本發(fā)明涉及一種低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，具體涉及一種柴油發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，屬于排氣消聲器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

消聲器是一種既能夠允許氣流通過，又能有效降低管道內(nèi)噪聲傳播的裝置。隨著國內(nèi)外噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，噪聲排放控制成為柴油機工作過程中越來越受重視的問題。柴油機與汽油機相比，有更嚴(yán)重的噪聲污染問題。研制具有優(yōu)秀降噪效果的排氣消聲器是降低柴油機噪聲的重要手段。而現(xiàn)有的柴油機排氣消聲器，在中、低頻具有消聲性能差、體積大、氣流再生噪聲大等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，克服了柴油機現(xiàn)有排氣消聲器中、低頻消聲性能差、體積大、氣流再生噪聲大的缺點。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，包括消聲器殼體、前穿孔管、后穿孔管、第一至第三隔板；所述前穿孔管從消聲器殼體的前端插入，且前穿孔管的前端與消聲器殼體的前端焊接，后穿孔管從消聲器殼體的后端插入，且后穿孔管的后端與消聲器殼體的后端焊接，前穿孔管與后穿孔管之間不接觸；前穿孔管與消聲器殼體之間設(shè)置有圓環(huán)形第一隔板，后穿孔管與消聲器殼體之間設(shè)置有圓環(huán)形第二隔板和第三隔板，第一至第三隔板將消聲器殼體從前至后依次分為四個腔，在前穿孔管位于第一腔部分的中間部位沿周向打有消聲通孔，在后穿孔管位于第三腔部分的中間部位沿周向打有消聲通孔，在后穿孔管位于第四腔部分的中間部位沿周向打有消聲通孔。

作為本發(fā)明的進一步方案，所述排氣消聲器還包括法蘭，所述法蘭與前穿孔管的前端焊接，用于將排氣消聲器與排氣管連接起來。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一隔板、第一隔板與消聲器殼體前端之間的消聲器殼體、第一隔板與前穿孔管前端之間的前穿孔管部分構(gòu)成排氣消聲器的第一擴張腔；第一隔板、第二隔板、第一隔板與第二隔板之間的消聲器殼體、第一隔板與第二隔板之間的前穿孔管部分和后穿孔管部分構(gòu)成排氣消聲器的第二擴張腔；第二隔板、第三隔板、第二隔板與第三隔板之間的消聲器殼體、第二隔板與第三隔板之間的后穿孔管部分構(gòu)成排氣消聲器的第三共振腔；第三隔板、第三隔板與消聲器殼體后端之間的消聲器殼體、第三隔板與后穿孔管后端之間的后穿孔管部分構(gòu)成排氣消聲器的第四擴張腔。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述前穿孔管在第二擴張腔部分的長度為第二擴張腔長度的1/4，后穿孔管在第二擴張腔部分的長度為第二擴張腔長度的1/2。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一擴張腔、第二擴張腔、第四擴張腔的長度l可通過下式計算得到：

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

其中，f表示第一擴張腔、第二擴張腔、第四擴張腔對應(yīng)的目標(biāo)消聲頻率，c表示聲速，n為整數(shù)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第三共振腔的長度可通過共振腔體積除以共振腔的截面積得到，共振腔體積可通過下式計算得到：

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

其中，V表示共振腔體積，f₀表示共振腔的共振頻率，c表示聲速，S₀表示單個消聲通孔的截面積，l₀表示共振腔內(nèi)穿孔管的壁厚，d表示單個消聲通孔的直徑，t表示消聲通孔的個數(shù)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，針對中低頻排氣噪聲消聲，且消聲量大、出口噪聲小。

2、本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，排氣背壓小、發(fā)動機功率損失小。

3、本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，體積小、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單。

4、本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器，安裝方便、制造成本低、便于加工并實現(xiàn)工程化，具有廣泛應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明其中一個實施例的消聲量隨頻率變化曲線圖。

