汽車排氣系統(tǒng)多孔共振式消聲器的設(shè)計(jì)

韓宗斌

摘 ?要：共振式消聲器一般用于消除有突出峰值的低頻噪聲，本文介紹了共振式消聲器的消聲原理、消聲器共振頻率的計(jì)算及消聲量的計(jì)算。以一實(shí)例介紹了汽車排氣系統(tǒng)多孔共振式消聲的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);共振;消聲器

中圖分類號(hào)：U464 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：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

汽車排氣系統(tǒng)消聲器可分為阻性消聲器和抗性消聲器兩大類。阻性消聲器是利用吸聲材料（如玻璃纖維等）的吸聲作用，使沿管道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減，阻性消聲器主要用于消除中高頻噪聲。抗性消聲器是借助流通管道截面的擴(kuò)張、收縮，或旁接共振腔，使沿管道傳播的某些頻率聲波在突變的界面發(fā)生反射、干涉或共振等現(xiàn)象，從而達(dá)到消聲的目的。

按照消聲原理的不同，抗性消聲器可以分為擴(kuò)張式消聲器和共振式消聲器兩種。本文將詳細(xì)介紹如何進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)共振式消聲器的設(shè)計(jì)。

1 ? ?;共振式消聲器類型

共振式消聲器的結(jié)構(gòu)形式比較多，按氣流通道結(jié)構(gòu)可以分為：?jiǎn)慰着灾Ч舱袷较暺?，?jiàn)圖1，多孔共振式消聲器。單孔旁支共振式消聲器多用于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)中，在汽車排氣系統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，常用的是多孔圓柱式共振消聲器形式，見(jiàn)圖2。

2 ? ?多孔共振式消聲器的消聲原理

見(jiàn)圖3所示多孔共振式消聲器結(jié)構(gòu)，一段管子通過(guò)一個(gè)密封的空腔，管子在空腔內(nèi)的部分開(kāi)有小孔，管子和空腔組成一個(gè)共振系統(tǒng)，當(dāng)聲波經(jīng)過(guò)管子上的小孔時(shí)由于聲阻抗特性發(fā)生突變，會(huì)有一部分聲能反射回去，還有一部分聲能由于共振系統(tǒng)的摩擦阻尼作用轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗掉，只剩一小部分聲能通過(guò)管子繼續(xù)向前傳播，從而達(dá)到消聲目的。當(dāng)通過(guò)的聲波頻率與消聲器的共振頻率一致時(shí)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，在共振頻率及其附近，空氣振動(dòng)速度最大，因此其克服摩擦阻力而消耗的聲能也最大，此時(shí)，消聲器有最大的消聲量。

3 ? ?多孔共振式消聲器共振頻率的確定

抗性共振式消聲器對(duì)頻率的選擇性較強(qiáng)，消聲頻帶比較窄，只有在共振頻率上才有較大的消聲量，一般用于消除350Hz以下的有突出峰值的中低頻噪聲。因此，在設(shè)計(jì)共振式消聲器時(shí)首先需要確定其共振頻率，當(dāng)聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于共振消聲器外形結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，共振式消聲器的共振頻率f可按式1計(jì)算。

（1）

C：聲速，m/s，聲速和溫度有關(guān)，聲速計(jì)算

（T為氣流攝氏溫度）

V：共振腔容積，m3

G：傳導(dǎo)率，m

傳導(dǎo)率是一個(gè)具有長(zhǎng)度量綱的物理參數(shù)，它是小孔的截面積和小孔有效長(zhǎng)度之比，單單一個(gè)孔的傳導(dǎo)率為：

（2）

S：小孔（穿孔）的截面積，m2

t：小孔長(zhǎng)度（穿孔板厚度），m

d：小孔直徑（穿孔直徑），m

在實(shí)際汽車排氣系統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，消聲器不會(huì)只開(kāi)一個(gè)孔，而是由很多個(gè)孔組成，當(dāng)穿孔的孔距大于孔直徑5倍以上時(shí)各個(gè)孔間的振動(dòng)頻率不會(huì)發(fā)生相互干涉，總的傳導(dǎo)率等于各個(gè)孔的傳導(dǎo)率之和，即：

（3）

n：穿孔的個(gè)數(shù)

4 ? ?多孔共振式消聲器消聲量的計(jì)算

在實(shí)際工程運(yùn)用中，多孔共振式消聲器的消聲量可按下式進(jìn)行估算：

（4）

式中

（5）

S0：氣流流通截面積，m2

5 ? ?多孔共振式消聲器的設(shè)計(jì)步驟

（1）根據(jù)降噪目標(biāo)要求，確定消聲器的共振頻率f及消聲量△L，由式4計(jì)算得K值。

（2）由式1、式5求得消聲器的空腔容積：

（6）

（3）計(jì)算消聲器的傳導(dǎo)率：

（7）

（4）由式2、式3求得穿孔數(shù)：

（8）

（5）校核消聲器的形狀尺寸，要求消聲器共振腔的長(zhǎng)、寬、高結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)該小于共振聲波頻率波長(zhǎng)的1/3。

