一种新型排气消声器的正交试验与设计（完）

systen18

一种新型消声器的正交试验与设计
刘永滨
（天津工程师范学院汽车工程系，天津300222）
内容提要：本文探讨了消声器设计与正交试验。通过正交试验和试验分析，正确选取消声器参数，试制出性能较好的消声器样品。新试制的消声器各项性能均优于原机消声器。结果表明：正交试验能够节省试制费用、时间和工作量，并且可以优化消声器的设计。
关键词：消声器，插入损失、阻力损失、正交设计
Orthogonal Test and Design of a New Silencer
LIU Yong-Bin
(Tianjin University of Technology and education,Tianjin 300222,Chian)
Abstract: The article covers design and orthogonal test of silencer. Via orthogonal test and test analysis, choosed parameter of silencer rightly, had trial-manufactured silencer of preferably  performance. The new and trial-manufactured silencer excelled the silencer of original machine on each item performance. The result indicate that orthogonal test can economize trialmanufactured  expenditure、time and work load，moreover can optimize design of silencer.
Keyword: silencer、insertion loss、Resistance loss、orthogonal design
目前，世界主要汽车大国，如美、日、欧、韩等国的过路噪声A声级标准在74- 80dB之间，而且美国、日本及欧洲各国，基本上每5年即对法规修订一次，并且每次修订后都将噪声限值下降2-3dB。当前国外机动车辆噪声控制技术的发展相当迅速，否则就无法实现标准快速提高的要求。随着我国汽车保有量的不断增加，汽车噪声逐渐成为主要的环境噪声污染源。我国政府己认识到噪声控制的必要性和急迫性，不断制定更为严格的法规。从2002年10月1日起我国将执行新的《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》。【1】从这一方面来说，对机动车噪声污染的控制就将面临着极大的挑战。因此，研制高性能的排气消声器，便成为降低汽车噪声，从而降低城市环境噪声的首要任务。
一、        概述
目前汽车消声器的研究方兴未艾，出现了声传递矩阵，有限元，有限差分，边界单元，神经网络方法来对消声器进行设计与性能预测【2】，它们或多或少都促进了消声器设计与性能预测水平的提高，但是消声器的设计是一个比较复杂的问题。它们仍然不能代替试验方法对消声器的设计与性能的评价，在汽车公司实际设计消声器中，我们常用试凑法通过反复的设计，试验来研制消声器。这种方法所需研制周期大，费用高。正交试验设计是研究多因子试验问题的重要数学方法。本文利用这一方法，通过安排少量的多因素的消声器在发动机台架的试验，并对数据进行分析，很快试制出了性能良好的消声器供发动机使用，通过分析还找出了影响该种结构消声器性能的主要因素。
二、        消声器参数选择与正交表的设计
我们选择一台4缸柴油机作为本次研究的对象，它的消声器既有扩张室又有共振室，是一个三腔的抗性消声器。基本零件有前后消声管、中间消声管、两个隔板、端盖及外壳(见图 1)。

表一、某柴油机参数
总排量(L)        标定功率/转速(kw/r/min)        最低燃油消耗率(g/kw.G)
3.298        58.8/3200        ≤238
最大扭矩/转速
(Nm/r/min)        发动机噪声
（dB【A】没有消声器）        发动机噪声
（dB【A】有消声器）
201/2000～2200        105.4        89.1
        
