專利名稱：復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)排氣消聲裝置，尤其是車載消聲排氣設(shè)備制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)工作原理的不同，傳統(tǒng)的汽車排氣消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器以及 阻抗復(fù)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(nèi)壁上或按照一定 方式在排氣通道中排列，就構(gòu)成了阻性消聲器；而抗性消聲器則是由擴(kuò)張腔、穿孔板、穿孔 管、內(nèi)插管等典型聲學(xué)特性元件按一定方式組合而成；如果將阻性結(jié)構(gòu)和抗性結(jié)構(gòu)按照一 定方式組合起來，就構(gòu)成了阻抗復(fù)合式消聲器。目前，主流車型上廣泛使用的是抗性以及阻 抗復(fù)合式的消聲器，純粹的阻性消聲器由于排氣阻力大、耐水性差、吸聲材料被排氣氣流吹 散后易造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)而基本被淘汰。汽車排氣消聲器的性能評價主要采用3項(xiàng)指標(biāo)，即聲學(xué)性能(消聲量與消聲頻 帶)、空氣動力性能(排氣阻力系數(shù)或阻力損失)和結(jié)構(gòu)性能(外形尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)重 量、工藝性、維護(hù)性、使用壽命等)，它們既互相聯(lián)系又互相制約。設(shè)計大消聲量且低排氣阻 力的排氣消聲器一直是汽車技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。同時，設(shè)計中還須考慮消聲器的結(jié)構(gòu) 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(shí)踐表明，采用傳統(tǒng)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(yù)見，在日益嚴(yán)格的汽車 噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保法規(guī)要求下，傳統(tǒng)的汽車排氣消聲器最終將無法適應(yīng)整車匹配的技術(shù) 條件，具體體現(xiàn)在(1)傳統(tǒng)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、干涉、轉(zhuǎn)向、回旋、截面突變等(抗性消聲原理)耗散聲能而達(dá)到消聲 目的。因此，無論是采用阻性、抗性還是阻抗復(fù)合的結(jié)構(gòu)型式，其工作原理決定了消聲器聲 學(xué)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(fā)動機(jī)的動力性能，增加了發(fā)動機(jī)的能耗，甚至?xí)绊懻囌?行駛；(2)傳統(tǒng)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(fā)出噪聲輻 射，即所謂“再生噪聲”。再生噪聲的產(chǎn)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，或采用不等厚度雙層殼體 等附加結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致消聲器的重量增加與工藝性下降；(3)傳統(tǒng)的汽車排氣消聲器，無論是抗性還是阻抗復(fù)合式消聲器(純粹的阻性消 聲器已基本被淘汰)，其腔體內(nèi)部集成了諸多聲學(xué)特性元件，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)計、制造及維 護(hù)均不方便。注意到相關(guān)領(lǐng)域已公開的專利，其中，胡克龍的發(fā)明專利“濾波器的噪聲抑制 方法(200310110368. 5) ”，吳福根、鐘蘭花、張欣、鐘會林、李小玲、鐘韶的發(fā)明專利“二 維聲子晶體隔音結(jié)構(gòu)(200410077471. 9)”和實(shí)用新型專利“二維聲子晶體隔音結(jié)構(gòu)(200420102759. 2) ”，陳天寧、崔戰(zhàn)友、張波、吳釗的發(fā)明專利“具有縫隙特征散射體二維聲 子結(jié)構(gòu)及由其組成的帶隙材料(200810150323. 3) ”，周代丨羽的發(fā)明專利“便攜式電子裝 置(200810301613. 3) ”，陳源、周明剛、黃濤、周敬東、孫國棟、張錚、陳輝、張三強(qiáng)、周小強(qiáng)、 戚得眾、王元芳、余艷艷、黃英的發(fā)明專利“一種車用周期性阻尼結(jié)構(gòu)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(xué)功能材料，但卻并不針對汽車排 氣消聲器領(lǐng)域的應(yīng)用。而在汽車排氣消聲器領(lǐng)域的諸多專利信息中，尚未見到涉及聲子晶 體應(yīng)用的報道。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種新的復(fù)式三維聲子晶體汽車排 氣消聲器，以聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)理論為依據(jù)，利用聲波在周期性介質(zhì)中傳播的禁帶特性 來達(dá)到消聲目的。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進(jìn)氣管、端蓋、內(nèi)置有消聲總成 的筒身、后蓋、尾管等組成，其特征在于，所述消聲器總成采用復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體，其固態(tài)球 形散射體沿排氣方向?qū)盈B排列為空間點(diǎn)陣，同層散射體之間以高強(qiáng)度彈性細(xì)絲相互連接并 固定于邊框保持架上。本發(fā)明利用聲波在周期性介質(zhì)中傳播的禁帶特性來達(dá)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，有利于消聲器聲學(xué)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(yōu)點(diǎn)可表達(dá)為(1)拋棄了傳統(tǒng)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、干涉、轉(zhuǎn)向、回旋、截面突變等耗散聲能，而是利用聲 波在周期性介質(zhì)中傳播的禁帶特性來達(dá)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，有利于消聲器聲學(xué)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)致消聲器的重量增加與工藝性 下降，有利于消聲器聲學(xué)性能與結(jié)構(gòu)性能的同步提高。(3)拋棄了傳統(tǒng)汽車排氣消聲器腔體內(nèi)部的擴(kuò)張腔、穿孔板、穿孔管、內(nèi)插管等諸 多聲學(xué)特性元件，代之以形態(tài)規(guī)則的復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體總成，有利于腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大大簡化。(4)性能設(shè)計參數(shù)較多，且設(shè)計約束條件較為寬松，因而具有較強(qiáng)的可設(shè)計性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明消聲總成中復(fù)式三維聲子晶體排布圖。圖3是發(fā)明實(shí)施例的局部剖視圖。
