汽車排氣消聲器性能研究與設(shè)計(jì)開發(fā)分析

張春民

摘 要：隨著社會進(jìn)步不斷的加快，人民生活質(zhì)量不斷的提高，基本上很多家庭都擁有一輛汽車。汽車方便了人民的生活，但是汽車排氣噪聲卻困擾著居民，汽車排氣噪聲作為最主要的汽車噪聲源，它嚴(yán)重影響人民的休息，危及人民的健康。如何有效的控制排氣噪聲是當(dāng)務(wù)之急，安裝排氣消聲器就是目前最有效、最實(shí)用的方法。排氣消聲器不僅能阻礙聲音傳播，而且允許氣流通過，并且還能增加排氣阻力，是一種非常實(shí)用有效的降低噪音裝置。本文將對汽車排氣消聲器性能的研究和設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車噪聲；排氣消聲器；性能

中圖分類號： U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）11-191-2

0 引言

聲學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)是研究汽車排氣消聲器性能的最主要的兩門學(xué)科。研究人員運(yùn)用多種運(yùn)算方式和模擬仿真軟件進(jìn)行消聲器的性能測試，對其設(shè)計(jì)提供了極大的方便。汽車排氣消聲器的組成是消聲單元。其基本的消聲單元分為擴(kuò)張式、共振式和阻性消聲器等。汽車排氣消聲器的開發(fā)設(shè)計(jì)就是基于對消聲單元的研究和探索，運(yùn)用科學(xué)的數(shù)值分析法研究消聲單元在外界條件及不同參數(shù)結(jié)構(gòu)影響下的噪聲和氣流波動(dòng)是對汽車排氣消聲器性能研究的基礎(chǔ)。本文研究將在國家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，利用專業(yè)的排氣消聲器測試平臺對不同的消聲器進(jìn)行性能的測試，分析出對汽車排氣消聲器性能設(shè)計(jì)有重大參考意義的噪聲頻譜特性。最后，運(yùn)用汽車消聲器的正向設(shè)計(jì)思路，以降低噪聲的基本性能為主合理的選擇消聲單元，通過計(jì)算和結(jié)構(gòu)構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證和檢測汽車消聲器的設(shè)計(jì)。

1 汽車排氣噪聲產(chǎn)生原理和消聲器的機(jī)理研究

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的產(chǎn)生是由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部高溫廢氣的壓力急劇變化，氣壓波巨大，從而導(dǎo)致排出過程中產(chǎn)生噪聲，其噪聲根據(jù)不同振幅、頻率以及產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位置不同分為：基頻排氣噪聲、亥姆霍茲共振噪聲、廢氣噴注噪聲、排氣道內(nèi)壁面的紊流噪聲、沖擊噪聲等多種噪聲形式，其中基頻排氣噪聲是最主要的噪聲形式。在汽車排氣消聲器上，為了應(yīng)對不同噪聲形式，從根本上降低噪聲，消聲器從消聲原理上分為有源消聲器和無源消聲器兩大類，由于有源消聲器在排氣系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用上比較繁瑣，一般多采用無源消聲器。

1.1 汽車排氣噪聲產(chǎn)生原理

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口在打開的瞬間，高速高溫的廢氣從氣缸中噴出，從而產(chǎn)生具有低頻性、周期性的噪聲。這種噪聲稱為基頻排氣噪聲，是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的噪聲源，它的噪聲頻率和排氣次數(shù)相同。其基頻和諧波的運(yùn)算公式為：fk=

式中，k表示諧波的次數(shù)；n表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；z為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的數(shù)量；τ表示沖程系數(shù)，其中二沖程的τ值為1，四沖程的τ值為2。

1.2 汽車排氣消聲器的機(jī)理研究

汽車消聲器是安裝在汽車空氣動(dòng)力設(shè)備上的氣流通道上降低噪聲的設(shè)備。其消聲機(jī)理是利用聲波在疊加中發(fā)生干涉相互抵消從而達(dá)到降低聲音強(qiáng)度，減小噪聲，實(shí)現(xiàn)消音的目的。

其中有源消聲器是一種主動(dòng)消除聲音的設(shè)備，基本機(jī)理是運(yùn)用電子裝置主動(dòng)發(fā)射出與原噪聲聲波振幅相等但是相位相反的聲波，兩種聲波相互干涉抵消，降低了聲音強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了消聲的目的。但是這種有源消聲器具有很大的局限性，面對聲波頻率廣的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)上運(yùn)用就顯得非常復(fù)雜，導(dǎo)致使用率不高。其中排氣背壓直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率，與額定轉(zhuǎn)速下的功率損失比的關(guān)系如圖：

