某重型汽車消聲器設(shè)計(jì)

馬福龍，周亮，姚旿斌，楊武

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

概述

汽車噪聲給人們的生活帶來諸多問題，不僅危害著人們正常的睡眠和休閑，長期受噪聲影響將導(dǎo)致聽力受損。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車行駛中主要噪聲來源，因而控制汽車噪聲可從限制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲開始。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要包括空氣動(dòng)力性能噪聲、氣體燃燒噪聲以及機(jī)械振動(dòng)噪聲，其中，空氣動(dòng)力性能噪聲主要由進(jìn)排氣噪聲與風(fēng)扇噪聲構(gòu)成，在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中所占比例最大的是進(jìn)排氣噪聲?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的水平很大程度上是由控制進(jìn)排氣噪聲決定的。對于降低排氣系統(tǒng)的噪聲，經(jīng)過驗(yàn)證得知安裝消聲器效果最顯著也最便捷。

1 消聲器的功能及主要結(jié)構(gòu)形式

消聲器是一種阻止聲音傳播而允許氣流通過的降噪裝置，是控制氣流噪聲的主要措施。一個(gè)良好性能的消聲器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路中，能使出口噪聲降低20～50dB。

按照消聲激勵(lì)的不同，消聲器分為抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗復(fù)合型消聲器。其中，抗性消聲器主要由截面突變的管和室組成，能夠引起聲傳播過程中的阻抗變化，使聲能產(chǎn)生反射、干涉，達(dá)到消聲目的?？剐韵暺鲗χ?、低頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果，對寬帶高頻率噪聲效果則相對較差；阻性消聲器是在內(nèi)部排氣通過的管道填充吸聲材料來吸收聲能量達(dá)到消聲的目的。阻性消聲器對中、高頻帶消聲效果較好，對低頻帶消聲效果較差。阻抗復(fù)合型消聲器是分別用抗性消聲單元和吸聲材料組合構(gòu)成的消聲器，它具有阻性和抗性消聲器的共同特點(diǎn)，對低、中、高頻噪聲都有很好的吸聲效果。

2 消聲器性能評價(jià)指標(biāo)

消聲器性能的評價(jià)指標(biāo)包括聲學(xué)性能評價(jià)、空氣動(dòng)力性能評價(jià)及結(jié)構(gòu)性能評價(jià)等三個(gè)主要方面。

2.1 消聲器聲學(xué)性能評價(jià)

消聲器聲學(xué)性能的重要評價(jià)指標(biāo)之一是消聲量，其大小有四個(gè)度量指標(biāo)。分別為聲壓級差值、插入損失、傳遞損失和聲衰減量。

（1）聲壓級差值

在系統(tǒng)內(nèi)，任兩點(diǎn)壓級差值叫做聲壓級差值，計(jì)算公式可表示為：

式中：Lp1和 Lp2—任意兩點(diǎn)聲壓級，dB； p1和p2—任意兩點(diǎn)聲壓，Pa。

（2）插入損失

插入損失是指安裝消聲器前后在消聲器出口某一固定點(diǎn)測量的排氣聲壓級之差，計(jì)算公式可表示為：

式中：LIL—插入損失，dB；

Lp1—安裝消聲器前在某點(diǎn)測量的排氣聲壓級，dB；

Lp2—安裝消聲器后在某點(diǎn)測量的排氣聲壓級，dB；

（3）傳遞損失

傳遞損失是指消聲器進(jìn)口的入射聲功率級和出口透射聲功率級之差，計(jì)算公式可表示為：

式中：W1、W2為消聲器入口和出口端的聲功率(w)，LW1、LW2為入口和出口端的聲功率級(dB)。

（4）聲衰減量

聲衰減量定義為通過測量消聲器內(nèi)軸向兩點(diǎn)間聲壓級差值所求得的消聲器單位長度的聲衰減量(dB/m)。聲衰減量反映聲音沿消聲器通道的傳播特性，即聲音衰減過程。

