一种汽车普适消声器的分析与实验*

卢彦群，杨波

一种汽车普适消声器的分析与实验*

卢彦群，杨波

（河北工程大学，河北 邯郸 056038）

排气噪声是汽车的主要噪声源之一，往往比内燃机本体噪声高出10～15dB。使用合适的消声器是控制和降低排气噪声的有效手段，因而对排气消声器的研究越来越成为汽车排气噪声控制的热点。文章从实用性角度和声学原理出发，分析了一种普适性消声器结构及其降噪机理，并通过实验进行了有效验证。

汽车噪声；消声机理；实验验证

1 概述

随着汽车拥有量的日渐增多，汽车噪声逐渐引起人们的高度重视，许多国家和地区都对汽车的排放和噪声提出了越来越严格的执行标准。虽然使用消声器是汽车降噪的有效途径，但针对消声器的设计尚无十分成熟和完整的理论，有时需要反复迭代才能达到设计指标[1]。

随着科技的进步，工程师们对消声器设计过程中所考虑的问题越来越复杂，目前主要有以下几种研究方法：一是一维声音传播矩阵研究法，该方法的主要途径是把声学系统与电学系统进行类比，将电网络中的分析方法应用于声网络系统；二是在系统设计中又加入了气流速度、气流温度、气流压力等因素。该方法适用于气流振动频率较低、消声器截面尺寸较小的情况[2]；三是对于较高频率的情况，可以采用二维或三维的理论方法进行研究，比如有限元法，它是将声传播的空气域用有限元进行离散化处理，从而通过求解代数方程得到声学特性[3]，虽然该方法弥补了一维法在高频区域计算不准的不足，考虑了高次谐波的影响，但是在单元格增加到一定数量是，计算速度会大大下降。

本文从另一个角度——强调实用性的视角出发，对消声器的设计、分析和实验做了阐述。其基本思路是：一个合格的消音器应该满足以下要求：（1）既要结构简单，又能来达到消音效果，从而在满足排放标准的情况下降低成本；（2）尽量降低功率损失，在考虑排气消声器内部存在均匀气流的基础上，采用ANSYS FLUENT 模块用K-ε湍流模型分析内流体降低压力损失减少排气过程中的气流损失；（3）可利用CAE 进行分析：在排气消声器性能预测方面利用专业仿真软件GT-POWER，以“四麦克风法”进行插入损失分析，着重分析“四分之一波长管”，及“冲孔板”对不同频率噪音的消音效果的影响，确定腔体容积，兼顾消音量及功率；（4）符合人机工程学要求——排气可分为“气流声”，“阶次声”，而人感到舒服的声音往往是阶次声，采用专业的声学模块，降低气流声突出阶次声；（5）完成成品实验——将理论实验与分析转化为成品，并通过与HONDA CBR600RR 与Triumph Daytona 675 两款内燃机对比，消音量降低20~25db。

2 消音器结构与原理

为消除各种频率的噪声，实用性消音器既要满足抗性要求，又要满足阻性要求，为此可采用宽频共振复合结构（如图1所示）。

图1 消声器的总体结构示意图

它由消声器壳体、进气口、出气口、折返腔、四分之一波长管、共振腔、冲孔板以及隔音材料等组成。

其总体原理是：发动机排除的废气从进气口进入消声器，首先在折返腔内反复来回折返，初次平衡气流波动，降低废气能量，继而进入四分之一波长管，有针对性地消除特殊频率的声波，然后再进入共振腔，进一步将声能转化为热能，同时隔音材料吸收一般部分其他声波，最后废气通过出气口排出，既消除了火星，也减低了噪声。

2.1 四分之一波长管降噪原理

四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子（如图2所示），当声波从主管道进入封闭管，声波被封闭端反射回到主管，某些频率的反射声波与主管中同样频率的入射声波相遇，由于相位相反而相互抵消，从而达到消音目的，这是一个针对性较强的消音元件，往往用来消除某一特定转速的突出频率。

图2 四分之一管示意图

消声频率与封闭端管长的四分之一成比例关系，也就是说管子的长度等于特定波长的四分之一，这就是“四分之一波长管”之名称的来源。四分之一波长管主要针对高频消声，其共振频率为：

式中：

f为共振消声频率；

n为整数（n=1，2，3…）；

c为音速；

L为管长。

由式（1）可知：其消声共振频率只取决于管子的长度，管道越长，频率越低。其中n 起调节作用。当n=1 时，有：

式（2）说明，针对某一突出频率只需改变波长管的长度便可达到共振消声的目的。

消音元件的另一重要指标便是传递损失（Transmission loss，简称TL），TL是指：定义为消声元件入口处的入射声功率级 和出口处的透射声功率级 之差，即：

