盧彥群，楊波

一種汽車普適消聲器的分析與實(shí)驗(yàn)*

盧彥群，楊波

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

排氣噪聲是汽車的主要噪聲源之一，往往比內(nèi)燃機(jī)本體噪聲高出10～15dB。使用合適的消聲器是控制和降低排氣噪聲的有效手段，因而對(duì)排氣消聲器的研究越來(lái)越成為汽車排氣噪聲控制的熱點(diǎn)。文章從實(shí)用性角度和聲學(xué)原理出發(fā)，分析了一種普適性消聲器結(jié)構(gòu)及其降噪機(jī)理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

汽車噪聲；消聲機(jī)理；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1 概述

隨著汽車擁有量的日漸增多，汽車噪聲逐漸引起人們的高度重視，許多國(guó)家和地區(qū)都對(duì)汽車的排放和噪聲提出了越來(lái)越嚴(yán)格的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。雖然使用消聲器是汽車降噪的有效途徑，但針對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)尚無(wú)十分成熟和完整的理論，有時(shí)需要反復(fù)迭代才能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)[1]。

隨著科技的進(jìn)步，工程師們對(duì)消聲器設(shè)計(jì)過(guò)程中所考慮的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，目前主要有以下幾種研究方法：一是一維聲音傳播矩陣研究法，該方法的主要途徑是把聲學(xué)系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行類比，將電網(wǎng)絡(luò)中的分析方法應(yīng)用于聲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；二是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中又加入了氣流速度、氣流溫度、氣流壓力等因素。該方法適用于氣流振動(dòng)頻率較低、消聲器截面尺寸較小的情況[2]；三是對(duì)于較高頻率的情況，可以采用二維或三維的理論方法進(jìn)行研究，比如有限元法，它是將聲傳播的空氣域用有限元進(jìn)行離散化處理，從而通過(guò)求解代數(shù)方程得到聲學(xué)特性[3]，雖然該方法彌補(bǔ)了一維法在高頻區(qū)域計(jì)算不準(zhǔn)的不足，考慮了高次諧波的影響，但是在單元格增加到一定數(shù)量是，計(jì)算速度會(huì)大大下降。

本文從另一個(gè)角度——強(qiáng)調(diào)實(shí)用性的視角出發(fā)，對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)做了闡述。其基本思路是：一個(gè)合格的消音器應(yīng)該滿足以下要求：（1）既要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又能來(lái)達(dá)到消音效果，從而在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下降低成本；（2）盡量降低功率損失，在考慮排氣消聲器內(nèi)部存在均勻氣流的基礎(chǔ)上，采用ANSYS FLUENT 模塊用K-ε湍流模型分析內(nèi)流體降低壓力損失減少排氣過(guò)程中的氣流損失；（3）可利用CAE 進(jìn)行分析：在排氣消聲器性能預(yù)測(cè)方面利用專業(yè)仿真軟件GT-POWER，以“四麥克風(fēng)法”進(jìn)行插入損失分析，著重分析“四分之一波長(zhǎng)管”，及“沖孔板”對(duì)不同頻率噪音的消音效果的影響，確定腔體容積，兼顧消音量及功率；（4）符合人機(jī)工程學(xué)要求——排氣可分為“氣流聲”，“階次聲”，而人感到舒服的聲音往往是階次聲，采用專業(yè)的聲學(xué)模塊，降低氣流聲突出階次聲；（5）完成成品實(shí)驗(yàn)——將理論實(shí)驗(yàn)與分析轉(zhuǎn)化為成品，并通過(guò)與HONDA CBR600RR 與Triumph Daytona 675 兩款內(nèi)燃機(jī)對(duì)比，消音量降低20~25db。

2 消音器結(jié)構(gòu)與原理

為消除各種頻率的噪聲，實(shí)用性消音器既要滿足抗性要求，又要滿足阻性要求，為此可采用寬頻共振復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

