1 文献综述
1.1  汽车消声器的研究背景及意义
随着汽车工业和交通运输业的发展,国内汽车数量与日俱增，随之产生的交通噪声污染问题愈发突出。噪声污染已经同水污染、大气污染、固体废弃物污染并称为当今社会的四大公害[1]。其对人体的伤害是多方面的，它损伤人的听觉，影响人的生理健康，使人产生烦躁不安等心理反应。因此必须对交通噪声加以控制[2-3]。
为了限制交通噪声污染，各国都制定了严格的噪声法规。我国也于1979年第一次颁布了国家标准(GB-1495-79)，加入WTO以后，为了适应国内外更加激烈的竞争，我国又于2002年提出了更严格的汽车加速行驶车外噪声限值 GB1495-2002[1]。从以上可以看出国家对控制交通噪声的重视。
据统计,城市交通噪声是城市环境噪声中最主要的噪声源，约占整个环境噪声能量的50％-75％[4]。因此控制城市噪声污染的关键在于控制城市交通噪声。而目前城市交通噪声的最主要噪声源是汽车噪声,因而解决城市噪声污染的关键在于对汽车的噪声控制。
为了控制汽车噪声，最普遍的方法是安装汽车消声器。分析汽车噪声的来源，主要包括发动机噪声、冷却风扇噪声、排气噪声、传动系及轮胎噪声等。其中排气噪声是最主要的噪声源,因此使用排气消声器是降低排气噪声的最有效途径[5]。
对消费者而言，在购买汽车时，人们希望得到一个舒适安静的车内环境，因此，噪声问题就成为影响消费者选择最主要的因素之一[6]。从汽车生产厂商角度来讲，随着汽车技术的不断推陈出新，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的差别日益缩小。相比之下，汽车的 NVH（噪声、振动和舒适性）性能就常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素之一[7]。因此，对厂商而言，降低汽车噪声可以迎合消费者需求，提高市场竞争力,为企业创造更大的商业利润[8]。
从国家发展战略角度来讲，由于我国汽车消声器的研究起步晚，加之本身重视不够，在消声器的研究设计方面与发达国家还存在很大差距，消声器的制造只是参照国外样件的基础上进行仿照设计，真正的核心技术都掌握在外国人手里[9]。因此，为了提高我国汽车行业在国际上的竞争力，对汽车消声器的研究就显得尤为重要了。
综上所述，不论从城市环境保护、消费者需求，汽车厂商自身利益出发，还是从国家发展战略角度来讲，对汽车消声器进行深入研究是非常有价值和深远意义的。
1.2  消声器在国内外研究历史及发展现状
由于现在应用最多的是汽车排气消声器，本人研究的也主要是排气消声器，所以在这里主要阐述汽车排气消声器的研究历史和发展现状。
早在上世纪初期，国外的汽车厂商就开始研究汽车消声器。但由于汽车消声器涉及到传热学、流体力学、发动机学、声学等众多学科，研究难度很大，加上当时技术条件的限制，因此早期汽车排气消声器的研究设计主要依靠经验,采用实验研究的方法,在发动机台架或整车上做大量反复的试验来设计消声器,满足要求者即是所需的消声器。这种方法具有一定的盲目性,成功率低,周期长,还浪费了大量的人力和物力。然而，随着计算机技术的高速发展以及一些大型CFD模拟仿真软件的出现，为汽车消声器的设计研究提供的新的方法和思路。
概括起来，对排气消声器的研究目前主要有一下三种方法：传递矩阵法、边界元法和有限元法。
1.2.1  传递矩阵法
传递矩阵法又叫四端网络法，是最常用的一种方法。该方法是基于一维平面波理论的分析方法，即在建立消声器模型时不考虑气流和温度场的影响[6]。马晓光在低频率范围内通过这种方法可以计算出简单消声器的噪声衰减[10]。但它有以下几点不足：（1）仅能用于假想的线性波传播模型下；（2）用这种方法不能计算背压；（3）不能预测消声器的瞬态声学性能[11]。下面是国外一些研究学者利用传递矩阵法的研究实例。
美国学者Stewart于1920年率先用声滤波器理论指导抗性消声器设计,利用集中参数近似算法分析消声器元件。Davis于1954年发表了平面波理论的经典论文,运用平面波的理论,分析了无气流情况下的消声器的声学特性[12]。Fukuda于1950年提出用等效电路得到的传递矩阵法计算消声器的传声特性[13]。Crocker和Thawani于1970年提出了存在气流影响时的声波传播理论,但仍然没有考虑温度梯度的影响[14]。之后M.G.Prassed给出了直管的计算模型,M.L.Munial对穿孔管的计算进行了较全面的论述。在国内，江苏理工大学的蔡超等人利用声传递矩阵法作了较多的研究,但是在研究中没有考虑气流的影响[15]。
1.2.2  边界元法
边界元法(BEM，Boundary Element Method)是一种新的数值计算方法,具有单元未知数少，数据准备简单、精度较高等优点，是一种高效先进的数值方法。能对轴对称消声器的声场及消声特性进行计算，由于整个过程中不牵涉到内部点物理量，因而比其它数值方法更适合于预测管道及消声器系统的消声特性，且具有较高的计算精度[16]。用边界元法可以预测任何给定几何性质的抗性消声器的噪声衰减性能，这种方法不再局限于一维平面波理论[11]。下面是国外一些研究学者利用边界元法的研究实例。
