複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器的製作方法

2023-05-08 11:43:16 1

專利名稱：複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器的製作方法
技術領域：
本發明屬於內燃機排氣消聲裝置，尤其是車載消聲排氣設備製造領域。
背景技術：
根據工作原理的不同，傳統的汽車排氣消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器以及 阻抗複合式消聲器3種類型。其中，把多孔吸聲材料固定在排氣通道的內壁上或按照一定 方式在排氣通道中排列，就構成了阻性消聲器；而抗性消聲器則是由擴張腔、穿孔板、穿孔 管、內插管等典型聲學特性元件按一定方式組合而成；如果將阻性結構和抗性結構按照一 定方式組合起來，就構成了阻抗複合式消聲器。目前，主流車型上廣泛使用的是抗性以及阻 抗複合式的消聲器，純粹的阻性消聲器由於排氣阻力大、耐水性差、吸聲材料被排氣氣流吹 散後易造成環境汙染等缺點而基本被淘汰。汽車排氣消聲器的性能評價主要採用3項指標，即聲學性能(消聲量與消聲頻 帶)、空氣動力性能(排氣阻力係數或阻力損失)和結構性能(外形尺寸、結構強度、結構重 量、工藝性、維護性、使用壽命等)，它們既互相聯繫又互相制約。設計大消聲量且低排氣阻 力的排氣消聲器一直是汽車技術領域的熱點和難點。同時，設計中還須考慮消聲器的結構 性能要求，即不但要耐用，還要避免過大、過重、安裝困難等情況。然而，長期的理論研究和 工程實踐表明，採用傳統的汽車排氣消聲器，要想兼顧上述3方面的性能要求往往極為困 難，由此造成汽車排氣消聲器綜合性能不佳的狀況長期存在。可以預見，在日益嚴格的汽車 噪聲控制標準和環保法規要求下，傳統的汽車排氣消聲器最終將無法適應整車匹配的技術 條件，具體體現在(1)傳統的汽車排氣消聲器，依靠排氣通道的摩擦阻力和粘滯阻力(阻性消聲原 理)以及氣流的反射、幹涉、轉向、迴旋、截面突變等(抗性消聲原理)耗散聲能而達到消聲 目的。因此，無論是採用阻性、抗性還是阻抗複合的結構型式，其工作原理決定了消聲器聲 學性能的提高均以犧牲空氣動力性能為代價。即一方面降低了排氣噪聲，但另一方面卻增 加了排氣阻力，從而降低了發動機的動力性能，增加了發動機的能耗，甚至會影響整車正常 行駛；(2)傳統的汽車排氣消聲器，在工作過程中會因其殼體表面振動而激發出噪聲輻 射，即所謂「再生噪聲」。再生噪聲的產生，會在一定程度上抵消消聲器的降噪效果，因此必 須對其加以抑制。而為了抑制再生噪聲，又不得不增加殼體厚度，或採用不等厚度雙層殼體 等附加結構，由此導致消聲器的重量增加與工藝性下降；(3)傳統的汽車排氣消聲器，無論是抗性還是阻抗複合式消聲器(純粹的阻性消 聲器已基本被淘汰)，其腔體內部集成了諸多聲學特性元件，結構十分複雜，設計、製造及維 護均不方便。注意到相關領域已公開的專利，其中，胡克龍的發明專利「濾波器的噪聲抑制 方法(200310110368. 5) 」，吳福根、鍾蘭花、張欣、鍾會林、李小玲、鍾韶的發明專利「二 維聲子晶體隔音結構(200410077471. 9)」和實用新型專利「二維聲子晶體隔音結構(200420102759. 2) 」，陳天寧、崔戰友、張波、吳釗的發明專利「具有縫隙特徵散射體二維聲 子結構及由其組成的帶隙材料(200810150323. 3) 」，周代丨羽的發明專利「可攜式電子裝 置(200810301613. 3) 」，陳源、周明剛、黃濤、周敬東、孫國棟、張錚、陳輝、張三強、周小強、 戚得眾、王元芳、餘豔豔、黃英的發明專利「一種車用周期性阻尼結構及其減振降噪方法 (200910061996. 6) 」，雖然都涉及到聲子晶體這一新型聲學功能材料，但卻並不針對汽車排 氣消聲器領域的應用。而在汽車排氣消聲器領域的諸多專利信息中，尚未見到涉及聲子晶 體應用的報導。

