谐振腔的设计及应用_李锐

总第 14卷155期 大 众 科 技 VoL.14 No.7

谐振腔的设计及应用

李 锐 谢志清 林 嘉

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】根据谐振腔的消声原理，将谐振腔应用到进气系统设计中，并将带谐振腔和不带谐振腔两种进气系统进行对比试验，噪声结果表明后增加此谐振腔为车内匀速噪声提供了良好的贡献值。

【关键词】谐振腔；进气；噪声

【中图分类号】TH837 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2012)07-0147-03

The design and application of the resonant cavity

Abstract: In this paper, according to the silencing principle of resonant cavity, applied it in air intake system design, and compared with two kinds of air intake systems, noise results showed that increasing this resonator provided a good contribution value for the car’s uniform speeds noise.

Keywords: Resonant cavity; Intake; noise

环境污染问题已经引发社会各国的普遍关注，成为人类生存和发展必须解决的的全球性问题之一。由各种汽车所产生的交通噪声也已成为影响城市环境一个重要因素，为此，国家制定了日益严格的汽车行驶噪声控制标准和法规。发动机噪声是汽车的主要噪声源，降低发动机噪声是减少城市噪声的最根本途径。

进气噪声是汽车发动的主要噪声源之一，非增压发动机的进气噪声比机械噪声高出5~10dB，仅次于排气噪声[1]。亥姆赫兹共振腔结构简单，具有良好的消声性能而被广泛的应用在发动机进排气消声上[2]，研究开发良好噪声性能的进气系统是噪声控制一项重要课题，运用良好的理论模型对谐振腔进行设计，有效降低发动进气噪声显得越来越重要。

自由声场平面波，存在一个特殊的声阻抗，称为特性阻抗，定义为介质的密度与声速的乘积，表示为Z0=ρc，ρ为介质密度，c为声速。特性阻抗反映了介质的声学特性，其随温度和大气压而变化，是介质对振动面运动的反作用的定量叙述。 1.2 频程

把20～20000Hz可闻声频率变化范围划分成的若干个较小的段落。通常划分为10段或30段，每一段内的频率即为一个频程，也称频带。采用10段方法划分，每一段高端频率比低端频率高出一倍，即为倍频程。采用30段方法划分,通常在一个倍频程中上下限之间在插入两个频率，其比例为：1：21/3：22/3：2

表1 倍频程频率范围

中心频率

31. 5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

1 基本概念

1.1 声阻抗

声波传导时介质位移需要克服的阻力。体积速度是穿过一面积S 的介质流动速度，声阻抗越大则推动介质所需要的声压就越大，声阻抗越小则所需声压就越小。声阻抗、声压和体积速度三者之间的关系如下式所示： 声音的传播取决于介质的特性，声阻抗是表示介质特性的一个十分重要的参数，声阻抗定义为介质在一定表面上的声压与体积速度的复数比值，表示为ZA=P/U，式中P 为声压、U 为速度体积，其中U=Su，u 是质点速度，S 是面积。如果不考虑面积，声阻抗则称之为声阻抗率，声阻抗率定义为介质中质点的声压与质点的速度的比值，表示为ZS=P/u，声阻抗率的单位是Pa·s/m。对于

频率范围

22～45

45～90

90～180

180～355

355～710

710～ 1400

1400～ 2800

2800～ 5600

5600～ 11200

11200～

2 谐振腔的典型结构及消声原理

谐振腔是在管道中设置一个与其相通的密闭空腔，当声波的波长比密闭空腔几何尺寸大得多时(3 倍以上)，可以把

【收稿日期】2012-05-21 【作者简介】李锐（198－），男，湖北咸宁人，上汽通用五菱汽车股份有限公司进气系统主任工程师。 - 147 -

密闭空腔看成一个集中参数系统，密闭空腔内的声波运动可以忽略。当气流经过小孔时，小孔孔颈中的气体在声压作用下象活塞一样往复运动，具有一定的声质量；密闭空腔类似空气弹簧，具有一定的声顺。当声波频率与密闭空腔的固有频率相同时，便发生共振。在共振频率及其附近，空气振动的速度达到最大，这时消耗的声能最多，噪声衰减最大。典型的谐振腔如图

1 所示。

图1 谐振腔示意图

谐振腔实际上是共振吸声结构的一种应用。共振频率为，

(2.1)

式中

为小孔截面积，

为密闭空腔容积， 为孔

颈有效长度， ，这里 为小孔颈长；

为修正

项，对于直径为

的圆孔，

。

如图2 所示，当声波到达分支点时，由于洁面积发生发

生突变，声阻抗急剧变化，声能大部分反射回去，一部分声能由于谐振腔的摩擦阻尼转化为热能而散失掉，剩下小部分

声能继续向前传播，从而达到消声的目的。

图2 共振消声原理

设在分支点处的入射声压为 ，反射声压为

，透射声压为

，

孔颈处的入射和反射声压分别为

和

，根

据声压连续条件可知，

(2.2)

设管道截面为 ，谐振腔的声阻抗为 ，根据体积速

度连续的条件可知，

(2.3)

联立以上两式，可以得到，

(2.4)

而谐振腔的声阻抗已知，为，

(2.5)