美国肯塔基大学Seybert A F在1987年用边界元法对消声器内部声场方面的问题进行了研究,开创了边界元方法在消声器研究中应用的先河[17]。此后，Ji等人通过研究发现：利用边界元法预测得到的结果与利用三维模型对一些消声器的实验分析得到的结果非常相近。Yumex公司利用三维CFD和三维边界元法相结合的方法来预测商用汽车消声器的噪声[11]。在国内，吉林工业大学的黎志勤较早提出了利用边界元方法进行消声器性能研究[18]，哈尔滨工程大学的声学专家季振林进行了更为深入的研究[19]。
1.2.3  有限元法
有限元法(FEM，Finite Element Method)将声传播的空气域用有限元离散化,它既能分析线性问题也能分析非线性问题，是一种分析复杂形状系统动态特性的有力工具[6]。有限元法对模拟声波在不规则形状空腔中的传播特别有效，它可以应用于任意形状的消声器，并且可以考虑壁面振动、流动、温度梯度对消声性能的影响。
Young和Crocker于1975年首先提出用有限元方法来分析消声器元件的传递损失，使得消声器中高阶模式的声波分析成为可能。在国内，天津大学的蓝军[20]、河北工业大学的董正身[21]等人也对汽车排气消声器的有限元法进行了研究，并取得了一定成果。
1.2.4  三种研究方法总结
传递矩阵法简单方便,实用性强。但只适用于结构简单的消声器，且只能在低频率范围内；
边界元法适用于二维和轴对称情况,其明显优点是减少了空间维数和划分单元模型的工作量，计算时间短,但是还不能对复杂结构的消声器进行三维分析计算[22]；
有限元法可以分析消声器中高阶模式的声波。特别适用于处理复杂的具有串、并联分支结构的排气系统。可以应用于任意形状的消声器,并且可以考虑壁面振动、流动、温度梯度对消声性能的影响。
综上所述，不同的研究方法有不同的优缺点。在实际应用中，应该根据具体情况选择合适的分析方法。
1.3  汽车消声器工作原理及结构分类
根据工作原理的不同，汽车消声器主要分为三大类：阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。下面分别介绍一下这三类消声器的工作原理、构造、优缺点等。
1.3.1  阻性消声器
阻性消声器的工作原理是利用装置管道内的吸声材料或吸声结构的吸收作用,使管道传播的声音不断被吸收,从而达到消声的目的。在这个过程中消声器吸收了声波的能量转变成声能,就相当于交流电路中加接了电阻一样,在电阻上电能的损耗在电路中起限流和降压的作用。这类消声器的消声量主要取决于所用吸声层的吸声系数和消声器的长度及吸声表面积。它的有效吸声频带较宽,对中、高频声音能取得较好的消声效果。其主要缺点是怕高温、怕水气、油雾、烟灰堵塞吸声材料微孔而减少吸声系数,降低消声效果[23]。
1.3.2  抗性消声器
抗性消声器的工作原理是利用管道中声学性能突变的交界面处声波将被反射和折射的性质,在管路上加装截面突然扩大或缩小,或旁接共振腔的通道,使声音不通过而达到消声的目的。抗性消声器不直接吸收能量,就像在交流电路中加接了电感和电容一样,阻止交流电电流或电压的变化,也可组成谐振电路起滤波作用。抗性消声器的特点是能在低中频率范围内有选择地消声、能耐高温等,且构造简单[24]。
1.3.3  阻抗复合式消声器
阻性消声器对中、高频噪声消声效果好，而抗性消声器适用于消除低、中频噪声，因此在实际应用中，为了在低、中、高的宽频率范围获得较好的消声效果，常采用阻抗复合式消声器。其消声原理，可以认为是阻性与抗性在同一频带的消声值相叠加。但由于声波在传播过程中具有反射、绕射、折射、干涉等特性，所以，其消声值并不是简单的叠加关系。阻性消声器按结构可分为管式、片式、蜂窝式和弯头式。它既有阻性吸声材料和结构，又有共振腔、扩张腔等抗性元件，因此能在较宽的范围内取得很好的消声效果。但由于阻性段有吸声材料，因此一般不适合用于高温含尘的环境中。
2  本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径
2.1  要研究的问题
消声器作为发动机排气系统的重要组成部分之一，其主要作用就是通过逐渐降低排气压力和衰减排气压力的脉动使排气能量耗散殆尽，最终降低排气噪声。实体消声器结构复杂，其内部气体的流动是三维与非定常的，其内部流场的分布对于消声器的设计有着重要的指导作用，但至今对于消声器内流场的变化，尤其对压力场和温度场的分布研究相对比较少。本课题拟借助流体计算软件FLUENT对消声器内部流场的变化进行计算，并根据得到的压力场和温度场的变化对消声器的影响进行分析。以期对消声器的设计提供一定的理论指导。
2.2  拟采用的研究手段和途径
（1）到学校的网上图书馆查阅相关资料，熟悉汽车消声器的基本原理，工业应用及国内外研究现状等。
（2）翻译外文资料，进行文献综述，完成开题报告，开题。
（3）安装熟悉网格建立软件GAMBITA和流体力学计算软件FLUENT的使用。按照参考书中的算例进行算例计算，熟悉相关计算流程。
