挖掘機排氣消聲器傳遞損失的試驗研究

摘要：傳遞損失是消聲器本身的傳遞特性，不受入口聲源、出口終端阻抗的影響，是評價消聲器聲學性能的重要指標。本文以某型挖掘機的排氣消聲器為例進行了消聲器傳遞損失實驗研究。首先搭建了用于消聲器傳遞損失測量的實驗平臺，基于四傳聲器法分別以發(fā)動機排氣噪聲和白噪聲作為激勵聲源進行測量。然后比較了基于這兩種不同的聲源激勵計算得到的傳遞損失，并參考排氣噪聲頻譜，為消聲器的優(yōu)化設計提供了指導方向和實驗依據。

關鍵詞：傳遞損失；四傳聲器法；排氣消聲器

中圖分類號：TU112.2+1 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0048-04

Experimental Investigation on Transmission Loss ofExcavator Exhaust Muffler

ZHAO Lun-qiao， ZHANG Yong-bin， BI Chuan-xing

（Institute of Sound and Vibration Research， Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: Transmission Loss （TL）which is not affected by the noise sources and the terminal impedance is the transfer characteristics of muffler itself and is important for the evaluation of the muffler performance.In this paper an experimental investigation is carried out to measure the TL of an excavator exhaust muffler.A special platform is first established for the measurement of the TL of mufflers.Then the four-microphone method is performed in an anechoic room to measure the TL statically using the engine exhaust noise and the white noise as the sound sources.After the measurement，the TL is calculated respectively based on the data obtained by these two sound sources.Referring to the exhaust spectrum，the experimental results provide the direction and support to the optimization design of this kind of muffler.

Keywords: transmission loss （TL）；four-microphone method；exhaust muffler

液壓挖掘機的結構比較復雜，運轉部件較多，噪聲來源也相應較多。噪聲的主要來源是空氣動力、機械系統(tǒng)、液壓回路系統(tǒng)三部分，相應地會產生發(fā)動機噪聲、液壓回路噪聲和車身噪聲。其中發(fā)動機噪聲占整體輻射噪聲的1/2以上，發(fā)動機的降噪成為噪聲控制的關鍵之一，而排氣噪聲則在發(fā)動機噪聲中占了相當大的比例［1］。降低排氣噪聲能有效地控制和減少發(fā)動機的噪聲，降低和控制排氣噪聲最有效的途徑是安裝排氣消聲器。消聲器是阻止聲音傳播而允許氣流通過的一種器件，是消除空氣動力噪聲的重要技術措施［2］，在降低車輛噪聲和城市生活噪聲中起著重要作用。

傳遞損失是消聲器的一項重要聲學性能評價指標，即指輸入消聲器的聲功率級與輸出消聲器的聲功率級之差，反映消聲器本身的傳遞特性，它不受入口聲源、出口終端阻抗的影響，是對消聲器自身性能的單獨評估。本文以某型挖掘機的排氣消聲器為例進行了消聲器傳遞損失實驗研究。實驗在消聲室中進行，首先搭建了用于消聲器傳遞損失測量的實驗平臺，并分別采用白噪聲和發(fā)動機排氣噪聲作為激勵聲源，基于四傳聲器［3-7］法進行測量。然后比較了基于這兩種聲源測量計算得到的傳遞損失，并參考排氣噪聲頻譜為消聲器的優(yōu)化設計提供了實驗依據。

1 傳遞損失測試方法

傳遞損失TL（Transmission Loss）［8］定義為消聲器進口端的入射聲功率級和出口端的透射聲功率級的差值，即：

式中，LWi為消聲器進口的入射聲功率級；LWt為消聲器出口的透射聲功率級。

若消聲器的入口和出口處的截面積相同，則傳遞損失可表示為進口端的入射聲壓級Lpi和出口端的透射聲壓級Lpt之差，即：

TL=Lpi-Lpt（2）

四傳聲器法測試原理見圖1，在消聲器進出口各放置兩傳聲器，用于分解入射波和反射波。設各位置聲壓分別為P1、P2、P3、P4對于消聲器入口端：

P1P2=ejk（x1+x2） e-jk（x1+x2）ejkx2 e-jkx2P1jP1r（3）

對于消聲器出口端：

P3P4=e-jkx3 ejkx3e-jk（x3+x4） ejk（x3+x4）P2jP2r（4）

式中， j2=-1；P1j、P2j分別表示消聲器進出口的入射聲壓；P1r、P2r分別表示進出口端的反射聲壓。

消聲器進口、出口端的入射波和反射波幅值的關系方程如下：

P1iP1r=T1 T2T3 T4P2iP2r（5）

當出口處為無反射終端，即P2r=0，則由定義可得傳遞損失：

TL=20lgT1（6）

對于不同的終端負載a（用下標“a”表示）和終端負載b（用下標“b”表示），有：

P1iaP1ra=T1 T2T3 T4P2iaP2ra（7）

P1ibP1rb=T1 T2T3 T4P2ibP2rb（8）

聯立式（7）和式（8）可求得T1，再由式（6）得到傳遞損失TL。

通過式（3）和式（4）求解入射波和反射波聲壓，并以平均互譜來代替瞬時譜。以傳聲器1測得的信號為參考信號，Gi1（i=1，2，3，4）表示的是第 個信號與參考信號1之間的自譜或互譜。

