某摩托車排氣聲品質分析優(yōu)化

趙東升，嚴天雄，劉進偉，高中華

（隆鑫通用動力股份有限公司，重慶400052）

1 理論基礎

日本福田基一教授的專著《噪聲控制與消聲設計》的出版是機動車噪聲控制研究的一個里程碑，他總結和發(fā)展了以前的消聲器理論，奠定了消聲器理論研究的經典基礎[1，2]。書中詳述了消聲器的基本結構和消聲特性，總結匯總常見消聲形式特性如表1所示。

表1 消聲形式特性一覽表

（續(xù)下表）

（續(xù)上表）

2 排氣噪聲摸底及分析

競品消聲器與原消聲器結構對比如表2所示，原消聲器在競品消聲器基礎上取消了吸聲材料，同時消聲器材質由不銹鋼調整為普通鋼，為了彌補材質變更引起的剛度下降，在消聲器中增加了隔板支撐。

表2 競品消聲器與原消聲器結構對比

為了明確原消聲器與競品消聲器排氣噪聲的差異，確認影響聲品質的主要頻段，對兩種消聲器狀態(tài)的排氣噪聲進行摸底試驗，排氣噪聲對比結果如圖1所示。該圖橫坐標為時間，縱坐標為頻率，云圖顏色為聲壓級（聲壓級越高，顏色越明亮），該圖直觀地展示了“怠速-加油-回油”整個過程。由于原消聲器和競品消聲器狀態(tài)的噪聲試驗是兩次試驗，時間標度存在差別，但不影響測試分析結論。

圖1 排氣噪聲對比

為了方便對比，圖中統(tǒng)一頻率和云圖顏色的標度，從云圖顏色可以看出，在加油和回油過程中，原消聲器整體比競品消聲器顏色更明亮，即聲壓級更高。同時通過頻譜對比分析和實時濾波主觀識別，得出該車原消聲器排氣噪聲在高頻段（2 000～5 000 Hz）對聲品質影響較大，其中2 800 Hz和4 000 Hz附近尤為明顯，判定這是影響排氣噪聲聲品質的主要頻段，如圖2中所示。

圖2 多孔板型結構等效過程

3 對策及效果

針對特定頻段消聲，可以采用共鳴型結構和多孔板型結構。關于共鳴型結構教科書中已有相關論述，這里不作贅述。多孔板型結構文獻資料中涉及較少，下面進行簡單介紹。

多孔板共鳴頻率：

其中，t為板的厚度；d為孔的直徑；p為開口率（每個單位面積的孔的面積）；i為后部空腔厚度；C o為聲速。

結合管道聲學理論及經驗，擬定了對策方案（如圖3所示）：（1）增加內板，形成雙層板結構，提高筒體剛度，抑制薄壁振動；（2）內板開孔設計為多孔板結構，衰減2 800Hz頻段高頻噪聲；（3）尾管鉆孔并加外套管設計為共鳴器結構，衰減4 000 Hz頻段高頻噪聲。

圖3 對策方案

對方案重新進行分析，顯示其高頻噪聲明顯下降，主觀評價認為該方案狀態(tài)消聲器的排氣噪聲聲品質達到競品水平，可以接受，匯總對比結果如圖4、表3所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖4 排氣噪聲對比

表3 聲學參數(shù)對比

圖中展示了3種狀態(tài)消聲器的排氣頻譜云圖，云圖橫坐標為時間（對應于“怠速-加油-回油”整個過程），縱坐標為頻率，顏色亮度為聲壓級（顏色越明亮，聲壓級越高），為了方便對比3個云圖標尺統(tǒng)一設置。從圖中可以看到，對策方案相較于其他，整體亮度最低，特別是高頻顏色明顯暗淡。

表中匯總展示了3種狀態(tài)消聲器的聲學參數(shù)。聲壓級是描述聲信號的基礎參數(shù)。響度是聲強的聽覺印象。尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺，用以區(qū)別聲音是尖銳（sharp），抑或沉悶（dull）[3]。對于排氣噪聲聲品質而言，一般認為響度和尖銳度越低越好[4]。從表中可以看到，對策方案響度和尖銳度都比原狀態(tài)大幅下降接近競品狀態(tài)，這與主觀評價結果基本一致。

排氣聲品質滿足要求，動力性能未有降低，同時方案消聲器相較于競品消聲器，單件成本低約35元。

4 總結

（1）本文通過對原狀態(tài)消聲器和競品消聲器排氣噪聲試驗數(shù)據對比分析確定了主要差異頻段。進一步，針對這些主要差異頻段進行相應的結構消聲設計，排氣聲品質最終達到了競品水平。

（2）本文提供了降低消聲器成本的新思路：不銹鋼材質變更為普通鋼，同時取消吸聲材料，通過消聲器結構局部調整彌補吸聲材料高頻吸聲性能的缺失，最終達到相同的消聲性能。

[1]福田基一.噪聲控制與消聲器設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學理論[M].北京：科學出版社，2004.

[3]杜功煥.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001.

[4]梅曉銘.基于聲品質的摩托車消聲器創(chuàng)新研究[J].振動與沖擊，2015（4）：9-13.