CN105587374A - 谐振消声器 - Google Patents

Abstract

在发动机的消声器内腔共腔性包容设置一个利用亥姆霍兹共振原理消声和微孔板高频滤波消声功能的，由两块近距相邻微孔板组成的谐振腔(板体)。当高速气流穿过时，发生高频滤波效应和形成动态的亥姆霍兹共振原理消声气柱层，过滤和吸收发动机高频噪声，并在气流共腔膨胀、扩张混响和消声器内腔两端部吸音层阻性吸音的共同作用下，实现发动机消声器在小结构空间条件下的高效降噪和减少发动机排气背压，并附带提升发动机输出功率。

Description

谐振消声器

技术领域

本发明涉及利用亥姆霍兹共振原理和微孔板高频滤波消声功能制成的一种用于内燃发动机废气排放的消声器结构装置，内置的高速气流谐振腔(板)是该消声器的基本结构特征和核心装置。

背景技术

通常，内燃式发动机(包括汽油机、柴油机、燃气发动机等，以下简称发动机)的废气排放消声器(以下简称消声器)，分有阻性、抗性、或阻抗混合型三种类型，广泛配置在汽车、工程车辆、内燃气动工具等内燃动力装置上，并成为必备装置。依实际使用需要和可能性，消声器会设计成筒形、方形、扁形、盒式或回管等外形。国家行业标准按照消声器壳体内设置的分腔个数，分类为A、B、C、D四种类别，并提示典型结构示意，规定各种类别的消声器消声量指标：插入损失和功率损失比。以此，设计成不同配置要求的消声器。然而，由于消声器的实际消声效果，不仅与消声器的有效容积、类型、结构材料有关，而且还在一定程度上取决于发动机转速、气缸数和冲程数等，为达到好的消声效果，消声器可能会设计的相对较大，从而带来占有空间大、成本相对会高的结果。常规消声器的有效容积和发动机排量的比值一般在10～50倍的范围内，为协调消声效果、消声器体积、和实际配置许可空间的关连性，在相对小的空间结构尺寸下，获得好的消声效果成为消声器设计和配置的基本指针之一。

当高速高压不稳定流体从一个管口向常压的空间瞬间排放是流体动能急剧释放的过程，会造成释放口气体的碰撞和强烈扰动，碰撞和扰动的流体将一部份流体动能直接转化为不规则的声场能量散发而产生强噪声，同时，高速高压不稳定气流对管壁的冲击和气流本身随带的噪声也在气体排放的过程中向空间散发。发动机从排气口随废气排放的噪声包括燃料在气缸内燃烧的爆炸声、内部机件在运转时产生的摩擦声和碰撞声、气流排出时的破擦声，及气流对排气管壁、内腔摩擦和冲击激振产生的次级噪声等，噪声频谱宽，且能量大。

常规的降噪措施是废气从发动机气口排出后，从消声器进口管进入消声器壳体，而壳体已被分隔出若干腔室用于气流扩张和缓冲，腔室与腔室之间通过相应的管件勾连，气流在腔室扩张、混响释放单位动能，当气流通过不同的管件时，激发管件谐振阻断不同频率的高频噪声，而低频噪声则通过腔室扩张、混响吸收和释放，在配以阻性或抗性壳体达到发动机排气降噪的效果。这种降噪措施需要一定数量和大小的腔室来达成降噪目标，降噪要求高时，消声器体积相对的大，因而在受限空间配置常规消声器可能达不到明显或要求的降噪效果，且降噪成本高。

发明内容

本发明的目的是：在高速发动机上布置消声器，且在总成空间受限的前提下，提供一种采用小空间结构的高效消声器解决方案。后续页中介绍的一个使用实施例是采用本发明后，得到消声器的有效容积和发动机排量的比值是12，发动机为高速单缸二冲程发动机，噪声排放测试(75％负荷)达到GS认证限值要求，且全负荷运行时也能达到GS认证限值,而满负荷与空负荷的噪声差值未超过2.5dB(A)。

