毕业设计(论文)-动力机械降噪研究.doc
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1、 第一章 绪论1.1 引言 随着现代社会的发展,噪声已经成为影响我们生活和健康的重要环境问题,被称为城市新公害。近年来,对噪声的产生、传播及其测试技术的研究受到普遍重视,无论在理论分析上或实验方法上都有重大发展,为改善和控制声学环境提供了有利条件。要研究噪声必然先研究声音产生的机理和传播方式,声音是由于物体的振动而产生的,振动的物体即被称为声源。声以波的形式传播称为做声波,振动物体把振动能量传给介质,使介质产生波动。声音的传播还必须依靠介质,最熟悉的传声介质就是空气,除了气体外,液体和固体也都能传播声音。当物体以某一固定频率振动时,耳朵听到的是具有单一音调的声音,这种以单一频率振动的声音称为纯
2、音。实际物体产生的振动是很复杂的,它是由各种不同频率的许多简谐振动所组成的,如果物体的复杂振动由许许多多频率组成,而各频率之间彼此不成简单的整数比,这样的声音听起来就不悦耳也不和谐,还会使人产生烦躁。这种频率和强度都不同的各种声音杂乱地组合而产生的声音就称为噪音。噪声和振动影响人们正常的学习和休息,降低工作效率;使人听力减退,心情烦躁,并诱发多种疾病。所以,噪声和振动对环境的污染越来越引起人们的极大关注。发动机是一种极其复杂的机器,要研究其降噪必须先阐明声学基础知识,再联系汽车发动机实际的具体情况分析其降噪方法。将发动机噪声分为结构振动噪声和空气动力噪声来分别研究。本论文前四章论述声学基础知识
3、,内容涉及声音的基本属性、描述声音的各种物理量、评价方法,声音传播过程中的特点,声音在理想介质中的三个基本方程和辐射原理,声音在空气中的传播原理即声音是一种能量,声音的传播也是能量的传播,所以还必须研究声场中的能量关系,声音的能量由声功率和声强来衡量。声波在各种管道中传播产生的噪声及其特点,应用这方面的知识可以相应地设计消声器。第五章讨论了直接由空气动力学原因引起的三种噪声(进气噪声、排气噪声和风扇噪声)产生的机理,及降噪方法。第六章讨论了引起发动机噪声的另一原因发动机结构振动噪声,讲述了受力激振、振动传播、噪声辐射整个过程的一系列问题。1.2 噪声控制发展的现状目前,噪声控制技术已发展成为声
4、学学科中一个重要的分支。噪声控制的目的是要获得适当的声学环境,即把噪声污染限制在可容许的范围内。在不同情况或不同场所,对噪声的容许标准有所不同。因此,采取相应的噪声控制措施时,技术上要求切实可行,投资上要求经济合理。近年来,对噪声的产生、传播及其测试技术的研究受到普遍重视,无论在理论分析上或实验方法上都有重大发展,为改善和控制声学环境提供了有利的条件。从基本原理来看,现在的研究仍以现有宏观理论为基础(即仍把声波看成在连续介质中传播的机械波)。控制噪声可以从三方面考虑:首先可以直接控制噪声的来源以降低声源辐射。目前在声源的发生机理、声源的识别和定位等方面都有长足进展,运转的机器设备和各种交通运输
5、工具是主要的噪声源,控制它们的噪声有两条途径:一是改进结构,提高各个部件的加工精度和装配质量,采用合理的操作方法等,降低声源的噪声发射功率。二是利用声波的吸收、反射、干涉等特性,采用吸声、隔声、减振、隔振等技术,以及安装消声器等,控制噪声的辐射;其次是控制噪声的传播,即在噪声传播的途径中采用吸声、隔声等措施来达到降低或隔离噪声的目的。目前,在吸声结构、隔声结构以及消声器设计等方面已经相当成熟,对吸声理论、噪声传播理论以及声场分析等方面不断有所创新;再次可以采取个人防护措施,即在强噪声环境中采用耳塞、耳罩或头盔等护耳装置。现在世界上许多国家都通过立法颁布了噪声控制标准,对飞机和机场的噪声、城市交
6、通噪声、建筑施工噪声、工厂机器噪声和社会生活噪声都制定了严格的噪声控制标准。例如,工厂、工地的噪声应不超过85分贝90分贝。居民居住区,白天不能超过50分贝,夜间不能超过40分贝。工程机械的噪声主要来自发动机振动、传动系统和液压系统等的运转、轮胎与路面的摩擦、车体与空气的摩擦以及车体钢板与其他部件的共振等。在本文中主要研究发动机的噪声及其降噪方法。目前,我国已立法制定了发动机噪声限值标准。发动机是一种及其复杂的机器。它集中了化学、物理学、流体力学、热力学、力学、等问题于一身。因此发动机降噪的研究不仅须掌握声学知识还须掌握发动机专业知识。多年来,人们进行了各种结构的声波传递特性的理论探索。五十年