（4）在熟练对算例进行计算的基础上，利用GAMBITA软件建立消声器几何模型并划分网格，使建立的网格既能满足计算结果精度的要求，又符合运算经济性的要求。
（5）将网格文件导入流体力学计算软件FLUENT中，利用FLUENT对不同结构和尺寸的消声器内部流场进行数值模拟，给出消声器内压力场、温度场和速度场的分布及特殊平面的压力和速度分布图，并对结果进行分析，为消声器的设计提供理论指导。
参 考 文 献
1  刘鹏飞.汽车排气系统的声学性能及流场特性的数值分析研究,[学位论文]，合肥工业大学,2009
2  马大猷.声学和人的生活质量.噪声与振动控制，2001,6(3)：1~1
3  方丹群.噪声的危害及防治.北京：中国工业出版社，1977
4  张邦俊，翟国庆.环境噪声学.浙江：浙江大学出版社，2001
5  费维.汽车排气消声器的声学特性计算及其优化设计，[学位论文]，合肥工业大学,2004
6  马晓光.车辆消声器优化设计及降噪研究，[学位论文]，兰州理工大学，2010
7  林逸，马天飞，姚为民.汽车NVH研究特性综述.汽车工程，2002，24(3)： 177~182
8  方忠甫.汽车排气系统的声学性能及流场特性的数值分析研究，[学位论文]，合肥工业大学，2006
9  王耀前.消声器性能三维有限元计算方法的探讨，[学位论文]，江苏大学，2003
10  Munjal ML.Acoustics of ducts and mufflers. America: John Wiley & Sons, 1987
11  Yasuda T, Wua C, Nakagawa N, et al. Predictions and experimental studies of the tail pipe noise of an automotive muffler using a one dimensional CFD model. Applied Acoustics, 2010(71): 701~707
12  Davies.Exhaust System Acoustic Predietions Programme Description and Operating Manual.Journal of The Southampton University, 1987,14(25): 22~26
13  Fukuda Mokena J.A，Study on Characteristics of Cavity-type Mufflers(2nd report) .Bulletion of JSME，1970，13(55)：96~104
14 Doige A.G.，Thawani P.T.. Mufflers Performance from Transmission Matriess.Noise-con, 1979,12(17):  245~254
15  蔡超,宫镇,曾发林.内燃机排气消声器声传递矩阵的研究.汽车技术，1994(4): 12~17
16  方建华.基于CFD的工程机械抗性消声器设计与性能分析，[学位论文]，山东大学,2009
17  Seybert A F,Cheng C Y R.Application of the boundary  method to acoustic cavity response and muffler analysis.Journal of vibration,acoustics,stress,and reliability in design.1987，109(l): 15~21
18  黎志勤,黎苏,周昌林.内燃机排气消声器声学边界元模型的建立及其应用.汽车工程，1991,13(2): 107~115
19  季振林,张志华,马强.管道及消声器声学特性的边界元法计算.计算物理，1996,13(l): l~6
20  蓝军,杜海明.单腔扩张式消声器传声特性的有限元分析.小型内燃机与摩托车,2001，30(2)：37~40
21  董正身，张旭，黎苏.汽车排气消声器的二维有限元分析.小型内燃机，1998，27(4) ：41~46
22  罗红，王伟戈，邓兆祥.汽车排气消声器内部流场和声场数值分析.重庆大学学报, 2006,29(8): 66~67
23  马大猷.噪声控制学.北京：科学出版社,1987
24  洪宗辉，潘仲麟.环境噪声控制工程.北京：高等教育出版社,2002
指导教师意见：
该同学通过毕业实习和文献查阅，现已对汽车消声器的结构、工作原理及国内外的研究现状有了较为深入的了解。通过综述国内外有关消声器的研究历史和研究方法及研究结果，明确该课题研究的必要性和迫切性。在此基础上，提出本课题拟利用流体力学计算软件FLUENT对对消声器内部流场的变化进行计算，并根据得到的压力场和温度场的变化对消声器的影响进行分析。以期对消声器的设计提供一定的理论指导。课题具有重要意义，方案可行。
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