汽車排氣消聲器優化系統研究

任正芳 張新明

摘 ?要：隨著駕乘人員對駕乘舒適度、操控性的不斷提升，汽車生產企業對汽車消聲器性能指標提出了更高的要求，因此進一步優化消聲器內部結構是提升汽車排氣消聲器性能指標重要途徑。

關鍵詞：排氣消聲器;優化措施

一、乘用車噪聲污染和控制研究現狀

我國城市噪聲污染主要來源于城市交通噪聲。城市交通噪聲大約占城市環境噪聲的60%～70%，受交通噪聲污染的城市面積占總面積的30%～40%。而汽車噪聲又是交通噪聲重要組成部分且份額最大。噪聲引起聽力損傷大量調查研究發現：噪聲危害人的聽力，輕則高頻聽閾損傷，中則耳聾，重則耳 鼓膜破裂。同時還發現，噪聲對人聽力損害的程度，與噪聲的形式、強度、頻率及暴 露的時間密切相關。噪聲級在80dB（A）以下，可以保證人長期工作不致耳聾;60 dB 以下，可以保證人正常的工作和學習。如果一個人較長時間停留在強烈噪聲環境中而未采取任何有效防護措施，將會引起聽力顯著下降，嚴重者會造成聽覺損傷甚至耳聾。城鎮化建設步伐的加快及現代化工業發展，城市噪聲污染狀況已不容樂觀。因此，為讓人們生活的更加安寧、舒適，研究如何減少這種危害就成了刻不容緩的事情。

二、汽車排氣消聲器測試分析

1、測試系統

本試驗以 GB /T 475921995在發動機臺架上進行測試，發動機型號為 QC480Q直列、四缸、四沖程、水冷、發動機，發動機排量 1. 5 L。排氣噪聲測量點布置在與排氣管出口軸線成 45°角，距離 0. 5 m處，傳聲器指向排氣口。排氣噪聲由傳聲器拾取，聲信號經抗混濾波器濾波、放大，由數據采集卡采集，進入計算機進行處理。排氣背壓由 U形管壓差計測定，而發動機輸出的功率則由測功器測定。為了防止廢氣氣流沖擊和廢氣對傳聲器的腐燭，試驗時傳聲器戴防風罩，在測量前后及中途使用標準噪聲源對傳聲器進行校準，控制誤差 ≤0. 2 dB。為保證試驗數據的準確性，發動機轉速誤差控制在≤ ±5 r/min，同時保證水溫、油溫穩定。

2、背景噪聲的隔離

排氣噪聲比發動機噪聲（排氣噪聲除外）高 15dB（A），配套的消聲器的消聲量一般在 20 dB（A）左右，也就是說安裝消聲器后排氣噪聲已不在是發動機的主要噪聲源。本試驗在普通的發動機臺架室進行，也就是說不進行處理，背景噪聲（發動機噪聲）將高于排氣噪聲使整個試驗無法進行。為此，設計了一個隔聲室。經隔聲處理后，背景噪聲已有102dB（A），降至 80dB（A），降低 20dB（A）。

3、測試結果及分析

本次試驗測量了發動機在全負荷額定功率轉速下的空管、帶消聲器的排氣噪聲譜，排氣噪聲譜IL =L空管 - L帶消聲器= 119. 8 - 102. 19 =17. 61 [dB（A）]

設在排氣管出口距離 r1處測得的排氣噪聲，其聲壓級為 Lp1，聲源的聲功率級為 Lw1，則Lw1= LP1 + 10lg4 π r21

同樣在距離 r2處測得允許其聲壓級為 Lp2，聲功率級為 Lw2，則 Lw2= LP2 + 10lg2 π r22

由于距離不同，同一聲源的聲壓級也不同，但聲功率級卻是不變的。因此也可以得到，在距離 r1處允許的聲壓級Lp3 = LP2 + 10lgr222r21（4）當然，消聲器所需的消聲量可以寫為ΔL = Lp1- Lp3（5）該消聲器用于微卡，依據 GB 1495 - 2002，該型車的加速噪聲限值為 Lp2= 76 dB（A）（測點 r2 = 7. 5m）。因此有必要對該消聲器作進一步改進設計。

