汽車排氣消聲器研究綜述

孟妤 趙誠 朱桂昌

中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司 北京 102100

1 前 言

消聲器的使用要追溯到1688年，法國物理學家德尼斯·帕潘，用一個圓筒和活塞制造出第一臺簡單的蒸汽機，瓦特改良后運用于輪船和機車，為降低噪聲使用了圓筒型的排氣管，這是消聲器的雛形。20世紀初期，汽車制造商開始解決汽車噪聲問題，消聲器的研究得到了較快的發(fā)展，經(jīng)過不斷的改進與發(fā)展并運用到其他領域，如1908年?！げ础ゑR克沁將消聲技術用在槍炮的消聲上。20世紀20年代，美國科學家開始對消聲器進行詳細的理論研究；20世紀50年代，歐洲經(jīng)濟聯(lián)盟比較重視對消聲器的研究，并且涌現(xiàn)出Paul Lueg等大批優(yōu)秀學者；20世紀70年代，日本的福田基一、奧田襄介等學者在消聲器方面均有所研究。

伴隨著汽車的普及和汽車噪聲問題的日益突出，對環(huán)境與人類生活關聯(lián)認識的加深，各項環(huán)境標準和降噪指標的不斷嚴格，對汽車消聲器的設計、制造技術要求越來越高。20世紀60年代開始，歐美國家開始制定車輛噪聲法規(guī)，并相繼成立了消聲器研究中心，出現(xiàn)了專業(yè)化的消聲器生產(chǎn)廠。中國在1980年頒布了《消聲器測量方法（GB 4760-84）》，汽車消聲器的研究也得到了相當?shù)闹匾?，大批學者開展了相關的研究工作。

本文針對消聲器分析方法和設計理念進行闡述，結合國內外不同分析方法應用于消聲器研究的先后順序和研究成果，介紹排氣消聲器研究進展及發(fā)展趨勢。

2 汽車消聲器的研究歷程

1922年，來自美國的Stewart率先用聲學濾波器的理論研究抗性消聲器。上世紀30年代，有源消聲方法萌生，大批學者投入其研究；上世紀40年代，有限元離散思想提出，到上世紀60年代才運用到消聲器的研究；1954年，Davis等人發(fā)表了平面波理論的經(jīng)典論文，采用一維波動方程，利用截面突變處聲壓和體積速度的連續(xù)性，計算了單級、多級膨脹腔和側支共振腔的消聲特性。上世紀50年代，聲傳遞矩陣法開始運用于消聲器的性能分析；上世紀50年代后期發(fā)展了不考慮氣流及溫度梯度的聲傳遞矩陣法，為排氣消聲器的設計開創(chuàng)了新的方法；1956年，美國人Nelson發(fā)現(xiàn)由于長途行駛而導致的高溫會使消聲器失去消聲效果；上世紀60年代統(tǒng)計能量、傳遞路徑等方法興起；上世紀70年代邊界元方法開始運用于消聲器的性能分析。

上世紀70年代后期，隨著計算機技術和力學、聲學理論的完善，消聲器的分析方法得到了空前的發(fā)展，對于消聲器的理論研究越來越深入，逐步解決了氣流與聲波的相互作用、進一步考慮溫度梯度對聲波的影響等問題。1964年，馬大猷教授首先提出“微穿孔板吸聲體精確理論”；1973年，大阪大學的Hirata發(fā)現(xiàn)氣流的存在降低了消聲器的消聲性能；日本的福田基一在噪聲控制技術方面做了大量的理論和試驗研究；1983年，山口大學的Fukuda和Izumi等發(fā)現(xiàn)，氣體從入口噴射到尾管時會產(chǎn)生很大的氣流噪聲；華中科技大學的黃其柏和哈爾濱工程大學的季振林探討了溫度梯度影響下聲波在消聲器中的傳播特性；重慶大學的李以農(nóng)等分別對消聲器內部的壓力場、溫度場等分布進行了數(shù)值模擬。這些研究為設計和改進消聲器提供了大量的數(shù)據(jù)及理論基礎。