其中，1-法蘭，2-前穿孔管，3-消聲器殼體，4-第一隔板，5-后穿孔管，6-第二隔板，7-第三隔板，8-第一腔的消聲通孔，9-第三腔的消聲通孔，10-第四腔的消聲通孔，11-尾管。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明針對1000Hz以內(nèi)的低頻區(qū)域，基于擴張腔聲波反射與干涉消聲以及共振腔共振消聲的原理，研究出一種具有優(yōu)秀降噪效果的低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器包括法蘭1，法蘭1與前穿孔管2焊接，前穿孔管2的前端與消聲器殼體3的前端焊接，消聲器殼體3與前穿孔管2之間焊接第一隔板4，消聲器殼體3的后端與后穿孔管5的后端焊接，消聲器殼體3與后穿孔管5之間焊接第二隔板6；第二隔板6與消聲器殼體3后端之間焊接第三隔板7；消聲器殼體3的后端與尾管11焊接；前穿孔管2在第一腔的中間部位沿周向排布第一腔的消聲通孔8；后穿孔管5在第三腔的中間部位沿周向排布第三腔的消聲通孔9；后穿孔管5在第四腔的中間部位沿周向排布第四腔的消聲通孔10。

第一隔板、第一隔板左側(cè)的消聲器殼體及第一隔板左側(cè)的前穿孔管構(gòu)成排氣消聲器第一擴張腔；第一隔板、第二隔板、第一隔板與第二隔板之間的消聲器殼體、第一隔板右側(cè)的前穿孔管及第二隔板左側(cè)的后穿孔管構(gòu)成排氣消聲器第二擴張腔；第二隔板、第三隔板、第二隔板與第三隔板之間的消聲器殼體及第二隔板與第三隔板之間的后穿孔管構(gòu)成排氣消聲器第三共振腔；第三隔板、第三隔板右側(cè)的消聲器殼體及第三隔板右側(cè)的后穿孔管構(gòu)成排氣消聲器第四擴張腔。

第一腔的消聲通孔8位于第一擴張腔的中部；第三腔的消聲通孔9位于第三共振腔的中部；第四腔的消聲通孔10位于第四擴張腔的中部。

本發(fā)明的工作原理是：在擴張腔內(nèi)，當(dāng)聲波波長遠大于消聲器各部分尺寸時，管子內(nèi)的空氣柱像活塞一樣運動，不同的管子和擴張室組合，相當(dāng)于不同聲質(zhì)量和聲順的組合，適當(dāng)?shù)慕M合就可以阻止某些頻率的噪聲通過消聲器，從而達到消聲目的。在共振腔內(nèi)，當(dāng)聲波傳遞到穿孔管的消聲通孔位置時，由于聲阻抗突變，一部分聲波反射回去，一部分聲波進入消聲通孔和共振腔中。當(dāng)聲波頻率與共振腔的共振頻率接近時，空氣在消聲通孔壁面上不斷振動摩擦，在粘滯阻尼和導(dǎo)熱的作用下，不斷消耗聲波能量，達到消聲目的。

對擴張腔，在截面為S₁的管道中插入一段長度為l、截面為S₂的管道(擴張室)，即構(gòu)成最簡單的單節(jié)擴張室消聲器，其聲強透射系數(shù)為：

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

其中，k為波數(shù)，k＝2π/λ，λ為聲波波長；I₁和I₂分別為通過擴張室前后的聲強。于是，消聲量為：

$\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)$

表示擴張比，可以看出，當(dāng)kl＝nπ，即時(n＝0,1,2,...)，sin²(kl)＝0，消聲量ΔL＝0，表明聲波可以無衰減地通過消聲器，這是單節(jié)擴張室消聲器的主要缺點。此時，對應(yīng)的頻率稱為消聲器的通過頻率：