              
             图1、4缸柴油机消声器结构
根据有关理论计算和以往的经验，在设计中我们应着重考虑消声器三腔长度比例、前消声管长度占第二腔长度的比例、中消声管在第一腔第三腔的长度比值、后消声管占第三腔长度的比例、前中后消声管的穿孔直径(mm)、前中后消声管的穿孔率(%)、前中后消声管直径(mm)对插入损失和阻力损失的影响。在正交试验设计中，根据以往经验选取试验因素和水平如表二；
在正交试验中，试验分标准正交试验与混合水平正交试验，而7个因素3个水平正好有标准正交试验表。同时，在满足因素水平的基础上，我们应该尽量选用最小的正交表 这样可以减小样品试制以及样品试验的工作量，所以这次消声器优化设计试验选用L18(3*7)正交表，试验表头见附表1。这次试验样品为 18个，
表二、试验因素和水平的选取
序号        因素        水平
A        消声器三腔长度比例        A1=3.6:2:1.25        A2=3.3:2:1        A3=3:2:0.75
B        前消声管长度占第二腔长度的比例        B1=0．25        B2=0．5        B3=0.75
C        中消声管在第一腔第三腔的长度比值        C1=2.5        C2=1.5        C3=0.5
D        后消声管占第三腔长度的比例        D1=0．25        D2=0．5        D3=0.75
E        前中后消声管的穿孔直径(mm)         E1=5.0        E2=3.5        E3=2.5
F        前中后消声管的穿孔率(%)        F1=5        F2=3        F3=2
G        中消声管直径(mm)        G1=57.5        G2=55        G3=52.5
试验次数也为 18次，比作全因子试验73 =343次要减少325次(同时要少试制325个样品)。 极大的减少了工作的时间与费用，这正是正交试验法的优点。
三、试验
对排气消声器的试验可分为模拟试验和实机试验。为了使试验更方便、快速以及数据齐全，我们在正交试验中采用模拟试验，这样我们可以节省费用、时间以及工作强度。同时我们还可以获得齐全的数据便于分析。最后根据模拟试验的分析结果，我们选择三个性能较好试验样品进行实机试验。这样我们可以更加接近于实际情况，来评价我们设计的消声器。
3.1、正交试验
按照附表1，我们试制了18个样品，其试验按国标GB4760-84(内燃机排气消声器测量方法 》进行。试验条件是这样的：首先在柴油机标定功率工况下，录制原机在无消声器情况下的排气躁声，并测量排气流量。然后将18个样品安装在消声器模拟试验台(请参阅参考文献【3】)上，重放排气噪声，并使风机流量等于我们测取的发动机排气流量平均值，这样就可以测量18个样品在这个工况下的插入损失以及阻力损失。
测量插入损失请参阅参考文献【3】，测量阻力损失时，在消声器上、下游测量管道的刚性壁上各选择一个压力测量点；在该点前后接上U形管压力测量计，试验中读取U形管压力测量计压力差就是消声器阻力损失。
试验结果见附表2，根据正交理论，我们对试验结果进行了
分析。其插入损失测量误差为1.83%、阻力损失测量误差为 0.59％。其分析结果见表三。根据正交试验理论【4】，极差值大的因素即为对试验结果影响大的因素。从结果来看，对插入损失影响轻重次序为中CDBEFGA;最优参数组合为A2G2F2E1B1D2C3;对阻力损失影响轻重次序为EBFGDCA, 最优参数组合为A1C3D3G1F2B3E3。
对于柴油机来说，某个排气消声器的插入损失和阻力损失指标往往是矛盾的。因此最优设计应该综合了插入损失与阻力损失的影响因素，进行参数的优化选取和综合考虑，得到插入损失与阻力损失平衡的设计方案。从分析结果来看,无论是插入损失和阻力损失,C3、F2都是
表三、消声器7因素均差、极差和偏差平方和