2.2 消聲器空氣動(dòng)力性能評價(jià)

消聲器的氣動(dòng)性能是評價(jià)消聲器優(yōu)劣的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并且還存在與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的問題。消聲器的空氣動(dòng)力特性評價(jià)指標(biāo)通常有壓力損失、阻力系數(shù)和功率損失比。

（1）壓力損失

壓力損失又稱阻力損失，消聲器的壓力損失指消聲器內(nèi)部存在給定的平穩(wěn)氣流時(shí)，消聲器進(jìn)口端與出口端平均全壓之差。如果消聲器兩端的截面面積相等，并可假定流速沿截面分布的流場相同，則壓力損失就等于消聲器兩端氣流平均靜壓之差，即：

阻力損失主要分為兩大類：一是管壁沿程摩擦阻力損失，二是局部阻力損失。

（2）阻力系數(shù)

消聲器的阻力系數(shù)為通過消聲器前后的壓力損失與氣流動(dòng)壓之比值，即：

式中：pv=10ρv2/(2g)，?p 為壓力損失（Pa），pv為動(dòng)壓值（Pa），ρ是空氣密度（kg/m3），v是消聲器內(nèi)的平均氣流速度（m/s），g是重力加速度（m/s2）。

（3）功率損失比

功率損失比是發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下不使用消聲器的發(fā)動(dòng)機(jī)功率Ne1，與使用消聲器時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Ne2的差值和Ne1的百分比，即：

功率損失比反映了消聲器的阻力損失對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。對消聲量為10～20dB（A）的排氣消聲器，要求消聲器對發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失比RN ＜5%，到20～30dB（A）時(shí)，則要求功率損失比RN ＜7%。

2.3 消聲器結(jié)構(gòu)性能評價(jià)

一個(gè)性能優(yōu)良的消聲器，除了要滿足其在消聲性能和空氣動(dòng)力性能上的要求外，還應(yīng)該在安裝尺寸、機(jī)械強(qiáng)度、使用壽命、造型等方面滿足要求：

（1）幾何形狀適宜，外觀尺寸要符合各自的使用要求。

（2）機(jī)械強(qiáng)度高、能耐高溫，耐廢氣氣流的污染與腐蝕并且保養(yǎng)方便。

（3）結(jié)構(gòu)剛性好。

（4）消聲器應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，成本低廉，造型美觀。

3 消聲器設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

某重型汽車選用濰柴WP10.375發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力裝置，其相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 消聲器消聲量計(jì)算

設(shè)計(jì)消聲器時(shí)首先要確定降低排氣噪聲的目標(biāo)值，即由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲大小、頻譜特性和消聲器所匹配車輛的噪聲限值來決定消聲器消聲量大小。根據(jù)整車噪聲限值來計(jì)算消聲器出口噪聲限值。假設(shè)聲源特性屬線性聲源，聲衰減量 L為：

式中：R1—消聲器出口處噪聲限值點(diǎn)到聲源點(diǎn)距離；

R2—整車噪聲限值測點(diǎn)到聲源點(diǎn)距離。

已知整車車外加速行駛噪聲限值La=84 dB (A)，R1=0.5m，R2=7.5m，L=10lg(R2/R1)=10lg（7.5/0.5）=11.6(dB)(A)

消聲器出口噪聲限值Lm=L+La=95.6(dB)(A)

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣聲壓級為110 dB (A)，那么消聲器的消聲量應(yīng)大于：

3.3 消聲器形式和級數(shù)的選擇

對于重型汽車，選擇單級抗性消聲器。

3.4 消聲器容積設(shè)計(jì)

消聲器容積不僅影響消聲效果，而且還影響到消聲器的功率損耗。如果容積過小，則自身效果差，而且功率損失也大。合理的選擇方法是在使用條件允許的情況下。盡量采用較大的容積為宜。消聲器的容積：