式中 为声阻。为简便计，引入参数：

和

，以及

，则得到谐振腔的消声量为，

(2.6)

计算谐振腔的声阻值

很复杂，在通常情况下，孔附

近若不加阻性的吸声材料时，声阻是很小的，一般可忽略，

因而

值也可忽略。当忽略谐振腔声阻时，上式可简化为如

下谐振腔的消声量计算公式，

(2.7)

由上式可见：这种谐振腔有明确的选择性。即当外来声

波频率与谐振腔的固有频率相一致时，谐振腔就产生共振。谐振腔组成的声振系统的作用最显著，使沿通道继续传播的声波衰减最厉害。因此，谐振腔在共振频率及其附近有最大的消声量。而当偏离共振频率时，消声量将迅速下降。这就是说，谐振腔只在一个狭窄的频率范围内才有较佳的消声性能。因此，它适于消除在某些频率上带有峰值的噪声。若把谐振腔的共振频率设计得恰好等于峰值频率，就能把噪声中这个峰值降低，取得显著效果。

上式是计算单个频率的消声量的，实际上一般噪声的频谱都是宽频带的，所以在实际中往往需求在某个频带内的消声量。工程上常使用倍频程与 1/3 倍频程。对于这两种频带宽度下的谐振腔的消声量，上式还可简化。

对倍频程，

(2.8)

对 1/3 倍频程，

(2.9)

3 谐振腔的设计应用

3.1 设计要求

进气系统对驾驶员耳旁噪声有明显贡献，在2800rpm 存在峰值，要求在汽车发动机进气系统上增加一个谐振腔，消除2870rpm

的峰值，提高整车的舒适性。

图3

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3.2 谐振腔的计算

发动机自身谐振频率计算：

将噪声峰值对应的转速2870rpm 代入公式

f e =

速5000～5500rpm，场地受限未测到)

（2）驾驶员耳旁轰鸣声2700rpm 有6dBA 下降(另一目标转速5000～5500rpm，场地受限未测到)

OTS 谐振腔的谐振频率与proto 的样件设计值有17Hz 的降低，但是消声效果满足NVH

的设计预期。

n i •60τ

其中n 为设计点发动机转速；i为发动机气缸数；系数τ在四冲程发动机时取2。

得出谐振腔的设计共振频率为f e =196HZ

再用公式计算或查表的方法求出相应的 求。

以上分析中

，

图5 图6

将K

值代入公式得出V=1.084L 3.2 谐振腔模型建立

考虑空间布置和装配要求，设计如附图

4：

值。当

值

确定后，就可以考虑相应的 G、 V和S，使之达到

值的要

4 总结

通过谐振腔在整车进气系统的应用，得出以下结论：

（1）谐振腔的消声频段较窄，谐振腔的设计确定其共振频率十分重要。

（2）谐振腔的理论设计计算为谐振腔的设计提供了十分重要的依据，试验的验证为谐振腔的设计提供了有效的保证。

（3）进气系统上增加谐振腔是降低进气噪声的一种重要手段。

【参考文献】

[1] 林进修,林晓.空气滤清器与进气消声[K].中汽公司重庆汽

车研究所1996.2.

[2] 邓兆祥,张振良,杨诚.微型轿车的降噪实验研究[J].重庆大

学学报,2003.5.

图4

3.3 试验验证

降噪效果如图5、图6所示： （1）进气管口轰鸣声2870rpm 有5dBA 下降(另一目标转（上接第180页）

3 系统的使用

本课题所设计的抢答器的工作过程是：接通电源时，主持人将开关K1置于“1”的位置，抢答器处于禁止工作状态，LED 显示器灯熄灭，喇叭和倒计时器都处于关闭状态，一切就绪，等待着抢答的开始。此时如果有选手按下抢答键，则属于犯规，喇叭发出声响进行报警，并在显示屏上显示出犯规选手的编号。

当主持人宣布抢答题目，发出“抢答开始”的口号，并将开关K1拨至“0”位置时，喇叭发出声响提示在场人员，抢答器处于工作状态，倒计时器进行倒计时。当设定是时间到了，却没有选手抢答时，系统发声报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答。

当选手在设定的时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：获键程序立刻分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后编码转换程序和显示程序显示其编号。喇叭发出短暂的声响，提醒主持人注意。封锁输入，避免其他选手再次进行抢答。使倒计时器停止工作并显示选手的抢答

时刻，保持到主持人将系统清零为止。

当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，程序运行结束，系统回复到初始状态，以便进行下一轮的抢答。

4 小结

本课题设计利用8051单片机结合LED 显示器设计了一个简易的竞赛抢答器，其特点是利用程序软件，对各种抢答信号进行识别和处理，并利用软件实现倒计时、验键等功能，电路结构简单。在该抢答器的设计中，充分利用了单片机的内部资源，课程设计完成后，基本能够达到预期目标，可以完成抢答器的一般功能。

【参考文献】

[1] 赵德安.单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社. [2] 林克明、周佩玲.单片微机及其应用[M].合肥:中国科学技

术大学出版社.

[3] 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京:清华大学

出版社.

[4] 武庆生,仇梅.单片机及接口实用教材[M].电子科技大学出

版社.

[5] 陈大钦.电子技术基础实验[M].高等教育出版社.

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