3 消聲器的設計

早期的消聲器產(chǎn)品是用試錯法通過反復的設計、試制、實驗來研制的。20世紀30年代費希爾在試驗設計方面做了一系列先驅的貢獻，正交設計的興起為消聲器的設計提供了一個新方法，20世紀70年代涌現(xiàn)出一大批新的消聲器設計方案：1970年Grantham R設計了具有復雜內腔，且有內插管的循環(huán)式空氣凈化器；1971年Stemp Leslie William在消聲器內腔沿氣流垂直方向設置多層網(wǎng)狀的結構，并且在進出口的填充吸聲材料，具有很好的消聲效果，這是早期較典型的阻性消聲器；1972年Mellin R將消聲器的進出口偏置，在進出口設置穿孔管；此外消聲器設計了內外兩層壁，兩壁之間填充大量吸聲材料；Brown howard L，Mowat JR James F內部采用迷宮式的設計方法，充分考慮了消聲器內板可蒙皮的結合處的分析，運用卷接方法減少漏氣，在消聲器加工工藝上有了新的突破。至今，日本、歐美消聲器設計方面專利有10 000多項。國內消聲器的設計也頗受重視，70年代至今，出現(xiàn)了5 000多項消聲器設計專利。

我國從20世紀70年代開始將正交設計法應用于汽車消聲器的參數(shù)設計，取得了良好的效果。隨著人工智能的出現(xiàn)，專家系統(tǒng)（Expert Systems，ES）不斷的發(fā)展，Schank和Abelson1977年出版的《Scripts,Plans,Goals and Understanding: an Inquiry into Human Knowledge Structure s》，提出了案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）基本思想。2008年，王國明、賀巖松綜合運用MATLAB、UG、VC++等工具構建了摩托車消聲器集成設計分析系統(tǒng)；2010年，李平、李以農(nóng)利用Visual Basic、Matlab和Setup Factory軟件開發(fā)了一套摩托車排氣消聲器聲學性能預測軟件；2011年，李沛然、鄧兆祥提出了消聲器設計案例相似度綜合評判方法，解決了案例推理和規(guī)則推理在消聲器設計中的應用難題；同年，向飛根據(jù)CBR的推理過程提出了基于CBR的排氣消聲器快速設計思路和流程，建立了實例數(shù)據(jù)庫。

汽車消聲器設計在經(jīng)歷了以選型設計、經(jīng)驗設計為主的過程后，將逐漸由過去單純的經(jīng)驗設計轉向經(jīng)驗設計與計算機輔助工程（CAE）分析相結合、輔以先進的測試手段的設計。部分企業(yè)嘗試利用AVL Boost、GT-Power、LMS Sysnoise、基于四端子網(wǎng)絡的軟件等工具建立消聲器性能計算模型進行排氣系統(tǒng)結構設計；然后利用AVL、LMS或B&K公司的檢測設備進行消聲器性能檢測。總之，消聲器的設計趨于簡潔化、批量化、信息化、智能化，從追求單項指標最優(yōu)到整車系統(tǒng)噪聲、振動與聲振粗糙度最優(yōu)。

4 我國汽車排氣消聲器的的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

我國對汽車排氣消聲器的研究與國際水平相比有一定的差距。造成這種差距的主要原因如下：一是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后；二是聲學和流體力學相關理論的發(fā)展緩慢；三是缺少相應的聲學和流體分析工具，同時由于計算機技術的限制，對于復雜的消聲器系統(tǒng)，以前大都只能進行二維分析，與實際相差較大；四是試驗技術落后，試驗誤差很大，試驗結果不可信。由于分析和試驗不能有效結合，致使較長一段時間內消聲器的設計僅僅依靠經(jīng)驗，消聲器的發(fā)展相對緩慢。

