汽車排氣系統多孔共振式消聲器的設計

韓宗斌

摘 ?要：共振式消聲器一般用于消除有突出峰值的低頻噪聲，本文介紹了共振式消聲器的消聲原理、消聲器共振頻率的計算及消聲量的計算。以一實例介紹了汽車排氣系統多孔共振式消聲的設計方法。

關鍵詞：排氣系統;共振;消聲器

中圖分類號：U464 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0062-04

How To Design Auto Exhaust System Multihole Resonant Silencer

HAN Zong-bin

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.， ?Liuzhou 545000， China）

Abstract： The resonant silencer is used to reduce low frequency noise which has prominent peak.this article introduce the theory of the resonant silencer，and how to calculation the resonant frequency and noise lose.for a example to introduce how to design auto exhaust system multihole resonant silencer.

Key Word： ?Exhaust System; Resonant; Silencer

汽車排氣系統消聲器可分為阻性消聲器和抗性消聲器兩大類。阻性消聲器是利用吸聲材料（如玻璃纖維等）的吸聲作用，使沿管道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減，阻性消聲器主要用于消除中高頻噪聲。抗性消聲器是借助流通管道截面的擴張、收縮，或旁接共振腔，使沿管道傳播的某些頻率聲波在突變的界面發生反射、干涉或共振等現象，從而達到消聲的目的。

按照消聲原理的不同，抗性消聲器可以分為擴張式消聲器和共振式消聲器兩種。本文將詳細介紹如何進行汽車排氣系統共振式消聲器的設計。

1 ? ?;共振式消聲器類型

共振式消聲器的結構形式比較多，按氣流通道結構可以分為：單孔旁支共振式消聲器，見圖1，多孔共振式消聲器。單孔旁支共振式消聲器多用于汽車進氣系統中，在汽車排氣系統消聲器設計時，常用的是多孔圓柱式共振消聲器形式，見圖2。

2 ? ?多孔共振式消聲器的消聲原理

見圖3所示多孔共振式消聲器結構，一段管子通過一個密封的空腔，管子在空腔內的部分開有小孔，管子和空腔組成一個共振系統，當聲波經過管子上的小孔時由于聲阻抗特性發生突變，會有一部分聲能反射回去，還有一部分聲能由于共振系統的摩擦阻尼作用轉化為熱能而被消耗掉，只剩一小部分聲能通過管子繼續向前傳播，從而達到消聲目的。當通過的聲波頻率與消聲器的共振頻率一致時就會發生共振現象，在共振頻率及其附近，空氣振動速度最大，因此其克服摩擦阻力而消耗的聲能也最大，此時，消聲器有最大的消聲量。

3 ? ?多孔共振式消聲器共振頻率的確定

抗性共振式消聲器對頻率的選擇性較強，消聲頻帶比較窄，只有在共振頻率上才有較大的消聲量，一般用于消除350Hz以下的有突出峰值的中低頻噪聲。因此，在設計共振式消聲器時首先需要確定其共振頻率，當聲波波長遠大于共振消聲器外形結構尺寸時，共振式消聲器的共振頻率f可按式1計算。

（1）

C：聲速，m/s，聲速和溫度有關，聲速計算

（T為氣流攝氏溫度）

V：共振腔容積，m3

G：傳導率，m

傳導率是一個具有長度量綱的物理參數，它是小孔的截面積和小孔有效長度之比，單單一個孔的傳導率為：

（2）

S：小孔（穿孔）的截面積，m2

t：小孔長度（穿孔板厚度），m

d：小孔直徑（穿孔直徑），m

在實際汽車排氣系統消聲器設計時，消聲器不會只開一個孔，而是由很多個孔組成，當穿孔的孔距大于孔直徑5倍以上時各個孔間的振動頻率不會發生相互干涉，總的傳導率等于各個孔的傳導率之和，即：