發明內容
鑑於現有技術的缺點，本發明的目的在於設計一種新的複式三維聲子晶體汽車排 氣消聲器，以聲子晶體的能帶結構理論為依據，利用聲波在周期性介質中傳播的禁帶特性 來達到消聲目的。本發明的目的是通過如下的手段實現的。複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進氣管、端蓋、內置有消聲總成 的筒身、後蓋、尾管等組成，其特徵在於，所述消聲器總成採用複式結構聲子晶體，其固態球 形散射體沿排氣方向層疊排列為空間點陣，同層散射體之間以高強度彈性細絲相互連接並 固定於邊框保持架上。本發明利用聲波在周期性介質中傳播的禁帶特性來達到消聲目的， 從而能夠有效化解排氣消聲量與排氣阻力之間的矛盾，有利於消聲器聲學性能與空氣動力 性能的同步提高，全面提升汽車排氣消聲器的綜合性能。其具體的優點可表達為(1)拋棄了傳統汽車排氣消聲器的阻性及抗性消聲原理，即不再依靠排氣通道的 摩擦阻力和粘滯阻力以及氣流的反射、幹涉、轉向、迴旋、截面突變等耗散聲能，而是利用聲 波在周期性介質中傳播的禁帶特性來達到消聲目的，從而能夠有效化解排氣消聲量與排氣 阻力之間的矛盾，有利於消聲器聲學性能與空氣動力性能的同步提高。(2)無需增加消聲器殼體厚度或引入附加結構，而是利用殼體振動彈性波禁帶特 性來抑制再生噪聲，從而能夠有效避免因抑制再生噪聲而導致消聲器的重量增加與工藝性 下降，有利於消聲器聲學性能與結構性能的同步提高。(3)拋棄了傳統汽車排氣消聲器腔體內部的擴張腔、穿孔板、穿孔管、內插管等諸 多聲學特性元件，代之以形態規則的複式結構聲子晶體總成，有利於腔體內部結構的大大簡化。(4)性能設計參數較多，且設計約束條件較為寬鬆，因而具有較強的可設計性。


圖1是本發明的結構圖。圖2是本發明消聲總成中複式三維聲子晶體排布圖。圖3是發明實施例的局部剖視圖。
具體實施例方式由圖1可看到，複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭1、進氣管2、端蓋3、內置有消聲總成4的筒身7、後蓋5、尾管6和掛鈎8等組成。由圖2可看到，所述消聲器 總成4採用複式結構聲子晶體，其固態球形散射體9沿排氣方向層疊排列為空間點陣，同層 散射體之間以高強度彈性細絲10相互連接並固定於邊框保持架11上。複式結構聲子晶體總成是該消聲器的核心功能元件，其實質是一種人工周期性復 合結構。一方面，聲波受其周期性介質常數的調製會形成能帶結構，產生聲學禁帶，而在禁 帶頻率範圍內的聲波被禁止傳播，從而達到了抑制噪聲的目的。由於其工作原理已不再依 靠排氣通道的摩擦阻力和粘滯阻力以及氣流的反射、幹涉、轉向、迴旋、截面突變等耗散聲 能，因而化解了排氣消聲量與排氣阻力之間的矛盾；另一方面，在同樣機制下，消聲器殼體 振動的彈性波也會產生禁帶，在禁帶頻率範圍內的殼體振動被禁止，從而起到了抑制再生 噪聲的作用，且無需增加殼體厚度或引入附加結構，即可有效避免因抑制再生噪聲而導致 消聲器的重量增加與工藝性下降。再有，以這種形態規則的人工周期性複合結構替代傳統 消聲器腔體內部諸多聲學特性元件(如擴張腔、穿孔板、穿孔管、內插管等)，大大簡化了腔 體內部結構，從而更便於設計、製造及維護。為了獲得足夠的消聲量並滿足所需要的消聲頻帶，複式結構聲子晶體總成至少須 由三段具有不同點陣形態的固/氣型三維聲子晶體沿排氣方向銜接而成。性能設計參數 為不同點陣形態固/氣型三維聲子晶體的段數、段長度與銜接次序，以及每段固/氣型三 維聲子晶體中固態球形散射體的空間點陣形態與周期常數、散射體直徑、散射體材質密度、 彈性細絲直徑與剛度等。