7、代起开始建立无气体流动条件下各种消声结构声波传递特性的理论公式,六十年代末解决了声波与流动的相互作用,七十年代才逐步建立起考虑流动的声波传递特性的理论计算问题,到了七十年代末、八十年代初,研究对象才渐渐发展到复杂的消声器元件。第二章 声波的基本性质21 概述 声音是在某种弹性介质中的一种振动过程,声源发生振动会引起四周空气振荡,这种振荡方式就是声波。声波借助空气向四面八方传播。除了空气,水、金属、木头等也都能够传递声波,它们都是声波的良好媒质,在真空状态中声波就不能传播了。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡,是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形,例如对于人耳的可听声波,
8、当那种阵面波达到人耳位置的时候,人的听觉器官会有相应的声音感觉。 声波与其他自然现象一样,也是物质的一种运动形式。设想由于某种原因在弹性媒介的某局部地区激发起一种扰动,使这局部地区的媒质质点A离开平衡位置开始运动。这个质点A的运动必然推动相邻媒质质点B,亦及压缩了这部分相邻媒质,如图(2-1) 。由于媒质的弹性作用,这部分相邻媒质被压缩时会产生一个反抗压缩的力,这个力作用于质点A并使它恢复到原来的平衡位置。另一方面,因为质点A具有质量即具有惯性,所以质点A在经过平衡位置时会出现“过冲”,以至又压缩了另一侧面的相邻媒质,该相邻媒质中也会产生一个反抗压缩的力,使质点A又回过来趋向平衡位置。可见由于
9、媒介的弹性和惯性作用,这个最初得到扰动的质点A就在平衡位置附近来回振动起来。由于同样的原因,被A推动了的质点B以至更远的质点C、D点等也都在平衡位置附近振动起来,只是滞后一些时间。这种媒介质点的机械振动由近及远的传播称为声波。2.2 声压及其相关概念由于声波作用而产生的压强叫“声压”。声波在传播过程中,空气中任一点附近质点由于声波作用,时而疏松,时而紧密,因而压强也相应的忽强、忽弱变化。当空气中有声波传播时该点的压强P与没有声音到达时的压强P0之差叫做该点的声压。声压的单位是牛顿/米2,即帕。声压的大小和传声介质中质点在声波作用下振动速度、介质的密度以及声波的传播速度有关。存在声压的空间称为声
10、场。声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压。假定讨论的是纯音(以一固定单一频率振动),则其声压瞬时值可用余弦函数表述: (2-1)式中,为幅值,为圆频率,。在一定时间间隔中最大的瞬时声压值称为峰值声压。在一定时间间隔中,瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压: (2-2)对纯音来说,有效值。人刚刚可听到的的声压为,它称为可听声阀。大型喷气发动机附近的噪声的声压可达到,人耳有痛感,称为可痛阀声压。可见人所接触的声压动态范围很宽,为计算和度量方便,声学中采用级的单位来描述声压,称为声压级。声压级以符号表示,其定义为将待测声压有效值与基准声压的比值取常用对数,再乘以20,即 (2-3)空气中基准声压一般取
11、为,声压级的单位是分贝,记为。2.3 声强、声功率及声强级与声功率级 声波传播到原来静止的媒介中时,由于媒介质点在平衡位置附近来回振动,从而具有振动动能;另外质点在媒介中产生压缩和膨胀等形变,从而具有弹性势能,这两种能量之和即为声传播过程中使媒介获得的声能量。 单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声能量叫做声强,用符号表示,单位为瓦/米2。声源在单位时间内发出的声能量叫声源的声功率,用符号表示,单位为瓦.声强的大小反映声的强弱,而声功率的大小则反映声源辐射声波本领的高低。在噪声控制中,它们是从能量角度描述噪声特性的重要物理量。 如图(2-2),设平面声波沿轴方向传播,隔离一小块空间分析,其
12、厚度为 ,横截面与x轴垂直,截面积为,则此空间体积为。 如果设,即在时间内声波向右移动的距离,因此在这段时间内,通过右侧面的声能量就等于在该空间体积内媒质振动的机械能(包括振动动能和弹性势能)。 声波传播到该空间时,媒介质点作简谐振动,由振动的原理知简谐振动时的机械能保持不变,等于振动时最大动能和最大弹性势能之和,可得单位体积内媒质振动的机械能为 (2-4)式中为媒质密度,为媒质质点振动速度的幅值。而为振动速度的有效值。反映单位体积内声能的多少,称为声能密度,单位为焦耳/米3。又由于声压与振动速度间的关系为,因此上式可写成: (2-5)式中为声压的有效值。在体积内总声能为 (2-6)则声强可表