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

當(dāng)時，sin²(kl)＝1，消聲量最大，可以導(dǎo)出消聲量最大時的相應(yīng)頻率為：

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

利用內(nèi)接管的方法將擴張的入口管和出口管分別插入消聲器殼體內(nèi)，由理論分析可知，對長度為L的擴張腔，當(dāng)插入管長度等于時，可消除式(3)中n為奇數(shù)的通過頻率。當(dāng)插入管長度等于時，可消除式(4)中n為偶數(shù)的通過頻率，二者結(jié)合，可得到較為理想的消聲效果。

對共振腔，確定共振腔的共振頻率至關(guān)重要。取單個共振腔，設(shè)有t個消聲通孔，那么共振腔的共振頻率f₀可以表示為：

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

其中，V表示共振腔體積，用體積除以共振腔的截面積得到共振腔的長度，c表示聲速，G為傳導(dǎo)率，表達式如下：

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

其中，S₀表示單個消聲通孔的截面積，l₀表示共振腔內(nèi)穿孔管的壁厚，d表示單個消聲通孔的直徑。

由式(5)和式(6)可知：共振腔體積越小、消聲通孔截面積越大，則共振腔的共振頻率也就越大。

單個共振腔對頻率為f的純音消聲量(傳遞損失)為：

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

其中，S為穿孔管內(nèi)壁截面積。由式(7)可知：共振腔體積越大、消聲通孔截面積越大，則共振腔的消聲量也越大。

因此，通過合理選擇消聲通孔的個數(shù)、單孔截面積、共振腔體積以及共振腔的個數(shù)，可以使得消聲器在較寬頻帶內(nèi)具有足夠的消聲量，達到消聲目的?？紤]尺寸限制，對擴張腔，根據(jù)目標(biāo)消聲頻率和式(4)可計算得到擴張腔長度尺寸；對共振腔，根據(jù)式(5)和式(6)可計算得到共振腔長度尺寸。

以下通過有限元仿真和試驗說明低噪聲復(fù)合式多腔排氣消聲器的消聲效果。通過噪聲測量試驗，測得某柴油機排氣噪聲的能量主要分布在2000Hz以內(nèi)，特別是1000Hz以內(nèi)能量最為集中。據(jù)此設(shè)計的本實施例，前穿孔管內(nèi)徑為50.5mm，壁厚為1mm；后穿孔管內(nèi)徑為42mm，壁厚為1mm；消聲器殼體內(nèi)徑為97mm，壁厚1.5mm；第一腔有12列共228個消聲通孔，孔徑為4mm；第三腔有3列共45個消聲通孔，孔徑為4mm；第四腔有10列共190個消聲通孔，孔徑為4mm；各腔長度尺寸分別為103mm、187mm、50mm、102mm，前穿孔管在第二擴張腔部分的長度為第二擴張腔長度的1/4，后穿孔管在第二擴張腔部分的長度為第二擴張腔長度的1/2；各腔隔板壁厚均為1mm。

通過仿真計算，得到本實施例的傳遞損失。從圖3可以看出，本實施例在1130Hz、1820Hz、2100Hz、3310Hz、3920Hz出現(xiàn)共振峰，傳遞損失明顯，2400Hz以內(nèi)中低頻及3300Hz以上的高頻消聲性能較好，最大達到93dB，達到了消聲目的。

將該型柴油機安裝到相應(yīng)的某型拖拉機上形成完善的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品，進行多工況實際測量。本實施例在拖拉機的定置噪聲測試中，距離排氣消聲器排氣出口10cm處，在發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速和常用惡劣檔位下，與原有消聲器相比，測得的聲壓級降低了6dB(A)。在不改變拖拉機其他噪聲輻射條件下，按照國家測試標(biāo)準(zhǔn)，測得僅由排氣消聲器出口聲壓級降低的貢獻，導(dǎo)致的駕駛員耳旁聲壓級降低，由原來高于國標(biāo)變成低于國標(biāo)2dB(A)，有效地降低了噪聲并提高了駕駛員舒適性。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。