（3）

n：穿孔的個數

4 ? ?多孔共振式消聲器消聲量的計算

在實際工程運用中，多孔共振式消聲器的消聲量可按下式進行估算：

（4）

式中

（5）

S0：氣流流通截面積，m2

5 ? ?多孔共振式消聲器的設計步驟

（1）根據降噪目標要求，確定消聲器的共振頻率f及消聲量△L，由式4計算得K值。

（2）由式1、式5求得消聲器的空腔容積：

（6）

（3）計算消聲器的傳導率：

（7）

（4）由式2、式3求得穿孔數：

（8）

（5）校核消聲器的形狀尺寸，要求消聲器共振腔的長、寬、高結構尺寸應該小于共振聲波頻率波長的1/3。

（6）確定穿孔段的長度，穿孔段的長度要求小于共振聲波頻率波長的1/12，并集中在共振腔的中部。

當確定消聲器空腔容積及傳導率后，就可以進行消聲器具體結構尺寸的設計。對于某一確定的消聲器空腔容積，可以有許多形狀尺寸組合，而對于某一確定的傳導率也可以有多種孔數、孔徑和穿孔管厚度，根據實際工程經驗，通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直徑取1～10mm。

6 ? ?多孔共振式消聲器的設計舉例

某四缸汽油發動機汽車排氣系統尾管6階噪聲在3440轉時有一個峰值，該峰值頻率為344Hz，根據噪聲目標要求在該噪聲峰值頻率上需要有19dB以上的消聲量。由于該噪聲是屬于350Hz以下的低頻突出峰值噪聲，因此可以在排氣系統中設計一個多孔共振式消聲器來消除該峰值噪聲，根據排氣系統管路布置條件已經確定排氣系統管路流通直徑為40mm，實際測量消聲器內氣流溫度為180℃，可以計算得到消聲器內聲速為426.95m/s。

（1）根據消聲量要求和式4，取K值為10.08。

（2）由式6得共振腔容積：

（3）根據排氣系統布置條件，該消聲器設計成如圖4多孔圓柱式共振消聲器形式，取共振腔的外徑為150mm，則共振腔的長度為：

（4）由式7，得傳導率為：

（5）選用流通管的管壁厚t=0.1cm，穿孔直徑d=0.35cm，由式8得開孔數量為：

則設計的消聲器結構尺寸確定為，中間流通管內徑為40mm，管壁厚為1.0mm，穿孔數量為50個，穿孔直徑為3.5mm，穿孔段長度為100mm均勻分布在共振腔中部，共振腔長度為283mm，腔的直徑為150mm，其結構見圖4：

（6）消聲器共振聲波的波長為：

消聲器共振腔尺寸小于共振波波長的1/3，即小于413mm，滿足要求。

（7）穿孔段長度小于消聲器共振聲波波長的1/12，即小于103.3mm，滿足要求。

增加多孔共振式消聲器后排氣系統噪聲如圖5所示，發動機轉速3440時的噪聲峰值已經消除。

7 ? ?總結

在設計共振式消聲各部分結構尺寸時，為使消聲量的理論計算值接近實際，消聲器的結構尺寸應盡可能滿足下面幾個條件：

（1）多孔共振消聲器消聲頻帶較窄，一般用于消除350Hz以下有突出峰值的中低頻噪聲。

（2）通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直徑取1～10mm。

（3）共振腔的長、寬、高結構尺寸應該盡量滿足小于共振聲波頻率波長的1/3。

（4）穿孔段的長度應該盡量滿足小于共振聲波頻率波長的1/12，并集中在共振腔的中部。

（5）穿孔孔距不能過密或過稀，一般孔距應不小于穿孔孔徑的5倍。

（6）要提高消聲量，則需要增大共振腔的容積，增加穿孔數量。設計時可以把共振腔劃分為幾段小的空腔。

參考文獻：

[1]袁昌明 ，等 著.噪聲與振動控制技術.冶金工業出版社，2007.

[2]龐劍，何華著.汽車噪聲與振動理論與運用.北京理工大學出版社，2008.

[3]楊貴恒，楊雪，何俊強等編著.噪聲與振動控制技術及其應用.化學工業出版社，2018.

[4]盛美萍，王敏慶，馬建剛編著.噪聲與振動控制技術基礎.科學出版社，2017.

[5]李道成，周乃榮，堯祖信主編. 實用噪聲及振動控制技術. 遼寧科學技術出版社.1993.

[6]公式1、2、3、4、5摘自書籍《噪聲與振動控制技術》第七章.

專家推薦語

陳 ? 贛

東風汽車集團有限公司技術中心

結構動力學 ?研究員級高級工程師

本論文闡述了汽車排氣系統多孔共振式消聲器的設計思路和具體公式，并對一款消聲器進行了參數設計。對從事消聲器設計開發的工程師具有實際工程借鑒意義。