三、消聲器的研究和設計方法

1、科技的進步帶動了各行業的迅速發展，消聲器的研究設計方法也一樣，從最初的手工分析法，不斷的發展為現在的計算機輔助設計。最初在二十世紀二十年代的早期，美國的Stewart首先提出了消聲器的研究設計理論，這一理論被人們稱為抗性聲濾清器理論。在四十年代中期，消聲器的設計中引入了數學方法，蔡超通過數學矩陣計算出了消聲器的聲學傳遞矩陣。在五十年代中期，Davis在截面突變處聲壓和體積振動速度的連續性和一維波動方程的理論基礎上，分析計算得出了膨脹腔和側支共振的特性。到了五十年代的后期，Igarashi在研究設計中引入了四端網絡原理，他利用等效電路法，研究出消聲器的傳遞特性，并利用四級參數矩陣的形式加以表示。經過十幾年的不斷研究、總結和創新，消聲器的設計中引入了線性聲波法，這類分析法在計算分析中考慮了氣流的影響，又一次的提升了消聲器的理論研究層面，同時也迫使試驗方法的改變，從而使實驗數據的精確度變得更高，與實際情況更吻合。

2、到了七十年代中期，一維平面波理論的局限性凸現出來，有限元的設計理念也開始萌生，二維和三維的分析方法也開始被應用。到了1975年，Crocker與Young，計算分析了消聲器的傳遞損失，他們此次的分析采用了有限元的理論。后來邊界元法也加入了消聲器的設計中，雖然邊界元法可以縮短計算的時間，但計算結果的精度不高。八十年代的三維有限元分析法已基本成熟，Prasad模擬分析了消聲器的聲學性能，通過試驗的對比，兩者基本吻合，這也意味著消聲器設計方法的又一次突破。

3、從上世紀九十年開始到現在，科技的迅猛發展推動了計算機的迅速升級，同時也帶動了設計軟件的迅速發展。UG、AutoCAD、Ansys和HyperMesh等建模軟件相繼出現;SYSNOISE、GT-POWER和LMS Virtual.Lab Acoustics等分析軟件的出現，為消聲器的設計提供了更精確有效的仿真途徑。1995年，Chao-Nan Wang與H.Luoetal利用邊界元法研究了穿孔插入式消聲器，并計算了該消聲器的傳遞損失。1996年，高宗英與王詩恩通過一維波動方程分析計算了消聲器的通過特性，并且此次研究考慮氣流和聲源的影響。到了1997年，M.L.Munjal 利用平面波法分析得出插出和插入式消聲器的傳遞特性，同時又研究分析了側面插出和插入式消聲器。到了1998年，胡立臣在六類消聲單元傳遞特性的基礎上，創建了數學模型，以表示消聲量。何天明和鄭澤紅在1999年優化了NJD433A柴油機的消聲器，他們此次研究使用了傳遞矩陣法;郝民同年也建立參數較為詳細的消聲器模型。到了2000年，在加入氣流與溫度的前提下，唐永琪研究了氣流的影響，此次對消聲器的研究使用了三維圖譜法。丁萬龍在2003年研究了摩托消聲器的性能，他不但使用了邊界元法，通過與試驗進行了對比，兩者結果基本一致。目前，在消聲器的設計中，建模仿真技術已被廣泛應用，它不但可以大大縮短設計周期，還可以提高設計過程中的精準度。

4、消聲器的材料

隨著汽車行業的發展，消聲器的制造材料也在不斷的變化。在汽車上使用消聲器的初期，消聲器主要采用鍍鋅鋁和普通鋼來制造。后來汽車排放受到了限制，而發動機的性能又進一步提升，因此，抗腐蝕性強且耐高溫的鍍鋁鋼取代了之前的廉價材料，用于生產消聲器。后來，人們對汽車尾氣有了新的要求，三元催化器加入到了排氣系統，這對消聲器的材料有新的要求，不銹鋼開始運用到了消聲器的制造中來。目前的不銹鋼有很多種類，不同的國家采用的不銹鋼也有所不同，這主要由于不同國家或地區對汽車噪聲級別的限制不同所造成的。

參考文獻

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[3] ?韋玲.4100QB發動機消聲器的排氣管聲學特性仿真分析及試驗