本发明应用的消声基础原理：一是利用亥姆霍兹共振原理；二是利用微孔板对高频噪声的滤波效应。将两者结合为一种具体结构的降噪谐振腔，这种类型的降噪谐振腔是本发明的基本特征和核心结构。

a，利用亥姆霍兹共振原理是：声波在冲击布有一定数量微孔的封闭腔上的微孔板时，微孔内会产生一个个微小气柱，作用类似气弹簧，起到平滑、缓冲、分散和吸收冲击力的作用，从而吸收和降低气流的冲击噪声；

b，微孔板对高频噪声的滤波效应是：声音穿过微孔时，微孔会对不同波长的声波发生针对性的阻隔，不同的微孔孔径对应不同的声波阻隔范围和阻断能力，且阻断能力随声频增高变强，此时微孔板类同音筛，当不规则声波频率和波长混成的高频噪声及气流通过微孔板时，一部份频率的噪声波被阻断或能量弱化，噪声频率段的跨度变窄，高频噪声被过滤掉。由于微孔板对高频噪声频率带的响应范围宽，滤波效应明显，降噪效果形成。

本发明的第一结构特征是在消声器壳体内部设置一谐振腔(板体)，腔体平面的布设方向可与气流方向成正交，也可与气流方向成任一角度。该谐振腔(板体)是仅由近距相邻的两块不同孔径的微孔板构成，微孔板近距相邻也是该谐振腔体的局部特征，孔径小(d2)的微孔板近进气口，孔径大(d1)的微孔板近出气口,两相邻微孔板的间距是在1到2倍(d1+d2)的尺寸范围内选择，d1和d2是微孔孔径。当发动机排出的高速气流穿过谐振腔微孔板时，高频噪声波先被过滤，而2块孔径大小不同的相邻微孔板又可以覆盖较宽波段范围内的高频噪声波的过滤，产生滤波效应的叠加和扩展，实现高速气流本身的高频噪音降噪；同时，由于两微孔板的相邻间距相对较小，在不同孔径和高密度微孔的作用下，两微孔板之间高密度相临的微小高速气流产生气流谐振，汇成一个随高速气流通过而同步形成的动态弹性气柱层，平滑、缓冲、分散气流冲击和吸收气流的高频噪声波，从而发生气流断层面上谐振性的亥姆霍兹共振消声效应，实现高速气流本身的高频噪音降噪，并缓解高速气流冲击消声器壳体构件次生激震噪音。从上表述，第一结构特征的消声作用是由微孔板滤波和亥姆霍兹共振消声共同组成，两者同步，具有双重降噪特点，达成高效降噪目的。

本发明的第二结构特征是消声器壳体腔和谐振腔(板体)是共腔性包容设置，组成谐振腔(板体)的微孔板是微孔高密度板，且微孔是通腔布设，气流通过时不会产生明显限流现象，可以认为消声器壳体腔和谐振腔(板体)是共腔性的，为一体腔型结构。从发动机排出口排出的高速气流可以在壳体腔内无流动性阻碍的膨胀减压和混响释放出单位动能，较好的吸收、弱化和抑制发动机因冲程换气时排放废气产生的气流冲击噪声。同时，由于一体腔型结构气流的流动性阻碍小，高热、高速的废气从排出口排出迅速，发动机的排气背压相应减小，与常规结构的消声器比较而言，发动机功率损失小，燃油消耗量小，也可提升发动机动力总成装置输出有效功率。

本发明的第三结构特征是仅在消声器壳体腔两端加设吸音层，采用纤维或空洞结构的防火材料，其中出口侧端是较厚吸音层，吸音层厚度是在密封筒体端口的上端盖到消声器的气流出口管之间距离的(1/3～1/2)尺寸范围内，加设后，不会明显压缩掉气流膨胀扩张所需的壳体腔容积，但可吸收壳体腔内噪声波反射和减少气流冲击壳体板时次生的激震噪声波，另一方面，由于是两端加设吸音层，壳体内表面无吸音层，高速气流从空间结构上不会产生对吸音材料的流动性切带，可长期维持壳体内局部性的阻性吸音能力。