式中：

TL为传递损失；

Liw为入射功率级；

Ltw为投射功率级；

Wi为入射功率；

Wi为投射功率。

对于四分之一波长管，（3）式可改写成：

式中：

Sb为四分之一管截面积；

S为主管截面积；

fe为激振频率；

f为共振消声频率。

根据式（4），结合式（2）可知，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是波长管的截面积与主管截面积的比值（设为m），另一个是波长管的长度L。因此，根据空间布置改变长度L 或面积比m 即可达到最优效果[4-6]。

需要指出，四分之一波长管可以针对某一突出频率降噪，但全频段降噪效果不佳，往往要搭配共振腔共同达到消声目的。

2.2 共振腔及冲孔板结构分析

共振腔消声器具有低频效果好、结构简单、频率选择性强、寿命较长、对气流阻力较小等特点，本设计与专利产品采用共振腔与冲孔板（见图4）组合应用，其基本原理如图3所示。

图3 共振腔基本原理示意图

图4 冲孔板结

共振腔内设置一金属板，板上开有一些小孔，金属板下方为是共振腔。当声波传到共振结构时，小孔孔径中的气体在声波压力作用下，像活塞一样往复运动，通过孔径壁面的摩擦和阻尼作用，使一部分声能转化为热能消耗掉。

共振腔的消声共振频率可由下式表示：

式中：

f0为腔体共振频率；

c为音速；

V为共振腔容积；

G为传导率，可由下式计算：

这里，n为冲孔板小孔数目；

d为小孔直径；

t为穿孔板厚度，或称小孔深度。

在实用型设计中，倍频程频带消声量可按下式得到：

式中，k为与消声相关的无量纲常数：

式中，sr为共振腔通道截面。

因此，在实际工程中，首先要根据控制目的确定某一倍频程声压级的降噪量，然后再依据降噪分贝值，利用式（7）得到k值，最后再利用式（5）、（6）和（8）计算、选择其他参数。

当外来声波的频率与共振吸声结构的固有频率相同时，就会产生共振现象，这时振幅达到最大，孔径中空气柱往复运动的速度最大，摩擦损失最大，吸收的声能也达到最大值[7]。

共振消声器对低频噪声具有较好的消声效果，但从其消声原理可知，它的消声性能对噪声频率的选择性较强，消声频道的范围狭窄，当噪声频率离开共振结构的固有频率较远时，消声量急剧下降。

3 建模及仿真

根据计算和选择的各项参数，利用内燃机专业分析软件，在GEM3D 中创建消音器三维模型，其外形如图5所示。

图5 四分之一管与共振腔建模

模型经离散后导入声学模块“Transmission-Loss-Muffler”，然后采用四麦克风法进行插入损失分析，如图6所示。从分析结果（图7）可以看出，在150～900HZ的频谱范围内，消音量可达20db。

图6 声学分析模拟图

图7 声学分析结果

4 实验与应用

4.1 消音频谱分析

内燃机的排气噪声可分为阶次声和气流声，对于人类来讲，耳朵乐于接受的声音往往是阶次声。所以针对气流声，可以采取强行改变其走向等措施，加以减弱。为检测该消声器的基本效果，采用“Acoustic To Wave File”声学模块进行消音频谱分析，其输出的WAV声音频谱如图8所示。结果表明，对高频尖锐排气噪声有良好的消除作用。

图8 消音频谱分析

4.2 实际验证

将此装置分别代替Honda CBR600RR与Triumph Day-tona675两款发动机消声器，结果显示，其消音量分别比该两款消声器低12～24%左右。用此消声器安装在方程式赛车上，参加2019全国大学生方程式汽车大赛，无复检顺利通过噪声测试，并且整车获得全国二等奖。

该设计已获得中华人民共和国实用新型专利，专利号：201922311027.3。

[1] 张少华,金国栋.消声器及其性能分析方法的研究与优化[J].内燃机工程2005(02)p55-58.

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

[3] 黎志琴.汽车排放系统噪声与消声设计[M].北京:中国环境科学出版社,2016.

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

[5] 符江涛.共振腔消声器的设计与应用[J].环境工程2016(06),p36- 38.

[6] 张鹏镇.一种有效净化消声的内燃机消声器[P].爱学术2007(07).

[7] 韩宗斌,刘淑玉.消声元件在汽车排气系统中的应用[J].大众科技, 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

卢彦群（1963-），男，教授，就职于河北工程大学机械与装备学院。

1.河北省科技厅重点项目-大智移云应用专项-圆锥滚子轴承双层复合智能化生产线研发：18211832D；2.河北省教育厅重点项目-面向新工科基于TRIZ的大学生创新培养模式研究：2019GJJG250；本文产品专利号：201922311027.3。