設計約束條件是植入上述聲子晶體後的消聲器腔體仍然具有足 夠的通流面積，以避免排氣背壓的增加。實際實施時，可在一段或多段聲子晶體的固態球形散射體上開設小孔，由此在聲 學禁帶的基礎上，增加了小孔消聲機制，並可通過改變小孔的個數、方位、截面形狀及面積 等獲得更為理想的聲學禁帶特性。此外還可在空間點陣的局部範圍內對固態球形散射體實施缺位、穿孔、變形、改變 材質等處理，由此在聲子晶體中引入缺陷態，以適當調控聲波及振動彈性波的傳播規律與 禁帶特徵，從而在擴展消聲頻帶的同時改善排氣噪聲的聲學品質。由端蓋、後蓋、筒身圍成的消聲器腔體，一方面，用於承載和保護複式結構聲子晶 體總成；另一方面，與進氣管、尾管構成了聲學擴張腔結構，也具有一定的輔助消聲作用。在圖3的實施例中所示，具體設計出了一種三段銜接式固/氣型三維聲子晶體汽車排氣消聲器。其複式結構聲子晶體總成由三段具有不同點陣形態的固/氣型三維聲子晶 體沿排氣方向銜接而成，依次為I段、II段、III段聲子晶體。同時，在II段聲子晶體的每個固 態球形散射體上開設了小孔，並對位於III段聲子晶體芯部的若干個固態球形散射體實施了 缺位處理以構成缺陷態。
權利要求
複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進氣管、端蓋、內置有消聲總成的筒身、後蓋、尾管等組成，其特徵在於，所述消聲器總成採用複式結構聲子晶體，其固態球形散射體沿排氣方向層疊排列為空間點陣，同層散射體之間以高強度彈性細絲相互連接並固定於邊框保持架上。
2.根據權利要求1所述之複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特徵在於，所述複式 結構聲子晶體總成至少由三段具有不同點陣形態的固/氣型三維聲子晶體沿排氣方向銜 接而成。
3.根據權利要求1或2所述之複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特徵在於，所述固 態球形散射體上開設有小孔。
4.根據權利要求1或2所述之複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特徵在於，所述空 間點陣的局部範圍內存在固態球形散射體的缺位。
5.根據權利要求1或2所述之複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特徵在於，所述空 間點陣的局部範圍內相鄰固態球形散射體存在形態差異。
6.根據權利要求1或2所述之複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特徵在於，所述空 間點陣的局部範圍內相鄰固態球形散射體存在材質差異。
全文摘要
本發明公開了一種複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進氣管、端蓋、內置有消聲總成的筒身、後蓋、尾管等組成，其特徵在於，所述消聲器總成採用複式結構聲子晶體，其固態球形散射體沿排氣方向層疊排列為空間點陣，同層散射體之間以高強度彈性細絲相互連接並固定於邊框保持架上。本發明利用聲波在周期性介質中傳播的禁帶特性來達到消聲目的，從而能夠有效化解排氣消聲量與排氣阻力之間的矛盾，有利於消聲器聲學性能與空氣動力性能的同步提高，全面提升汽車排氣消聲器的綜合性能。
文檔編號F01N13/08GK101852115SQ20101017868
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者丁渭平, 徐小程, 楊明亮 申請人:西南交通大學