其中無源消聲器又分為抗性消聲器、阻性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器等，抗性消聲器是使聲阻抗產(chǎn)生變化，其方式是使管道界面產(chǎn)生突變或者接一個(gè)共振腔使聲波在聲阻抗發(fā)生變化的地方產(chǎn)生反射和干涉，最終達(dá)到消除噪聲的目的，一般多用于降低中頻和低頻噪聲。阻性消聲器是運(yùn)用有很多孔洞的吸收聲音的材料來實(shí)現(xiàn)消除噪音的，噪音進(jìn)入這種多孔洞的吸收聲音的材料后致使孔洞內(nèi)部氣體產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)的氣體在材料上相互摩擦，最終讓一部分的聲能轉(zhuǎn)化成為熱能，實(shí)現(xiàn)降低噪聲的目的。但是這種阻性消聲器對頻率低的噪聲效果不佳，所以一般應(yīng)用于中頻和高頻的噪聲消除。阻抗復(fù)合型消聲器就很好的融合了前兩種消聲器的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的消聲特性，廣泛適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲上。

2 基本消聲單元的性能分析

消聲單元是復(fù)雜消聲器的基本組成部分，因此對基本消聲單元進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，研究不同結(jié)構(gòu)形式對于聲學(xué)性能和氣體流動(dòng)性能的影響對于消聲器的設(shè)計(jì)開發(fā)有著重大的參考價(jià)值。本文運(yùn)用模擬仿真軟件對擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)張腔截面形狀是具有局限性的，只能對中頻、高頻的噪聲產(chǎn)生影響。對出入管的偏置分為一端偏置和兩端同時(shí)偏置，對于一端偏置來說偏置距離越大，其高頻域消聲能力就越好，但是對于中低頻域噪聲無效。而對兩端偏置來說，偏置距離越大，中頻域噪聲的消聲性能就越好，但是對于高頻域噪聲效果就截然相反。

3 汽車排氣消聲器的開發(fā)設(shè)計(jì)

目前，對于汽車排氣消聲器的設(shè)計(jì)一般都是基于現(xiàn)有的消聲器基礎(chǔ)上，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)或者理論進(jìn)行調(diào)試，最后再用數(shù)值分析法進(jìn)行檢驗(yàn)。這種做法雖然可行，但是局限性比較強(qiáng)，工作量大，周期性強(qiáng)。然而采用正向開發(fā)方式，綜合實(shí)際聲場和流場的變動(dòng)，貼合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)排氣消聲器，相對老式的設(shè)計(jì)方式就顯得更加高效。為了達(dá)到全頻段的消聲目的，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 631-2009《汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》給出了在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下排氣消聲器的聲學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的推薦值，如右圖：

在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮聲學(xué)、流場、結(jié)構(gòu)等諸多因素。設(shè)計(jì)中以聲學(xué)目標(biāo)為主，降低噪聲為主要性能目的。其中流場目標(biāo)為排氣背壓差應(yīng)低于15kPa，結(jié)構(gòu)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)簡單且重量輕。運(yùn)用科學(xué)的計(jì)算方式確定數(shù)值，合理的選擇基本消聲單元來實(shí)現(xiàn)消聲器的設(shè)計(jì)，運(yùn)用CFD方法分析研究汽車排氣消聲器的設(shè)計(jì)的流場性能，充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性，優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。

4 結(jié)束語

由于專業(yè)技能有限及時(shí)間、設(shè)備條件等客觀因素，對消聲器的研究和設(shè)計(jì)上并不完美。本文的出發(fā)點(diǎn)為聲學(xué)和流場性能，對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器的性能進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)開發(fā)，其內(nèi)容包括汽車噪聲產(chǎn)生的原理和消聲器的機(jī)理研究、基本消聲單元在不同參數(shù)結(jié)構(gòu)下的性能影響規(guī)律、汽車排氣消聲器的正向設(shè)計(jì)開發(fā)方案。對現(xiàn)階段汽車排氣消聲器存在的問題進(jìn)行研究和探索，介紹了消聲器的不同類型和消聲原理以及適用范圍。在國家相關(guān)規(guī)定和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行汽車排氣消聲器性能的模擬仿真測試，最終提出正向設(shè)計(jì)的思路對消聲器具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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