降低噪声排放是工程机械产品技术进步的一个重要方向,消声器作为发动机排气系统的重要元件,直接影响整机噪声水平。匹配工程机械装机使用的柴油发动机消声器,通常具有由多个抗性消声单元组合形成的多腔室复杂结构形式。目前,工程机械用多腔室抗性消声器存在传递损失曲线随频率变化规律复杂,高频段内明显不是多腔室消声性能的叠加,腔室间流场性能相互影响、湍动能参数与气流噪声特性的关系不明确等问题,影响工程机械用抗性消声器性能提升。因此,研究多腔室抗性消声器的声学、流场和气流再生噪声特性,对于缩短设计分析周期,有效指导工程实践,降低噪声排放,具有理论研究意义和工程价值。本文以典型的两腔室消声结构为研究载体,建立了腔室间消声性能的耦合作用数学模型,深入分析了结构参数对消声性能耦合作用影响规律及其耦合作用机理;以压力损失、流速、湍动能等参数为评价指标,对消声腔室间流场特性相互作用进行了研究,归纳得出不同腔室的流场“阻抗边界条件”,直观揭示腔室流场特性耦合作用机理;通过声类比方程推导,建立了适用于消声器湍动能参数与气流噪声间的声源关系模型,为通过优化湍动能措施改进消声器气流噪声特性提供依据,为多腔室抗性消声器性能的提升奠定基础。本文主要研究进展如下:首先,基于二维轴对称解析法,通过求解两消声腔室间连接管道两端的入射及反射声波多阶模态幅值系数,建立了消声腔室间声学特性的耦合作用数学模型。完成了两膨胀腔室、两共振腔室、共振腔膨胀腔室等常用消声单元的声学耦合特性研究,分析得到了不同结构参数对腔室声学耦合特性的影响规律,研究发现消声器性能总体依赖于第二腔室,第一腔室消声性能因耦合作用削弱,第二腔室消声效果得到增强。采用声学阻抗转移理论,得出两腔室等效阻抗间的数学关系式,揭示腔室耦合作用机理,可为进一步研究消声单元间的掩蔽效应提供理论基础。其次,采用声学有限元和正交试验相结合的方法,以多腔室消声器的声学性能改进为主要目标,结合某型号挖掘机匹配的抗性消声器性能改进实践,通过研究腔室耦合作用影响下消声单元关键结构参数对消声器声学性能的影响特性,分析得到复杂结构抗性消声器内消声元件间声学掩蔽效应的规律,完成了相应消声器的声学性能改进,通过了装机测试试验,达到了预期结果,验证了消声元件声学性能及掩蔽效应研究结论的有效性。基于消声腔室间声学特性的耦合作用研究结论,对两腔室消声器的流场特性进行研究。通过优化局部压力损失计算参数,提出多腔室消声器压力损失预估模型;将第二腔室流场特性类比为声学阻抗边界条件,进而分析了结构参数对腔室流场特性相互作用的影响规律;针对常规穿孔管流场性能不足,引入脊状仿生结构,研究了具有减阻特性的脊状结构穿孔管,改进了消声器流场性能。在消声器湍动能流场特性研究结论基础上,利用湍流控制方程,以声类比思想为指导,推导出适用于抗性消声器的湍动能与气流再生噪声间的作用关系;并根据脊状结构减阻特性,引入尖锐壁面涡旋内场处理方法,得到定常形式的涡声方程,解释了脊状结构近壁面不产生可传播气流噪声的现象和结论。最后,总结归纳综合考虑多场特性的复杂结构抗性消声器设计与改进流程,在某型号推土机降噪实践中进行了应用,具体通过数值分析、台架试验、实车测试的方式进行了对比分析,综合多种指标,证明改进后的消声器在保持压力损失基本不变前提下,使排气噪声显著降低。配合其他综合措施,整车的外部发射声功率级和司机位置发射声压级均得到大幅改善。