具體實(shí)施例方式由圖1可看到，復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭1、進(jìn)氣管2、端蓋3、內(nèi)置有消聲總成4的筒身7、后蓋5、尾管6和掛鉤8等組成。由圖2可看到，所述消聲器 總成4采用復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體，其固態(tài)球形散射體9沿排氣方向?qū)盈B排列為空間點(diǎn)陣，同層 散射體之間以高強(qiáng)度彈性細(xì)絲10相互連接并固定于邊框保持架11上。復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體總成是該消聲器的核心功能元件，其實(shí)質(zhì)是一種人工周期性復(fù) 合結(jié)構(gòu)。一方面，聲波受其周期性介質(zhì)常數(shù)的調(diào)制會形成能帶結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生聲學(xué)禁帶，而在禁 帶頻率范圍內(nèi)的聲波被禁止傳播，從而達(dá)到了抑制噪聲的目的。由于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、干涉、轉(zhuǎn)向、回旋、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(jī)制下，消聲器殼體 振動的彈性波也會產(chǎn)生禁帶，在禁帶頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)，即可有效避免因抑制再生噪聲而導(dǎo)致 消聲器的重量增加與工藝性下降。再有，以這種形態(tài)規(guī)則的人工周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng) 消聲器腔體內(nèi)部諸多聲學(xué)特性元件(如擴(kuò)張腔、穿孔板、穿孔管、內(nèi)插管等)，大大簡化了腔 體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而更便于設(shè)計、制造及維護(hù)。為了獲得足夠的消聲量并滿足所需要的消聲頻帶，復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體總成至少須 由三段具有不同點(diǎn)陣形態(tài)的固/氣型三維聲子晶體沿排氣方向銜接而成。性能設(shè)計參數(shù) 為不同點(diǎn)陣形態(tài)固/氣型三維聲子晶體的段數(shù)、段長度與銜接次序，以及每段固/氣型三 維聲子晶體中固態(tài)球形散射體的空間點(diǎn)陣形態(tài)與周期常數(shù)、散射體直徑、散射體材質(zhì)密度、 彈性細(xì)絲直徑與剛度等。設(shè)計約束條件是植入上述聲子晶體后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(shí)際實(shí)施時，可在一段或多段聲子晶體的固態(tài)球形散射體上開設(shè)小孔，由此在聲 學(xué)禁帶的基礎(chǔ)上，增加了小孔消聲機(jī)制，并可通過改變小孔的個數(shù)、方位、截面形狀及面積 等獲得更為理想的聲學(xué)禁帶特性。此外還可在空間點(diǎn)陣的局部范圍內(nèi)對固態(tài)球形散射體實(shí)施缺位、穿孔、變形、改變 材質(zhì)等處理，由此在聲子晶體中引入缺陷態(tài)，以適當(dāng)調(diào)控聲波及振動彈性波的傳播規(guī)律與 禁帶特征，從而在擴(kuò)展消聲頻帶的同時改善排氣噪聲的聲學(xué)品質(zhì)。由端蓋、后蓋、筒身圍成的消聲器腔體，一方面，用于承載和保護(hù)復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶 體總成；另一方面，與進(jìn)氣管、尾管構(gòu)成了聲學(xué)擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)，也具有一定的輔助消聲作用。在圖3的實(shí)施例中所示，具體設(shè)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。其復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體總成由三段具有不同點(diǎn)陣形態(tài)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(tài)球形散射體上開設(shè)了小孔，并對位于III段聲子晶體芯部的若干個固態(tài)球形散射體實(shí)施了 缺位處理以構(gòu)成缺陷態(tài)。
權(quán)利要求
復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進(jìn)氣管、端蓋、內(nèi)置有消聲總成的筒身、后蓋、尾管等組成，其特征在于，所述消聲器總成采用復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體，其固態(tài)球形散射體沿排氣方向?qū)盈B排列為空間點(diǎn)陣，同層散射體之間以高強(qiáng)度彈性細(xì)絲相互連接并固定于邊框保持架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特征在于，所述復(fù)式 結(jié)構(gòu)聲子晶體總成至少由三段具有不同點(diǎn)陣形態(tài)的固/氣型三維聲子晶體沿排氣方向銜 接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特征在于，所述固 態(tài)球形散射體上開設(shè)有小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特征在于，所述空 間點(diǎn)陣的局部范圍內(nèi)存在固態(tài)球形散射體的缺位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特征在于，所述空 間點(diǎn)陣的局部范圍內(nèi)相鄰固態(tài)球形散射體存在形態(tài)差異。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，其特征在于，所述空 間點(diǎn)陣的局部范圍內(nèi)相鄰固態(tài)球形散射體存在材質(zhì)差異。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)式三維聲子晶體汽車排氣消聲器，由連接法蘭、進(jìn)氣管、端蓋、內(nèi)置有消聲總成的筒身、后蓋、尾管等組成，其特征在于，所述消聲器總成采用復(fù)式結(jié)構(gòu)聲子晶體，其固態(tài)球形散射體沿排氣方向?qū)盈B排列為空間點(diǎn)陣，同層散射體之間以高強(qiáng)度彈性細(xì)絲相互連接并固定于邊框保持架上。本發(fā)明利用聲波在周期性介質(zhì)中傳播的禁帶特性來達(dá)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，有利于消聲器聲學(xué)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(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者丁渭平, 徐小程, 楊明亮 申請人:西南交通大學(xué)