汽车排气系统多孔共振式消声器的设计

韩宗斌

摘  要：共振式消声器一般用于消除有突出峰值的低频噪声，本文介绍了共振式消声器的消声原理、消声器共振频率的计算及消声量的计算。以一实例介绍了汽车排气系统多孔共振式消声的设计方法。

关键词：排气系统;共振;消声器

中图分类号：U464      文献标识码：A      文章编号：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

汽车排气系统消声器可分为阻性消声器和抗性消声器两大类。阻性消声器是利用吸声材料（如玻璃纤维等）的吸声作用，使沿管道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减，阻性消声器主要用于消除中高频噪声。抗性消声器是借助流通管道截面的扩张、收缩，或旁接共振腔，使沿管道传播的某些频率声波在突变的界面发生反射、干涉或共振等现象，从而达到消声的目的。

按照消声原理的不同，抗性消声器可以分为扩张式消声器和共振式消声器两种。本文将详细介绍如何进行汽车排气系统共振式消声器的设计。

1    ;共振式消声器类型

共振式消声器的结构形式比较多，按气流通道结构可以分为：单孔旁支共振式消声器，见图1，多孔共振式消声器。单孔旁支共振式消声器多用于汽车进气系统中，在汽车排气系统消声器设计时，常用的是多孔圆柱式共振消聲器形式，见图2。

2    多孔共振式消声器的消声原理

见图3所示多孔共振式消声器结构，一段管子通过一个密封的空腔，管子在空腔内的部分开有小孔，管子和空腔组成一个共振系统，当声波经过管子上的小孔时由于声阻抗特性发生突变，会有一部分声能反射回去，还有一部分声能由于共振系统的摩擦阻尼作用转化为热能而被消耗掉，只剩一小部分声能通过管子继续向前传播，从而达到消声目的。当通过的声波频率与消声器的共振频率一致时就会发生共振现象，在共振频率及其附近，空气振动速度最大，因此其克服摩擦阻力而消耗的声能也最大，此时，消声器有最大的消声量。

3    多孔共振式消声器共振频率的确定

抗性共振式消声器对频率的选择性较强，消声频带比较窄，只有在共振频率上才有较大的消声量，一般用于消除350Hz以下的有突出峰值的中低频噪声。因此，在设计共振式消声器时首先需要确定其共振频率，当声波波长远大于共振消声器外形结构尺寸时，共振式消声器的共振频率f可按式1计算。

（1）

C：声速，m/s，声速和温度有关，声速计算

（T为气流摄氏温度）

V：共振腔容积，m3

G：传导率，m

传导率是一个具有长度量纲的物理参数，它是小孔的截面积和小孔有效长度之比，单单一个孔的传导率为：

（2）

S：小孔（穿孔）的截面积，m2

t：小孔长度（穿孔板厚度），m

d：小孔直径（穿孔直径），m

在实际汽车排气系统消声器设计时，消声器不会只开一个孔，而是由很多个孔组成，当穿孔的孔距大于孔直径5倍以上时各个孔间的振动频率不会发生相互干涉，总的传导率等于各个孔的传导率之和，即：

（3）

n：穿孔的个数

4    多孔共振式消声器消声量的计算

在实际工程运用中，多孔共振式消声器的消声量可按下式进行估算：

（4）

式中

（5）

S0：气流流通截面积，m2

5    多孔共振式消声器的设计步骤

（1）根据降噪目标要求，确定消声器的共振频率f及消声量△L，由式4计算得K值。

（2）由式1、式5求得消声器的空腔容积：

（6）

（3）计算消声器的传导率：

（7）

（4）由式2、式3求得穿孔数：

（8）

（5）校核消声器的形状尺寸，要求消声器共振腔的长、宽、高结构尺寸应该小于共振声波频率波长的1/3。

（6）确定穿孔段的长度，穿孔段的长度要求小于共振声波频率波长的1/12，并集中在共振腔的中部。

当确定消声器空腔容积及传导率后，就可以进行消声器具体结构尺寸的设计。对于某一确定的消声器空腔容积，可以有许多形状尺寸组合，而对于某一确定的传导率也可以有多种孔数、孔径和穿孔管厚度，根据实际工程经验，通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直径取1～10mm。

6    多孔共振式消声器的设计举例

某四缸汽油发动机汽车排气系统尾管6阶噪声在3440转时有一个峰值，该峰值频率为344Hz，根据噪声目标要求在该噪声峰值频率上需要有19dB以上的消声量。由于该噪声是属于350Hz以下的低频突出峰值噪声，因此可以在排气系统中设计一个多孔共振式消声器来消除该峰值噪声，根据排气系统管路布置条件已经确定排气系统管路流通直径为40mm，实际测量消声器内气流温度为180℃，可以计算得到消声器内声速为426.95m/s。

（1）根据消声量要求和式4，取K值为10.08。

（2）由式6得共振腔容积：

（3）根据排气系统布置条件，该消声器设计成如图4多孔圆柱式共振消声器形式，取共振腔的外径为150mm，则共振腔的长度为：

（4）由式7，得传导率为：

（5）选用流通管的管壁厚t=0.1cm，穿孔直径d=0.35cm，由式8得开孔数量为：

则设计的消声器结构尺寸确定为，中间流通管内径为40mm，管壁厚为1.0mm，穿孔数量为50个，穿孔直径为3.5mm，穿孔段长度为100mm均匀分布在共振腔中部，共振腔长度为283mm，腔的直径为150mm，其结构见图4：

（6）消声器共振声波的波长为：

消声器共振腔尺寸小于共振波波长的1/3，即小于413mm，满足要求。

（7）穿孔段长度小于消声器共振声波波长的1/12，即小于103.3mm，满足要求。

增加多孔共振式消聲器后排气系统噪声如图5所示，发动机转速3440时的噪声峰值已经消除。

7    总结

在设计共振式消声各部分结构尺寸时，为使消声量的理论计算值接近实际，消声器的结构尺寸应尽可能满足下面几个条件：

（1）多孔共振消声器消声频带较窄，一般用于消除350Hz以下有突出峰值的中低频噪声。

（2）通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直径取1～10mm。

（3）共振腔的长、宽、高结构尺寸应该尽量满足小于共振声波频率波长的1/3。

（4）穿孔段的长度应该尽量满足小于共振声波频率波长的1/12，并集中在共振腔的中部。

（5）穿孔孔距不能过密或过稀，一般孔距应不小于穿孔孔径的5倍。

（6）要提高消声量，则需要增大共振腔的容积，增加穿孔数量。设计时可以把共振腔划分为几段小的空腔。

参考文献：

[1]袁昌明 ，等 著.噪声与振动控制技术.冶金工业出版社，2007.

[2]庞剑，何华著.汽车噪声与振动理论与运用.北京理工大学出版社，2008.

[3]杨贵恒，杨雪，何俊强等编著.噪声与振动控制技术及其应用.化学工业出版社，2018.

[4]盛美萍，王敏庆，马建刚编著.噪声与振动控制技术基础.科学出版社，2017.

[5]李道成，周乃荣，尧祖信主编. 实用噪声及振动控制技术. 辽宁科学技术出版社.1993.

[6]公式1、2、3、4、5摘自书籍《噪声与振动控制技术》第七章.

专家推荐语

陈   赣

东风汽车集团有限公司技术中心

结构动力学  研究员级高级工程师

本论文阐述了汽车排气系统多孔共振式消声器的设计思路和具体公式，并对一款消声器进行了参数设计。对从事消声器设计开发的工程师具有实际工程借鉴意义。