我國在消聲器的設計和應用中，最早出現(xiàn)的是風機消聲器。20世紀60年代雖然也開展過一些消聲器的設計研究工作，但基本上局限于通風與空調系統(tǒng)的配用消聲器，直到20世紀80年代各種大量的工業(yè)風機配用消聲器的試驗研究才得到重視和發(fā)展，并在工業(yè)噪聲控制工程中得到運用，同時汽車用消聲器的研究也隨之開展。在意識到噪聲給生產(chǎn)和生活帶來的種種負面影響后，我國先后出臺了一系列的法規(guī)和標準來控制。之后我國對內燃機的噪聲控制極為重視，并將其列為“十五”期間優(yōu)先發(fā)展的關鍵技術之一。消聲器研究在我國也得到了相當?shù)闹匾?，清華大學、重慶大學、吉林大學、華中科技大學、西安交通大學、南京大學和哈爾濱工程大學等高校都在開展相關的研究工作。

目前我國消聲器研究已經(jīng)趨于多元化，分析方法、材料、加工工藝都有所發(fā)展。有限元分析方法已經(jīng)能夠進行復雜聲腔的三維分析；清華大學的劉靜[1]、盧文強等人將雙倒易邊界元方法應用于生物傳熱分析，同濟大學的王文青等應用雙倒易邊界元方法在對準靜態(tài)耦合熱彈性問題作了詳細分析[2]。2007年王雪仁、季振林開展了快速多極子邊界元法（靜態(tài)介質內部聲學問題）和雙倒易邊界元法（較高馬赫數(shù)亞音速流時內部聲學問題）研究[3]，并且應用到船用柴油機的聲學性能預測?；谟性聪暲碚摚鄯f麗、武佩應用反相對沖柴油機排氣消聲器實現(xiàn)降噪。方建華、周以齊則基于計算流體動力學方法，對消聲器進行了溫度、流速等條件下的性能分析，得到了各指標之間的數(shù)學關系，為消聲器設計提供理論依據(jù)；鄧兆祥等則對氣流再生噪聲進行了詳細的理論分析和試驗驗證，提出相應的解決方案。此外還有眾多學者對穿孔元件、排氣噪聲聲音品質、形狀尺寸對消聲性能的影響、消聲器設計的專家系統(tǒng)等方面進行了詳細的研究，也取得了一定的研究成果。消聲器的生產(chǎn)工藝也有很大的提高，韓璐、韓英淳[4]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用于沖壓件成形性分析及工藝參數(shù)優(yōu)化；小孔噴注和微穿孔板吸聲結構已經(jīng)成功結合于抗阻型消聲器；消聲器吸聲材料由傳統(tǒng)纖維類逐漸地發(fā)展到泡沫類和顆粒類[5]，其中顆粒類的多孔陶質材料得到了空前的發(fā)展。

總之，我國消聲器的研究發(fā)展迅速并且與實際應用結合緊密，大批大消聲器研究成果和發(fā)明專利問世。但是為了符合不斷提高的環(huán)保標準和滿足汽車發(fā)展需求，消聲器的分析還需要更加深入。我國消聲器的研究要將發(fā)動機、整車有效的結合；要在卷接縫合的基礎上發(fā)展新的低成本的接合技術，保證強度和密封；消聲器也將趨于發(fā)展自適應控制、人工智能等先進的消聲控制方法。

5 消聲器的研究展望

由于汽車技術的不斷發(fā)展，對消聲器減振降噪的標準也越來越高，從而需要對消聲器進行更全面、更精確的研究。a.在高溫、高流速條件下對消聲器的研究理論和試驗研究還不夠成熟，還有很大的發(fā)展空間；b.在流固耦合、聲固耦合、聲模態(tài)、聲輻射模態(tài)等方面的研究還比較少，而這些因素在很大程度上影響我們對消聲器實際消聲性能的判斷，有待深入研究；c.有源消聲在執(zhí)行器材料（如壓電材料、電流變或磁流變材料等）、控制器算法、有源消聲系統(tǒng)專用的單片式集成控制系統(tǒng)，將消聲器的設計系統(tǒng)和消聲系統(tǒng)集成，高度的信息化；d.消聲器的本體材料、吸聲材料等新型材料的研究也是今后研究的重點；e.消聲器的減振降噪和整車系統(tǒng)噪聲、振動與聲振粗糙度的有效結合，實現(xiàn)整車系統(tǒng)性能最優(yōu)是其追求的目標。