约束设置图。 

优化结果如图8图X值即为各变量的最优解，由此可找出最佳插入损失。图9为某消声器优化前后的实测插入损失对比图，插入损失提高20％，约3.9DB。如图9所示，某消声器优化前后的插入损失实测值。 

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。 

Claims (10)

1.一种消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立消声器的数学模型，输入发动机参数和消声器参数，选择传递矩阵模型；

步骤2，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，进行消声器声学性能计算，得到理论优化的传递矩阵模型；

步骤3，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，得到现实优化后的消声器传递矩阵模型，制作N个消声器传递矩阵模型，选取最优结构。

2.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1-1，建立消声器的数学模型后，根据发动机参数和消声器参数，计算气流速度和排气温度发动机基频；

步骤1-2，选择传递矩阵模型参数值；

步骤1-3，对消声器声学性能进行计算，根据消声器消声单元的结构参数，计算出全频程传递损失。

3.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2-1，根据传递矩阵模型和发动机参数和消声器参数，以及消声器消声单元的结构参数，选择设计变量。

4.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3-1，对优化的传递矩阵模型，插入损失计算模型，读入损失计算模型单元列表；

步骤3-2，输入三分之一倍频带约束，判断所述倍频带约束输入是否正确；

步骤3-3，输入腔室体积变化的不等式以及腔室体积不变的等式，得到最优的传递损失及最优消声器结构参数；

步骤3-4，所述的插入损失计算模型为

$G_i={\∫}_{f_i/a}^{{\mathrm{af}}_i}\frac{R}{{|\mathrm{C\ξ}+D|}^2}\·\frac{\mathrm{df}}{2f\ln a};$

$W_i=G_i{U}_{0i}^2;$

$D_i=10\lg \frac{W_i^{\′}}{W_i}=10\lg \frac{G_i^{\′}}{G_i}.$

5.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型包括：直管声学元件

$T_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \frac{j}{m}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\\ \mathrm{jm}\sin \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)& \cos \left(\frac{\mathrm{kl}}{1-M^2}\right)\end{array}\right];$ T₁为直管声学元件传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。

6.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面收缩消声单元

$T_4=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_3}{m}{\mathrm{\σ}}^{2}M\tan \left(\mathrm{kl}\right)& \frac{(1-{\mathrm{\σ}}^2)M}{m}\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1+j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₄为有内插管截面收缩消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。

7.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型包括：有内插管截面扩张消声单元

$T_5=\left[\begin{array}{cc}1-j\frac{m_{3}M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& -\frac{2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ {\mathrm{jm}}_3\tan \left(\mathrm{kl}\right)\{1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})M}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\}& 1+j\frac{m_3(1-\frac{2}{\mathrm{\σ}})}{m}\tan \left(\mathrm{kl}\right)\end{array}\right];$ T₅有内插管截面扩张消声单元传递矩阵，l为管长，M为气流的马赫数M＝v0/c,v0为气流速度，c为声音传播速度，m为相对面积比。

8.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型包括：赫姆霍兹共振单元

$T_9=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{jm}\tan \left(\mathrm{kl}\right)& 1\end{array}\right]$ T₉赫姆霍兹共振单元传递矩阵，l为管长，m为相对面积比。

9.根据权利要求1所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型包括：管道截面突然收缩消声单元，

$T_2=\left[\begin{array}{cc}1& (1-{\mathrm{\σ}}^2)\frac{M}{m}\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1；

管道截面突然扩张消声单元，M为气流的马赫数，

$T_3=\left[\begin{array}{cc}1& \frac{-2M}{\mathrm{m\σ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\σ}})\\ 0& 1\end{array}\right];$ σ为面积比，σ＝m2/m1＝s2/s1。

10.根据权利要求5-9任一项所述的消声器插入损失计算及优化方法，其特征在于，所述传递矩阵模型经过MATLAB运算之后得到最优值，将最优值使用在消声器的结构上，实现消声器的消声最优化。