A        B        C        D        E        F        G
插
入
损
失        均差1        18.083        18.117        18.033        18.067        18.133        17.983        18.000
        均差2        18.233        18.083        18.017        18.100        18.083        18.217        18.233
        均差3        17.783        17.900        18.050        17.933        17.883        17.900        17.867
        极差        0.450        0.217        0.033        0.167        0.250        0.317        0.366
        偏差平方和        0.630        0.163        0.003        0.093        0.210        0.323        0.413
阻
力
损
失        均差1         6.375         6.510         6.402         6.575         6.567         6.568         6.458
        均差2         6.605         6.575         6.573         6.598         6.522         6.485         6.583
        均差3         6.603         6.498        6.608         6.410         6.495         6.530         6.542
        极差         0.230         0.077         0.206         0.188         0.072         0.083         0.125
        偏差平方和        0.210        0.020        0.147        0.126        0.016        0.021        0.049
最优参数。根据分析结果以及经验，我们选取了三个方案进行实机试验，它们是：1＃样品为A3B2C3D2E1F2G2, 2＃样品为A2B3C3D3E2F2G1。、3＃样品为A2B2C3D3E2F2G1。
3.2、台架试验
试验用发动机严格按照标准JB3743—84《汽车发动机试验方法》中的要求调试合格。声学测量部分按国标GB4760-84《内燃机排气消声器测量方法》进行，试验时，消声器由排气管引出试验室，并用隔声障板堵住试验室大门以防止室内发动机噪声传出对测量点产生影响。其背景噪声为56.2(dB[a]),根据原机89.1(dB[a])的噪声水平，背景噪声可以忽略不计。噪声测点设在排气管口，测点与排气管轴线成45度夹角，距离0.5m。测点距地面高度大于1.5m。
测量仪器使用台湾泰仕TES-1357 精密噪音计,在测量前 、中、后分别用日本R10N NC-72型活塞发生器对测量系统进行标定，使测量前后的系统误差<O.2dB。
测量消声器在柴油机标定功率工况下的声学和动力性性能，结果见表四。
从结果来看，1＃样品、2＃样品、3＃样品的消声以及动力学性能均优于原机消声器，而3＃样品综合考虑了消声以及动力学性能。它消声性能虽然稍小于1＃样品，但是它的阻力损失小于1＃样品；同时它的阻力损失虽然稍大于2＃样品，但是消声性能好于2＃样品。我们推荐3＃样品代替原机消声器。
表四、标定功率工况下消声器性能
            项目        排气噪声
dB(A)        排气背压
kPa        功率损失比        插入损失
dB(A)
不装消声器        105.4        1.2        \        \
装原机消声器        89.1        8.8        4.6%        16．3
1＃        85.3        6.9        3.6%        20．1
2＃        86.7        5.0        2.6%        18．7
3＃        85.8        5.2        2.7%        19．6
四、结 论
（1）、使用正交试验方法，可以用来对排气消声器进行多因素多水平的试验，它能够极大的节省试验费用、时间和工作强度；
（2）、在对试验结果进行分析后，我们可以找出影响消声器声学和动力学性能的主要参数，可以在较大范围内的找到最优工程条件组合，
（3）、由正变试验法设计出的最优方案的3#消声器在排气噪声、插入损失、功率损失比和排气背压等各项指标均优于原机消声器。而且新设计的3#消声器在外形和结构上与原机消声器相同，极易推广使用。本次工作应用正交法进行消声器参数的优化设计，取得了较好的效果。
（4）、对正交试验法结果的分析得出，该类结构的消声器三腔长度比例是影响插入损失和阻力损失的最重要因素。同时无论是插入损失和阻力损失, C3、F2都是最优参数。
参考文献：
【1】        王伟.柴油机排气消声器的设计与研究.山东大学硕士学位论文. 2004年7月
【2】        黎志勤、黎苏.汽车排气系统噪声与消声器设计.中国环境科学出版社出版、1991年12月
【3】        刘永滨，杜莉.汽车发动机排气消声器模拟试验系统的研制【J】.天津职业技术师范学院学报第13卷第3期：30－33
【4】        E. Dokumaci，A Note on Transmission of Sound in a Wide Pipe with Mean Flow[J]，Journal of Sound and Vibration, 1997: 653-655

附录：           附表1、正交试验安排表

A        B        C        D        E        F        G
1         A1         B1         C1         D1         E1         F1         G1
2         A1         B2         C2         D2         E2         F2         G2
3         A1         B3         C3         D3         E3         F3         G3
4         A2         B1         C1         D2         E2         F3         G3
5         A2         B2         C2         D3         E3         F1         G1
6         A2         B3         C3         D1         E1         F2         G2
7         A3         B1         C2         D1         E3         F2         G3
8         A3         B2         C3         D2         E1         F3         G1
9         A3         B3         C1         D3         E2         F1         G2
10         A1         B1         C3         D3         E2         F2         G1
11         A1         B2         C1         D1         E3         F3         G2
12         A1         B3         C2         D2         E1         F1         G3
13         A2         B1         C2         D3         E1         F3         G2
14         A2         B2         C3         D1         E2         F1         G3
15         A2         B3         C1         D2         E3         F2         G1
16         A3         B1         C3         D2         E3         F1         G2
17         A3         B2         C1         D3         E1         F2         G3
18         A3         B3         C2         D1         E2         F3         G1
附表2、消声器模拟台的消声器正交试验结果

插入损失（dB[A]）        阻力损失（kPa）
1         18.1         7.48
2         17.9         7.53
3         18.2         7.07
4         17.6         6.97
5         17.7         6.74
6         17.6         6.77
7         18.1         6.31
8         17.9         6.26
9         18.6         6.32
10         19         5.01
11         18.9         5.59
12         18.6         5.57
13         18.1         6.39
14         17.9         6.4
15         17.4         6.36
16        18.6         6.9
17        18.2         6.93
18         17.9         6.9

tjdht

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dahai1996

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toes

一直想学一些正交性实验的原理知识。

tlouise

systen18兄，有没有文章原件，因为有些表格在这里变了，可以交流吗？