13、示为 (2-7)将(2-6)代入(2-7)可得 (2-8)上式虽由平面声波的特殊情况推导,但对于球面声波和驻面声波等行波仍适用。声强是有方向的量其方向即为声波传播的方向。 为计算方便用声强级代替声强描述声音的强弱,定义为待测声强与参考声强的比值取常用对数,再乘以10,即 (2-9) 空气中参考声强通常取瓦/米2。声功率是单位时间内通过垂直于声传播方向上的面积S的声能量。因为声能量是以声速传播的,因此声功率等于声场中面积为、高度为的柱体内所包含的平均声能量,即 (2-10)单位为瓦。在实际问题中,常用声功率级代替声功率描述声源辐射声波本领的大小。声功率级定义为声源声功率与基准声功率的比值取常用对
14、数再乘以10, (2-11)通常取瓦。2.4 理想流体媒质的基本方程 在声扰动过程中,声压、质点速度v及密度增量等量的变化是互相关联着的。声振动作为一个宏观的物理现象,必然要满足三个物理定律,即牛顿第二定律,质量守恒定律及描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。运用这些基本定律,就可以分别推导出媒质的运动方程,即与之间的关系;连续性方程,即与之间的关系;以及物态方程,即与之间的关系。为使问题计算上简化,做如下一些必要的理想情况的假设。首先,假设介质是理想的流体介质,即认为介质运动过程中没有能量损耗;其次假设介质是连续的;再假设介质是静态的,而且是均匀的,即流体本身的流动速度与声波传播速度
15、相比甚小可忽略。并且认为波场中介质质点的振动位移比波长小很多,同时声压振幅也远小于介质的静压力.2.4.1 运动方程 为了导出介质中压强和质点振速之间的关系,分析声场中确定的微小质团在声波作用下的运动情况。声波在连续介质中传播时,各处压缩情况不同,压强不等,对任意小块质团,其四面受力不均衡,根据牛顿运动定律,可以建立它的运动方程。 如图(2-3)所示,在声场中取一体元ABCDEFGH,每个面均为矩形,体元的体,静止密度为,声波扰动时密度为。 设介质原为静止,但声波通过介质时,介质的振速分布函数,压强为,则作用于ABCD面上的力为 (2-12) 为单位面积上的压力,当足够小时可以认为在ABCD面
16、上压力分布是均匀的,同样在EFGH面上的力由于随坐标x而变化,设在内变化量为 (2-13) 所以,体元V在x方向受的合力为 (2-14)在力的作用下,因为 (2-15)而由于是小振幅波动,后三项均为二阶小量,可以略去不计所以体积元的加速度为表示为。体积元的质量为。根据牛顿第二定律 (2-16)即 (2-17)当x0时有 (2-18) 所以有 (2-19)又根据小振幅条件密度的变化很小,所以可以认为则有 (2-20)同样在y方向和z方向上,可以得到 (2-21) (2-22)其中,分别为质点振速在x,y,z三个方向上的分量,所以将上三式合并可以得到 (2-23)若静压强为常数,则有,因此式(2-
17、23)为 (2-24)其中为梯度算符。 方程(2-23)为三维空间的运动方程又称为欧拉方程,它描述了声场中声压和振速之间的关系。2.4.2 连续性方程 根据质量守恒定律,连续介质中,任意一处体积元中流进与流出的流体质量不等,必然将引起该体积元中介质密度的变化。声波的作用引起介质的压缩或稀疏,此时介质中任一地点体积元中密度变化所引起的质量增量必等于流进和流出体积元的流量之差,而连续性方程就是它的数学表示形式。用图(2-3)中体积元来分析它的密度变化。 在某一瞬时t,质点振速为,首先研究x方向的流动。在的时间内介质由ABCD面流人体元的质量为,其中为单位时间通过单位面积的质量,在体积元选得足够小的
18、情况下,小面元上的速度可以认为是均匀的;又因为,都是坐标的函数,所以在同一个时间内从EFGH面流出的质量为 (2-25)则在x方向上在的时间内使体元内质量的增加为 (2-26)同理y方向上 (2-27)z方向上 (2-28)根据质量守恒定律 (2-29)消去并除以得 (2-30)当0时 (2-31)因而得到连续性方程 (2-32)因为只讨论小振幅的声波,假设,则 (2-33) (2-34) (2-35)这样得到简化的连续性方程 (2-36)或写作 (2-37)这就是声场中介质的连续性方程,它描述了介质质点速度与密度之间的关系。若在体积元中有振源存在,式(2-37)应作修正。体积元中的密度将因振
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