附图说明

图1是本发明实施例用于发动机成套的一个谐振消声器总成的轴侧外观视图。

图2是本发明实施例的谐振消声器主构件分解视图。

图3是本发明实施例的谐振消声器沿壳体中轴线的轴剖面视图。

图4是图3是沿A-A断面的剖面俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1和图2所示，谐振消声器是由金属板件构成的一个总成，本实施例显示是采用圆筒形状的筒体，但不限于此，也可制成方型、扁圆或其它外型的壳体。主要构成件包括：

件1，用于密封筒体端口的下端盖；

件2，由防火纤维或空洞结构材料构成的靠近进气口的吸音层；

件3，用于封压吸音层的微孔薄金属板；

件4-1和件4-2，构成谐振腔体的两块不同孔径的微孔薄金属板；

件5，消声器的气流出口管，管体进气口端布有若干适宜的，用于气体流入的进气小孔，管体出气口端为单一的通口；

件6，消声器的薄壁金属管筒体；

件7，用于封压靠近消声器出口管侧吸音层的微孔薄金属板；

件8，由防火纤维或空洞结构材料构成的加厚吸音层；

件9，用于密封筒体端口的上端盖；

件10，消声器筒体端部防烫护网；

件11，消声器筒体防烫护网；

件12，带法兰的消声器进口管，法兰用于连接发动机上的废气排放口，插入筒体的一端带若干适宜的出气小孔。

从件1至件9构件相互封连，构成一个除进、出口外的、密封的消声器一体腔室，气流进(出)口管件5和件12分别插接在筒体上，防烫护网件10和件11包覆在筒体上，制成一个一体的消声器总成，本实施例是焊接连接，除此，筒体端口也可采用压封工艺连合密封。

如图3、图4所示，从发动机排出口排出高热、高速的废气通过带法兰的消声器进口管件12后流过出气小孔进入消声器筒体腔，出气小孔的作用是对废气随带的高频噪声波初次滤波和平滑一部分冲程性换气产生的高速废气流脉冲，废气进入筒体腔迅速膨胀减压、降温和混响释放出单位动能，在动能释放的过程中壳体腔两端加设的吸音层吸收和缓解了气流对筒体腔板壁的冲击波，减少和控制了筒体腔板壁次生的激震噪声波，由于构成谐振腔体的件4-1和件4-2是两块不同孔径的高密度微孔的薄金属板，不存在明显的阻流作用，气体膨胀和混响释放单位动能所需的降噪空间有很好的保障，废气可以在腔体中得到消声器全腔体积的膨胀，废气噪声混响降噪效能提升，消声器总成的空间尺寸可以减小。

而更为关键的气流降噪主导作用是腔体内设置的谐振腔(板体)，如前所述，废气在流过时，谐振腔(板体)对高频噪声发生大跨度范围波频段的微孔滤波降噪效应和亥姆霍兹共振原理气柱层降噪吸收效应，废气穿过谐振腔(板体)后，其携带的高频噪声波已被吸收和过滤，而低频噪声则由消声器腔体内设置的吸音层件2和件8吸收，及全腔体积的废气膨胀减压和噪声混响化解控制，因降噪不发生明显节流，排气背压相对小。

已膨胀混响及通过谐振腔(板体)的废气流经消声器出口管件5，并从其进气小孔处完成最后的噪声波过滤降噪后通过管腔排出。

谐振腔(板体)的高度在1到2倍(d1+d2)的尺寸范围内适宜，过大时不形成亥姆霍兹共振原理消声的气柱层；过小时两个过与靠近的微孔板对流体节流明显，消声器堵气。所指d1和d2是微孔薄金属板的微孔孔径,两微孔薄金属板的布设层序宜d1>d2。

