新型汽车排气净化消声器研究

　　近年来,随着我国对环保的日益重视,国内一些研究单位对排气净化消声器进行了有益的探讨。由于时间短,理论研究还不够深入。本新型汽车排气净化消声器是根据数学模型和相应的设计构思研制成的,主要由刚性直管、双层摩擦穿孔声管等组成。消声器中设有一定厚度能对汽车尾气起净化作用的催化剂。

　　1　消声器消声结构的声场传递矩阵

　　1·1　声场传递矩阵的基本概念

　　声波在消声器中传播时,沿管道给定位置处的声波状态可用声压P以及通过该处截面的体积速度μ(质点速度v与截面积S的乘积,μ=vS)这两个状态参数来描述。

　　若取一段声管来进行分析,任何一个声学单元就相当于一个四端回路[1]。由线性化假设可知,对于一个声学单元而言,其两端的状态参数线性相关。由声—电类比法,声压P相当于电学中的电压,体积速度μ相当于电流,声学单元及其与之对应的等效电路图如图1所示[2],其入口处声压P1和体积速度μ1可由出口处的声压P2与体积速度μ2来表示,即

　　若用矩阵表示,则可写为

式中A,B,C,D称为四级子参数[2]。其中:为断开传递函数为短路传递阻抗;C=为短路传递函数。

　　若干个声学单元串联,则第i个声学单元的输出端是第(i+1)个声学单元的输入端。记第i个声学单元的声场传递矩阵为[T]i,输入端的状态参数为Pi-1,μi-1,输出端的状态参数为Pi,μi,则

　　这表明,n个声学单元串联后总的声场传递矩阵相当于各个声学单元的声场传递矩阵按顺序的连乘积。因此,我们只要将整个排气消声系统的结构按其声学单元划分为若干个串联的声学单元,再按上式计算,就可以求得整个系统总的声场传递矩阵。

　　评价净化消声器的消声性能时需要用到刚性直管、进出口管插入、穿孔声管、摩擦穿孔管及双层摩擦穿孔声管等声学单元的声场传递矩阵,因此必须建立他们各自的声场传递矩阵数学模型。这些声场传递矩阵的建立考虑了气流速度和温度的影响,主要对双层摩擦穿孔声管的研究进行了探索。

　　1·2　双层摩擦穿孔声管声场传递矩阵

　　常见的摩擦穿孔声管消声结构可分扩张和收缩两种形式,且在实际使用中既有单层又有双层穿孔声管结构。本文对双层扩张摩擦穿孔声管消声结构声场传递矩阵进行了较为详细的研究。

　　对图2所示的双层扩张摩擦穿孔声管,设质点在r=D1/2处的径向速度为vr1(x,t),在r=D2/2处的径向速度为vr2(x,t),则根据质量守恒方程、动量守恒方程和物态方程[3],令马赫数Mi=vmi/c(i=1,2,3;vmi为平均速度,c为声速),同时设声波在穿孔声管中以简谐正弦波的形式向前传播,则综合以上各式,图2所示的双层扩张摩擦穿孔声管的声场传递函数为: