一種汽車普適消聲器的分析與實驗*

盧彥群，楊波

一種汽車普適消聲器的分析與實驗*

盧彥群，楊波

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

排氣噪聲是汽車的主要噪聲源之一，往往比內燃機本體噪聲高出10～15dB。使用合適的消聲器是控制和降低排氣噪聲的有效手段，因而對排氣消聲器的研究越來越成為汽車排氣噪聲控制的熱點。文章從實用性角度和聲學原理出發，分析了一種普適性消聲器結構及其降噪機理，并通過實驗進行了有效驗證。

汽車噪聲；消聲機理；實驗驗證

1 概述

隨著汽車擁有量的日漸增多，汽車噪聲逐漸引起人們的高度重視，許多國家和地區都對汽車的排放和噪聲提出了越來越嚴格的執行標準。雖然使用消聲器是汽車降噪的有效途徑，但針對消聲器的設計尚無十分成熟和完整的理論，有時需要反復迭代才能達到設計指標[1]。

隨著科技的進步，工程師們對消聲器設計過程中所考慮的問題越來越復雜，目前主要有以下幾種研究方法：一是一維聲音傳播矩陣研究法，該方法的主要途徑是把聲學系統與電學系統進行類比，將電網絡中的分析方法應用于聲網絡系統；二是在系統設計中又加入了氣流速度、氣流溫度、氣流壓力等因素。該方法適用于氣流振動頻率較低、消聲器截面尺寸較小的情況[2]；三是對于較高頻率的情況，可以采用二維或三維的理論方法進行研究，比如有限元法，它是將聲傳播的空氣域用有限元進行離散化處理，從而通過求解代數方程得到聲學特性[3]，雖然該方法彌補了一維法在高頻區域計算不準的不足，考慮了高次諧波的影響，但是在單元格增加到一定數量是，計算速度會大大下降。

本文從另一個角度——強調實用性的視角出發，對消聲器的設計、分析和實驗做了闡述。其基本思路是：一個合格的消音器應該滿足以下要求：（1）既要結構簡單，又能來達到消音效果，從而在滿足排放標準的情況下降低成本；（2）盡量降低功率損失，在考慮排氣消聲器內部存在均勻氣流的基礎上，采用ANSYS FLUENT 模塊用K-ε湍流模型分析內流體降低壓力損失減少排氣過程中的氣流損失；（3）可利用CAE 進行分析：在排氣消聲器性能預測方面利用專業仿真軟件GT-POWER，以“四麥克風法”進行插入損失分析，著重分析“四分之一波長管”，及“沖孔板”對不同頻率噪音的消音效果的影響，確定腔體容積，兼顧消音量及功率；（4）符合人機工程學要求——排氣可分為“氣流聲”，“階次聲”，而人感到舒服的聲音往往是階次聲，采用專業的聲學模塊，降低氣流聲突出階次聲；（5）完成成品實驗——將理論實驗與分析轉化為成品，并通過與HONDA CBR600RR 與Triumph Daytona 675 兩款內燃機對比，消音量降低20~25db。

2 消音器結構與原理

為消除各種頻率的噪聲，實用性消音器既要滿足抗性要求，又要滿足阻性要求，為此可采用寬頻共振復合結構（如圖1所示）。

圖1 消聲器的總體結構示意圖

它由消聲器殼體、進氣口、出氣口、折返腔、四分之一波長管、共振腔、沖孔板以及隔音材料等組成。

其總體原理是：發動機排除的廢氣從進氣口進入消聲器，首先在折返腔內反復來回折返，初次平衡氣流波動，降低廢氣能量，繼而進入四分之一波長管，有針對性地消除特殊頻率的聲波，然后再進入共振腔，進一步將聲能轉化為熱能，同時隔音材料吸收一般部分其他聲波，最后廢氣通過出氣口排出，既消除了火星，也減低了噪聲。

2.1 四分之一波長管降噪原理

四分之一波長管是安裝在主管道上的一個封閉的管子（如圖2所示），當聲波從主管道進入封閉管，聲波被封閉端反射回到主管，某些頻率的反射聲波與主管中同樣頻率的入射聲波相遇，由于相位相反而相互抵消，從而達到消音目的，這是一個針對性較強的消音元件，往往用來消除某一特定轉速的突出頻率。

圖2 四分之一管示意圖

消聲頻率與封閉端管長的四分之一成比例關系，也就是說管子的長度等于特定波長的四分之一，這就是“四分之一波長管”之名稱的來源。四分之一波長管主要針對高頻消聲，其共振頻率為：

式中：

f為共振消聲頻率；

n為整數（n=1，2，3…）；

c為音速；

L為管長。

由式（1）可知：其消聲共振頻率只取決于管子的長度，管道越長，頻率越低。其中n 起調節作用。當n=1 時，有：

式（2）說明，針對某一突出頻率只需改變波長管的長度便可達到共振消聲的目的。

消音元件的另一重要指標便是傳遞損失（Transmission loss，簡稱TL），TL是指：定義為消聲元件入口處的入射聲功率級 和出口處的透射聲功率級 之差，即：

式中：

TL為傳遞損失；

Liw為入射功率級；

Ltw為投射功率級；

Wi為入射功率；

Wi為投射功率。

對于四分之一波長管，（3）式可改寫成：

式中：

Sb為四分之一管截面積；

S為主管截面積；

fe為激振頻率；

f為共振消聲頻率。

根據式（4），結合式（2）可知，影響四分之一波長管傳遞損失的參數有兩個，一個是波長管的截面積與主管截面積的比值（設為m），另一個是波長管的長度L。因此，根據空間布置改變長度L 或面積比m 即可達到最優效果[4-6]。