圖1 消聲器的總體結(jié)構(gòu)示意圖

它由消聲器殼體、進(jìn)氣口、出氣口、折返腔、四分之一波長(zhǎng)管、共振腔、沖孔板以及隔音材料等組成。

其總體原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)排除的廢氣從進(jìn)氣口進(jìn)入消聲器，首先在折返腔內(nèi)反復(fù)來(lái)回折返，初次平衡氣流波動(dòng)，降低廢氣能量，繼而進(jìn)入四分之一波長(zhǎng)管，有針對(duì)性地消除特殊頻率的聲波，然后再進(jìn)入共振腔，進(jìn)一步將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)隔音材料吸收一般部分其他聲波，最后廢氣通過(guò)出氣口排出，既消除了火星，也減低了噪聲。

2.1 四分之一波長(zhǎng)管降噪原理

四分之一波長(zhǎng)管是安裝在主管道上的一個(gè)封閉的管子（如圖2所示），當(dāng)聲波從主管道進(jìn)入封閉管，聲波被封閉端反射回到主管，某些頻率的反射聲波與主管中同樣頻率的入射聲波相遇，由于相位相反而相互抵消，從而達(dá)到消音目的，這是一個(gè)針對(duì)性較強(qiáng)的消音元件，往往用來(lái)消除某一特定轉(zhuǎn)速的突出頻率。

圖2 四分之一管示意圖

消聲頻率與封閉端管長(zhǎng)的四分之一成比例關(guān)系，也就是說(shuō)管子的長(zhǎng)度等于特定波長(zhǎng)的四分之一，這就是“四分之一波長(zhǎng)管”之名稱的來(lái)源。四分之一波長(zhǎng)管主要針對(duì)高頻消聲，其共振頻率為：

式中：

f為共振消聲頻率；

n為整數(shù)（n=1，2，3…）；

c為音速；

L為管長(zhǎng)。

由式（1）可知：其消聲共振頻率只取決于管子的長(zhǎng)度，管道越長(zhǎng)，頻率越低。其中n 起調(diào)節(jié)作用。當(dāng)n=1 時(shí)，有：

式（2）說(shuō)明，針對(duì)某一突出頻率只需改變波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度便可達(dá)到共振消聲的目的。

消音元件的另一重要指標(biāo)便是傳遞損失（Transmission loss，簡(jiǎn)稱TL），TL是指：定義為消聲元件入口處的入射聲功率級(jí) 和出口處的透射聲功率級(jí) 之差，即：

式中：

TL為傳遞損失；

Liw為入射功率級(jí)；

Ltw為投射功率級(jí)；

Wi為入射功率；

Wi為投射功率。

對(duì)于四分之一波長(zhǎng)管，（3）式可改寫(xiě)成：

式中：

Sb為四分之一管截面積；

S為主管截面積；

fe為激振頻率；

f為共振消聲頻率。

根據(jù)式（4），結(jié)合式（2）可知，影響四分之一波長(zhǎng)管傳遞損失的參數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是波長(zhǎng)管的截面積與主管截面積的比值（設(shè)為m），另一個(gè)是波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度L。因此，根據(jù)空間布置改變長(zhǎng)度L 或面積比m 即可達(dá)到最優(yōu)效果[4-6]。

需要指出，四分之一波長(zhǎng)管可以針對(duì)某一突出頻率降噪，但全頻段降噪效果不佳，往往要搭配共振腔共同達(dá)到消聲目的。

2.2 共振腔及沖孔板結(jié)構(gòu)分析

共振腔消聲器具有低頻效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率選擇性強(qiáng)、壽命較長(zhǎng)、對(duì)氣流阻力較小等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)與專利產(chǎn)品采用共振腔與沖孔板（見(jiàn)圖4）組合應(yīng)用，其基本原理如圖3所示。

圖3 共振腔基本原理示意圖

圖4 沖孔板結(jié)

共振腔內(nèi)設(shè)置一金屬板，板上開(kāi)有一些小孔，金屬板下方為是共振腔。當(dāng)聲波傳到共振結(jié)構(gòu)時(shí)，小孔孔徑中的氣體在聲波壓力作用下，像活塞一樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)孔徑壁面的摩擦和阻尼作用，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

