某摩托车排气声品质分析优化

赵东升，严天雄，刘进伟，高中华

（隆鑫通用动力股份有限公司，重庆400052）

1 理论基础

日本福田基一教授的专著《噪声控制与消声设计》的出版是机动车噪声控制研究的一个里程碑，他总结和发展了以前的消声器理论，奠定了消声器理论研究的经典基础[1，2]。书中详述了消声器的基本结构和消声特性，总结汇总常见消声形式特性如表1所示。

表1 消声形式特性一览表

（续下表）

（续上表）

2 排气噪声摸底及分析

竞品消声器与原消声器结构对比如表2所示，原消声器在竞品消声器基础上取消了吸声材料，同时消声器材质由不锈钢调整为普通钢，为了弥补材质变更引起的刚度下降，在消声器中增加了隔板支撑。

表2 竞品消声器与原消声器结构对比

为了明确原消声器与竞品消声器排气噪声的差异，确认影响声品质的主要频段，对两种消声器状态的排气噪声进行摸底试验，排气噪声对比结果如图1所示。该图横坐标为时间，纵坐标为频率，云图颜色为声压级（声压级越高，颜色越明亮），该图直观地展示了“怠速-加油-回油”整个过程。由于原消声器和竞品消声器状态的噪声试验是两次试验，时间标度存在差别，但不影响测试分析结论。

图1 排气噪声对比

为了方便对比，图中统一频率和云图颜色的标度，从云图颜色可以看出，在加油和回油过程中，原消声器整体比竞品消声器颜色更明亮，即声压级更高。同时通过频谱对比分析和实时滤波主观识别，得出该车原消声器排气噪声在高频段（2 000～5 000 Hz）对声品质影响较大，其中2 800 Hz和4 000 Hz附近尤为明显，判定这是影响排气噪声声品质的主要频段，如图2中所示。

图2 多孔板型结构等效过程

3 对策及效果

针对特定频段消声，可以采用共鸣型结构和多孔板型结构。关于共鸣型结构教科书中已有相关论述，这里不作赘述。多孔板型结构文献资料中涉及较少，下面进行简单介绍。

多孔板共鸣频率：

其中，t为板的厚度；d为孔的直径；p为开口率（每个单位面积的孔的面积）；i为后部空腔厚度；C o为声速。

结合管道声学理论及经验，拟定了对策方案（如图3所示）：（1）增加内板，形成双层板结构，提高筒体刚度，抑制薄壁振动；（2）内板开孔设计为多孔板结构，衰减2 800Hz频段高频噪声；（3）尾管钻孔并加外套管设计为共鸣器结构，衰减4 000 Hz频段高频噪声。

图3 对策方案

对方案重新进行分析，显示其高频噪声明显下降，主观评价认为该方案状态消声器的排气噪声声品质达到竞品水平，可以接受，汇总对比结果如图4、表3所示。

（续下图）

（续上图）

图4 排气噪声对比

表3 声学参数对比

图中展示了3种状态消声器的排气频谱云图，云图横坐标为时间（对应于“怠速-加油-回油”整个过程），纵坐标为频率，颜色亮度为声压级（颜色越明亮，声压级越高），为了方便对比3个云图标尺统一设置。从图中可以看到，对策方案相较于其他，整体亮度最低，特别是高频颜色明显暗淡。

表中汇总展示了3种状态消声器的声学参数。声压级是描述声信号的基础参数。响度是声强的听觉印象。尖锐度是声音是否使人愉悦的一种感觉，用以区别声音是尖锐（sharp），抑或沉闷（dull）[3]。对于排气噪声声品质而言，一般认为响度和尖锐度越低越好[4]。从表中可以看到，对策方案响度和尖锐度都比原状态大幅下降接近竞品状态，这与主观评价结果基本一致。

排气声品质满足要求，动力性能未有降低，同时方案消声器相较于竞品消声器，单件成本低约35元。

4 总结

（1）本文通过对原状态消声器和竞品消声器排气噪声试验数据对比分析确定了主要差异频段。进一步，针对这些主要差异频段进行相应的结构消声设计，排气声品质最终达到了竞品水平。

（2）本文提供了降低消声器成本的新思路：不锈钢材质变更为普通钢，同时取消吸声材料，通过消声器结构局部调整弥补吸声材料高频吸声性能的缺失，最终达到相同的消声性能。

[1]福田基一.噪声控制与消声器设计[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]马大猷.现代声学理论[M].北京：科学出版社，2004.

[3]杜功焕.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[4]梅晓铭.基于声品质的摩托车消声器创新研究[J].振动与冲击，2015（4）：9-13.