由防火纤维或空洞结构材料构成的加厚吸音层件8的厚度，如图示3所示意的:是在密封筒体端口的上端盖到消声器的气流出口管之间距离的(1/3～1/2)尺寸内适宜。在这一范围内不会因厚度不足影响吸音效能，也不容易因吸音层过厚堵出气口次生气涡流噪声。

另一方面，本实施例实施的辅助对比实验表明，若消声器腔体内是布设一道微孔薄金属板，当高速气流穿过时不会形成亥姆霍兹共振原理消声气柱层，在不改变其它结构特征的前提下也会有一个明显的降噪效果，但本实施例的对比结果是存在2～4dB(A)噪声差值，说明谐振腔(板体)的降噪功能明显。然而在不改变其它结构特征的前提下布设一道微孔薄金属板的消声器，在某些特殊的情形下，较常规消声器也会显现出长处，且布设外观与本发明的特征类同，因而在消声器腔体内布设一道或若干道微孔薄金属板的消声器也是本发明的一个附增特征。

本实施例是以发电机GS认证对机组及发动机噪声排放限值要求为本实施例的一个降噪参考控制值。实施例是一台小结构空间布置的加大功率并提速的单缸变频发电机组，采用本发明后，发电机组工作噪声达到并超过GS认证要求的噪声排放限值。

本实施例仅仅是提供一种具体实施案，在本发明的特点和特征范围内还可以其它实施形式实现本发明。如谐振腔(板体)这种特征结构可以独立使用在某一具体的公共设施中实现噪声吸收和降噪功能；或消声器壳体外形是与本实施例不同，或比例不同、或进出口管形状不同。因此，本说明书公开的实施案例仅是一个举例，而不是本发明实施案的全部和制约，所附的权利要求书表述了本发明的权利范围和主张。

Claims (6)

1.一种发动机消声器，其特征在于，其包括一个筒体、用于密封筒体端口的上、下端盖，进(出)口管和筒体端板及筒体上的防烫护网；在内部还包括仅贴向筒体端板的两个吸音层和由两块高密度微孔金属薄板组成的气流谐振腔；消声器的基本材料是金属薄板件，通过焊接和压合的方式连成一个有进出气口的、带腔室的总成件。

2.根据权利要求1所述的发动机消声器，其第一结构特征是在消声器壳体内部设置一谐振腔(板体)，它是由两块近距相邻的、高密度微孔数量的、孔径不同的金属薄板组成，布设层序上是：小孔板是在气体流入方向，大孔板是在气体流出方向；相邻两微孔板的间距是在1到2倍大小微孔直径之合(d1+d2)的尺寸范围内。

3.根据权利要求1所述的发动机消声器，其第二结构特征是谐振腔(板体)共腔性包容在消声器壳体腔内，两者是一体腔型布设结构，两微孔板上的微孔是按一定高密度规格设孔的通壳体腔全断面范围上布孔；谐振腔(板体)的腔体平面的布设方向可与气流方向成正交，也可与气流方向成任一角度。

4.根据权利要求1所述的发动机消声器，其第三结构特征是仅在消声器壳体腔两端加设纤维或空洞结构的防火材料吸音层，其中出口侧端是较厚吸音层，厚度为密封筒体端口的上端盖到消声器的气流出口管之间距离的(1/3～1/2)尺寸范围内；吸音层由微孔金属薄板封压。

5.根据权利要求1所述的发动机消声器，其结构特征还包括消声器的进(出)气管插入筒体的一端带若干适宜的进(出)气小孔，进(出)消声器壳体的气流不是通过管口进(出)的，而是通过管件上的若干小孔流进或流出，即，进(出)气管件的一个管口端部是封堵的。

6.根据权利要求1所述的发动机消声器，如果气流谐振腔拿掉，变更为一道或若干道微孔薄金属板替代，也是本权利要求书的权利主张。