（6）確定穿孔段的長(zhǎng)度，穿孔段的長(zhǎng)度要求小于共振聲波頻率波長(zhǎng)的1/12，并集中在共振腔的中部。

當(dāng)確定消聲器空腔容積及傳導(dǎo)率后，就可以進(jìn)行消聲器具體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。對(duì)于某一確定的消聲器空腔容積，可以有許多形狀尺寸組合，而對(duì)于某一確定的傳導(dǎo)率也可以有多種孔數(shù)、孔徑和穿孔管厚度，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直徑取1～10mm。

6 ? ?多孔共振式消聲器的設(shè)計(jì)舉例

某四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣系統(tǒng)尾管6階噪聲在3440轉(zhuǎn)時(shí)有一個(gè)峰值，該峰值頻率為344Hz，根據(jù)噪聲目標(biāo)要求在該噪聲峰值頻率上需要有19dB以上的消聲量。由于該噪聲是屬于350Hz以下的低頻突出峰值噪聲，因此可以在排氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)多孔共振式消聲器來(lái)消除該峰值噪聲，根據(jù)排氣系統(tǒng)管路布置條件已經(jīng)確定排氣系統(tǒng)管路流通直徑為40mm，實(shí)際測(cè)量消聲器內(nèi)氣流溫度為180℃，可以計(jì)算得到消聲器內(nèi)聲速為426.95m/s。

（1）根據(jù)消聲量要求和式4，取K值為10.08。

（2）由式6得共振腔容積：

（3）根據(jù)排氣系統(tǒng)布置條件，該消聲器設(shè)計(jì)成如圖4多孔圓柱式共振消聲器形式，取共振腔的外徑為150mm，則共振腔的長(zhǎng)度為：

（4）由式7，得傳導(dǎo)率為：

（5）選用流通管的管壁厚t=0.1cm，穿孔直徑d=0.35cm，由式8得開(kāi)孔數(shù)量為：

則設(shè)計(jì)的消聲器結(jié)構(gòu)尺寸確定為，中間流通管內(nèi)徑為40mm，管壁厚為1.0mm，穿孔數(shù)量為50個(gè)，穿孔直徑為3.5mm，穿孔段長(zhǎng)度為100mm均勻分布在共振腔中部，共振腔長(zhǎng)度為283mm，腔的直徑為150mm，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4：

（6）消聲器共振聲波的波長(zhǎng)為：

消聲器共振腔尺寸小于共振波波長(zhǎng)的1/3，即小于413mm，滿足要求。

（7）穿孔段長(zhǎng)度小于消聲器共振聲波波長(zhǎng)的1/12，即小于103.3mm，滿足要求。

增加多孔共振式消聲器后排氣系統(tǒng)噪聲如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3440時(shí)的噪聲峰值已經(jīng)消除。

7 ? ?總結(jié)

在設(shè)計(jì)共振式消聲各部分結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，為使消聲量的理論計(jì)算值接近實(shí)際，消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)盡可能滿足下面幾個(gè)條件：

（1）多孔共振消聲器消聲頻帶較窄，一般用于消除350Hz以下有突出峰值的中低頻噪聲。

（2）通常穿孔管厚度取1～5mm，穿孔直徑取1～10mm。

（3）共振腔的長(zhǎng)、寬、高結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)該盡量滿足小于共振聲波頻率波長(zhǎng)的1/3。

（4）穿孔段的長(zhǎng)度應(yīng)該盡量滿足小于共振聲波頻率波長(zhǎng)的1/12，并集中在共振腔的中部。

（5）穿孔孔距不能過(guò)密或過(guò)稀，一般孔距應(yīng)不小于穿孔孔徑的5倍。

（6）要提高消聲量，則需要增大共振腔的容積，增加穿孔數(shù)量。設(shè)計(jì)時(shí)可以把共振腔劃分為幾段小的空腔。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁昌明 ，等 著.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]龐劍，何華著.汽車噪聲與振動(dòng)理論與運(yùn)用.北京理工大學(xué)出版社，2008.

[3]楊貴恒，楊雪，何俊強(qiáng)等編著.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2018.

[4]盛美萍，王敏慶，馬建剛編著.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ).科學(xué)出版社，2017.

[5]李道成，周乃榮，堯祖信主編. 實(shí)用噪聲及振動(dòng)控制技術(shù). 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.1993.

[6]公式1、2、3、4、5摘自書籍《噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)》第七章.

專家推薦語(yǔ)

陳 ? 贛

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

本論文闡述了汽車排氣系統(tǒng)多孔共振式消聲器的設(shè)計(jì)思路和具體公式，并對(duì)一款消聲器進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)從事消聲器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工程師具有實(shí)際工程借鑒意義。