式中：Q為與消聲效果有關(guān)的修正系數(shù)，可取Q=2～6，對消聲要求越高時(shí)，Q值越大，本文取Q=6；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；VL為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)；i為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)。將發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)帶到以上容積計(jì)算公式當(dāng)中，消聲器容積：

3.5 消聲器進(jìn)口直徑設(shè)計(jì)

消聲器進(jìn)口直徑大小對氣流流速有很大的影響。一般進(jìn)口處的流速不宜過大，一般不宜超過 60m/s，同時(shí)還要避免因直徑過小而引起的整個(gè)排氣管截面突變。排氣質(zhì)量流量M為1650kg/h，即M=0.4583kg/s。消聲器進(jìn)口處溫度300℃，且在300℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度ρ=0.6084 kg/m。由密度可求得體積流量Q=M/ρ，即Q=0.7533m3/s，進(jìn)氣口直徑：

式中：Q為進(jìn)口處排氣流量，m3/s；Vmax為允許氣流最大流速，取Vmax=60m/s。將Q，Vmax帶入式中，求得消聲器進(jìn)氣口直徑：

由于消聲器進(jìn)氣口與排氣管連接關(guān)系的限制，d=0.120 m時(shí)，Vmax=66 m/s也是可以的。

3.6 擴(kuò)張比的選擇及消聲器直徑、長度設(shè)計(jì)

消聲器擴(kuò)張比是指消聲器截面積與進(jìn)口處截面積之比。對消聲器插入損失要求越大，擴(kuò)張比選擇值則越大。一般分車型選擇，輕型車、轎車為12～15，中型車為9～10，重型車為6～7。本文選擇擴(kuò)張比M=6，消聲器直徑：

重型汽車消聲器本體的長度與直徑之比一般為L/D=3～4，本文取3.5，消聲器長度：L=3.5D=0.3×3.5

3.7 消聲器截面形狀的選擇

目前，重型汽車用消聲器截面形狀常見有三種：橢圓形、圓形及長方圓形。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，首選圓形。本文消聲器的設(shè)計(jì)選用圓形，進(jìn)氣口中心與消聲器中心重合；考慮到整車涉水需求，出氣口選擇與消聲器中心垂直。

3.8 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗性消聲器內(nèi)部由內(nèi)插管、隔板構(gòu)成。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，消聲器進(jìn)氣管長度為整個(gè)消聲器長度的 1/2，穿孔率在 25%～30%時(shí)，消聲器在中高頻段消聲效果較好且壓力損失較小，這彌補(bǔ)了不帶內(nèi)插管的簡單抗性消聲器低頻段消聲效果好，中、高頻段消聲效果差的缺點(diǎn)，所以進(jìn)氣管長度取 525 mm。排氣管長度對旁支型消聲器的傳遞損失影響比較微小，本文取排氣管長度 300 mm，綜合排氣管軸線到消聲器前端面的距離對消聲器空氣動(dòng)力學(xué)性能和消聲器在安裝空間的影響，取排氣管軸線到消聲器前端面的距離770mm；隔板和內(nèi)插管的孔徑一般控制在4～10mm，其中進(jìn)氣內(nèi)插管孔徑取4 mm，隔板和排氣內(nèi)插管孔徑取9 mm。

根據(jù)以上消聲器主要參數(shù)，利用 CAD繪制出消聲器二維圖，見圖1所示：

圖1

4 結(jié)論

消聲器結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，消聲性能就越好，但排氣阻力也越大。平衡消聲器的聲學(xué)性能和阻力特性，對提升消聲器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要的意義。一般在滿足消聲性能的前提下，消聲器力求做到結(jié)構(gòu)簡單。

[1]《汽車工程手冊》汽車工程手冊編輯委員會編著[Z].人民交通出版社.2001.5.

[2] 薛飛.工程機(jī)械抗性消聲器綜合性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué).2014.

[3] 陳應(yīng)航.汽車排氣消聲器傳遞損失分析和優(yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué).2015.

[4] GB/T 495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法.

[5] QC/T 631-2009 汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗(yàn)方法.