需要指出，四分之一波長管可以針對某一突出頻率降噪，但全頻段降噪效果不佳，往往要搭配共振腔共同達到消聲目的。

2.2 共振腔及沖孔板結構分析

共振腔消聲器具有低頻效果好、結構簡單、頻率選擇性強、壽命較長、對氣流阻力較小等特點，本設計與專利產品采用共振腔與沖孔板（見圖4）組合應用，其基本原理如圖3所示。

圖3 共振腔基本原理示意圖

圖4 沖孔板結

共振腔內設置一金屬板，板上開有一些小孔，金屬板下方為是共振腔。當聲波傳到共振結構時，小孔孔徑中的氣體在聲波壓力作用下，像活塞一樣往復運動，通過孔徑壁面的摩擦和阻尼作用，使一部分聲能轉化為熱能消耗掉。

共振腔的消聲共振頻率可由下式表示：

式中：

f0為腔體共振頻率；

c為音速；

V為共振腔容積；

G為傳導率，可由下式計算：

這里，n為沖孔板小孔數目；

d為小孔直徑；

t為穿孔板厚度，或稱小孔深度。

在實用型設計中，倍頻程頻帶消聲量可按下式得到：

式中，k為與消聲相關的無量綱常數：

式中，sr為共振腔通道截面。

因此，在實際工程中，首先要根據控制目的確定某一倍頻程聲壓級的降噪量，然后再依據降噪分貝值，利用式（7）得到k值，最后再利用式（5）、（6）和（8）計算、選擇其他參數。

當外來聲波的頻率與共振吸聲結構的固有頻率相同時，就會產生共振現象，這時振幅達到最大，孔徑中空氣柱往復運動的速度最大，摩擦損失最大，吸收的聲能也達到最大值[7]。

共振消聲器對低頻噪聲具有較好的消聲效果，但從其消聲原理可知，它的消聲性能對噪聲頻率的選擇性較強，消聲頻道的范圍狹窄，當噪聲頻率離開共振結構的固有頻率較遠時，消聲量急劇下降。

3 建模及仿真

根據計算和選擇的各項參數，利用內燃機專業分析軟件，在GEM3D 中創建消音器三維模型，其外形如圖5所示。

圖5 四分之一管與共振腔建模

模型經離散后導入聲學模塊“Transmission-Loss-Muffler”，然后采用四麥克風法進行插入損失分析，如圖6所示。從分析結果（圖7）可以看出，在150～900HZ的頻譜范圍內，消音量可達20db。

圖6 聲學分析模擬圖

圖7 聲學分析結果

4 實驗與應用

4.1 消音頻譜分析

內燃機的排氣噪聲可分為階次聲和氣流聲，對于人類來講，耳朵樂于接受的聲音往往是階次聲。所以針對氣流聲，可以采取強行改變其走向等措施，加以減弱。為檢測該消聲器的基本效果，采用“Acoustic To Wave File”聲學模塊進行消音頻譜分析，其輸出的WAV聲音頻譜如圖8所示。結果表明，對高頻尖銳排氣噪聲有良好的消除作用。

圖8 消音頻譜分析

4.2 實際驗證

將此裝置分別代替Honda CBR600RR與Triumph Day-tona675兩款發動機消聲器，結果顯示，其消音量分別比該兩款消聲器低12～24%左右。用此消聲器安裝在方程式賽車上，參加2019全國大學生方程式汽車大賽，無復檢順利通過噪聲測試，并且整車獲得全國二等獎。

該設計已獲得中華人民共和國實用新型專利，專利號：201922311027.3。

[1] 張少華,金國棟.消聲器及其性能分析方法的研究與優化[J].內燃機工程2005(02)p55-58.

[2] Thomas M.etal,Modeling of engine exhaust acoustics[C].SAE 99665.

[3] 黎志琴.汽車排放系統噪聲與消聲設計[M].北京:中國環境科學出版社,2016.

[4] Than Blaster, Transfer function method of measuring in-duct acoustic properties[J].The J acoustic Soc Am,68(3) 91980.

[5] 符江濤.共振腔消聲器的設計與應用[J].環境工程2016(06),p36- 38.

[6] 張鵬鎮.一種有效凈化消聲的內燃機消聲器[P].愛學術2007(07).

[7] 韓宗斌,劉淑玉.消聲元件在汽車排氣系統中的應用[J].大眾科技, 2017(07),p8-29.

Experiment and Research on a Universal Muffler for Automobile*

Lu Yanqun, Yang Bo

( Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038 )

Exhaust noise is one of the main noise sources of automobile, which is 10-15db higher than that of internal combustion engine. Using appropriate exhaust muffler is an effective means to control and reduce exhaust noise, so the research on exhaust muffler is becoming more and more popular. In this paper, the noise reduction mechanism of a universal muffler is analyzed from the perspective of acoustic principle, muffler structure and ergonomics, and is verified by experiments.

Automobile noise; Muffler mechanism; Experimental verification

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.026

TB535+.2

A

1671-7988(2021)02-80-04

TB535+.2

A

1671-7988(2021)02-80-04

盧彥群（1963-），男，教授，就職于河北工程大學機械與裝備學院。

1.河北省科技廳重點項目-大智移云應用專項-圓錐滾子軸承雙層復合智能化生產線研發：18211832D；2.河北省教育廳重點項目-面向新工科基于TRIZ的大學生創新培養模式研究：2019GJJG250；本文產品專利號：201922311027.3。