共振腔的消聲共振頻率可由下式表示：

式中：

f0為腔體共振頻率；

c為音速；

V為共振腔容積；

G為傳導(dǎo)率，可由下式計(jì)算：

這里，n為沖孔板小孔數(shù)目；

d為小孔直徑；

t為穿孔板厚度，或稱小孔深度。

在實(shí)用型設(shè)計(jì)中，倍頻程頻帶消聲量可按下式得到：

式中，k為與消聲相關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)：

式中，sr為共振腔通道截面。

因此，在實(shí)際工程中，首先要根據(jù)控制目的確定某一倍頻程聲壓級(jí)的降噪量，然后再依據(jù)降噪分貝值，利用式（7）得到k值，最后再利用式（5）、（6）和（8）計(jì)算、選擇其他參數(shù)。

當(dāng)外來(lái)聲波的頻率與共振吸聲結(jié)構(gòu)的固有頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這時(shí)振幅達(dá)到最大，孔徑中空氣柱往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度最大，摩擦損失最大，吸收的聲能也達(dá)到最大值[7]。

共振消聲器對(duì)低頻噪聲具有較好的消聲效果，但從其消聲原理可知，它的消聲性能對(duì)噪聲頻率的選擇性較強(qiáng)，消聲頻道的范圍狹窄，當(dāng)噪聲頻率離開(kāi)共振結(jié)構(gòu)的固有頻率較遠(yuǎn)時(shí)，消聲量急劇下降。

3 建模及仿真

根據(jù)計(jì)算和選擇的各項(xiàng)參數(shù)，利用內(nèi)燃機(jī)專業(yè)分析軟件，在GEM3D 中創(chuàng)建消音器三維模型，其外形如圖5所示。

圖5 四分之一管與共振腔建模

模型經(jīng)離散后導(dǎo)入聲學(xué)模塊“Transmission-Loss-Muffler”，然后采用四麥克風(fēng)法進(jìn)行插入損失分析，如圖6所示。從分析結(jié)果（圖7）可以看出，在150～900HZ的頻譜范圍內(nèi)，消音量可達(dá)20db。

圖6 聲學(xué)分析模擬圖

圖7 聲學(xué)分析結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 消音頻譜分析

內(nèi)燃機(jī)的排氣噪聲可分為階次聲和氣流聲，對(duì)于人類來(lái)講，耳朵樂(lè)于接受的聲音往往是階次聲。所以針對(duì)氣流聲，可以采取強(qiáng)行改變其走向等措施，加以減弱。為檢測(cè)該消聲器的基本效果，采用“Acoustic To Wave File”聲學(xué)模塊進(jìn)行消音頻譜分析，其輸出的WAV聲音頻譜如圖8所示。結(jié)果表明，對(duì)高頻尖銳排氣噪聲有良好的消除作用。

圖8 消音頻譜分析

4.2 實(shí)際驗(yàn)證

將此裝置分別代替Honda CBR600RR與Triumph Day-tona675兩款發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器，結(jié)果顯示，其消音量分別比該兩款消聲器低12～24%左右。用此消聲器安裝在方程式賽車上，參加2019全國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽，無(wú)復(fù)檢順利通過(guò)噪聲測(cè)試，并且整車獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)。

該設(shè)計(jì)已獲得中華人民共和國(guó)實(shí)用新型專利，專利號(hào)：201922311027.3。

[1] 張少華,金國(guó)棟.消聲器及其性能分析方法的研究與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)工程2005(02)p55-58.

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

[3] 黎志琴.汽車排放系統(tǒng)噪聲與消聲設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)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] 符江濤.共振腔消聲器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].環(huán)境工程2016(06),p36- 38.

[6] 張鵬鎮(zhèn).一種有效凈化消聲的內(nèi)燃機(jī)消聲器[P].愛(ài)學(xué)術(shù)2007(07).

[7] 韓宗斌,劉淑玉.消聲元件在汽車排氣系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].大眾科技, 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

盧彥群（1963-），男，教授，就職于河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備學(xué)院。

1.河北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目-大智移云應(yīng)用專項(xiàng)-圓錐滾子軸承雙層復(fù)合智能化生產(chǎn)線研發(fā)：18211832D；2.河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目-面向新工科基于TRIZ的大學(xué)生創(chuàng)新培養(yǎng)模式研究：2019GJJG250；本文產(chǎn)品專利號(hào)：201922311027.3。