式中，j2=-1；G11、G21、G31、G41為Test Lab測得的與傳聲器1信號的自譜和互譜。

為了防止出現兩種測試結果類似，在試驗中采用兩種負載終端：第一種終端接消聲器，用下標“m”表示；第二種終端為敞開端，用下標“o”表示。所以由試驗計算所得傳遞損失為：

2 試驗研究

2.1 試驗裝置

試驗所用的裝置包括LMS公司的Test Lab、功率放大器、揚聲器、傳聲器。圖2為四傳聲器法的實驗裝置。

2.2 實驗條件

（1）白噪聲聲源信號。實驗中的激勵聲源是由信號發(fā)生器提供的白噪聲信號，經過放大器傳到揚聲器作為實驗聲源。

（2）排氣口噪聲測試。通過將某型挖掘機的排氣消聲器拆除后，在發(fā)動機排氣口用l=3 m， d=16 mm的圓形截面細長波導管導出排氣口的聲波，測試波導管口處的噪聲。

本實驗測量了該挖掘機發(fā)動機排氣口處的噪聲頻譜（見圖3）。將測量所得的排氣噪聲作為實驗聲源，進行測試。

（3）消聲室測試。減少外界噪聲對測試結果的影響。

（4）用四傳聲器法測量時，一組傳聲器的間距與測試最高頻率有關，在試驗中盡量使得消聲器前后的兩組傳聲器間距相等［９］。另外，在消聲器進出口使用截面積相等的直管。

（5）分別以白噪聲和排氣口噪聲作為聲源激勵，測試消聲器末端為敞口和末端接消聲器兩種不同終端負載情況下四個位置的聲壓級。

2.3 試驗結果及分析

以白噪聲作為激勵聲源和以排氣噪聲作為激勵聲源，在常溫無流情況下，基于四傳聲器法測試終端負載為消聲器末端和終端敞口時進出口端聲壓頻譜（見圖4～7）。

根據上述測量過程，基于四傳聲器法對該型挖掘機的兩個同類型消聲器進行測量。計算得到的傳遞損失見圖8，曲線“a”表示以排氣噪聲作為聲源測得的傳遞損失，曲線“b”表示以白噪聲作為聲源測得的傳遞損失。由圖8可以看出“a”和“b”曲線的變化一致，吻合良好。

圖8中，（1）消聲器和（2）消聲器在0~370 Hz的范圍平均消聲量大約在20 dB（A），消聲效果較差，進出口端聲壓級衰減幅度小，尤其是300~320 Hz范圍內，沒有起到消聲作用，相反增加了噪聲。

而在370~620 Hz范圍內消聲量均在20 dB（A）以上，平均消聲量約為26.4 dB（A）。

620 Hz以上相對低頻段的消聲性能較好，具有較高的消聲量，進出口端聲壓有較大衰減，平均消聲量可達到37.8 dB（A）。該類型消聲器整個0~1 000 Hz頻率段的消聲量約29.2 dB（A）。

據圖3所示的挖掘機排氣噪聲頻譜，可以看出在低頻段50~400 Hz排氣噪聲的貢獻量最大，而且在50 Hz、89 Hz、150 Hz、215 Hz和240 Hz等頻率處出現聲壓峰值。但是對照圖8可以看到，在這些頻率段中，排氣消聲器的消聲量反而較小。因此，要提高該挖掘機排氣消聲器的消聲性能需重點考慮消聲量小的頻率段。

3 結論

四傳聲器法是在傳遞矩陣法的基礎上改進后的測試方法，通過改變不同消聲終端，測試消聲器進出口四個位置聲壓級來計算傳遞損失。

本文運用這種測試方法對某挖掘機排氣消聲器進行了靜態(tài)傳遞損失試驗研究，對比了以白噪聲和排氣噪聲作為聲源時的傳遞損失。試驗結果對該型挖掘機排氣消聲器的改進設計提供了參考依據。

另外，在相同的實驗平臺對另外同類型的排氣消聲器做了相同研究。在兩種聲源下的實測傳遞損失結果同樣吻合良好。

參考文獻：

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