汽車排氣消聲器的消聲性能分析及結構優化

孫海濤，張海興，李雙

（蘇州大學城市軌道交通學院，215021）

隨著汽車工業的發展和汽車的普及，汽車噪聲對環境和人類的影響日漸突出，據統計汽車已成為城市主要噪聲源之一，約占城市環境噪聲的75%[1]，其中發動機的排氣噪聲是汽車主要噪聲源，所發散的噪聲占到整車輻射噪聲的36%[2]，因此降低排氣噪聲是降低汽車整車噪聲的有效方法。目前降低和控制排氣噪聲最普遍的方法是安裝具有優良性能的排氣消聲器[3]。

消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合型消聲器，因為抗性消聲器具有耐腐蝕、耐氣流沖擊、成本低、結構簡單等特點，目前汽車排氣消聲器多采用抗性消聲器。為了改善抗性消聲器的消聲性能實現全頻段消聲，越來越多的復雜結構被廣泛使用，例如使用插入穿孔管和穿孔板結構[4-6]。本文選取某型汽車排氣消聲器為研究對象進行了消聲器傳遞損失實驗研究，并根據實驗結果對消聲器進行結構改進，取得較好效果。

1 消聲器傳遞損失實驗

1.1 消聲機理

阻性消聲器利用吸聲材料的吸聲作用，當聲波進入消聲器中，會引起阻性消聲器內多孔材料中的空氣和纖維振動，由于摩擦阻力和粘滯阻力，使一部分聲能轉化為熱能而失散掉，從而起到消聲作用。抗性消聲器主要是通過在管道上接截面突變的管段或旁接共振腔，利用聲阻抗失配，使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的截面處發生反射、干涉現象，從而達到消聲目的。

1.2 實驗原理

傳遞損失是消聲器的一項重要聲學性能評價指標，反映消聲器本身的傳遞特性，它受聲源與環境的影響較小。傳遞損失TL（Transmission Loss）[7]也稱傳聲損失或透射損失，定義為消聲器進口端的入射聲功率級和出口端的透射聲功率級的差值，即：

式中：iWL為消聲器進口的聲功率級；tWL為消聲器出口的聲功率級。實際工程測試中，由于聲功率級難以直接測得，常通過測量消聲器前后截面的平均聲壓級，再按式（2）和（3）計算獲得

式中：Lpi為消聲器進口端的平均聲壓級，Lpt為消聲器出口端的平均聲壓級，Si為消聲器入口處的截面積，St為消聲器出口處的截面積，若消聲器入口和出口處的截面積相同，則傳遞損失可表示為進口端的平均聲壓級Lpi和出口端的平均聲壓級Lpt之差，即：

1.3 實驗系統設計

測試系統如圖1所示，由示波器、函數信號發生器、功率放大器、揚聲器、金屬錐形管、消聲器、INV 3018C 信號采集分析儀、計算機等組成。由信號發生器產生一寬頻帶的掃描信號作為激勵聲源，通過示波器監視波形，如果滿足要求，信號經過功率放大器傳送到揚聲器，使揚聲器產生相應頻率的聲波。揚聲器通過特制的密封金屬錐形管與消聲器相連，并用玻璃膠對揚聲器、金屬錐形管接口處進行了密封處理。以保證聲波的穩定和能量集中。測試時傳聲器探頭平行于出口截面法線方向放置，經信號采集儀將得到的信號分析處理，可得到消聲器進、出口處的聲壓級值。

圖1 消聲器傳聲損失實驗流程

2 原消聲器測試結果及分析

通過對原消聲器進行傳聲損失實驗，得到原消聲器的傳聲損失曲線（圖2），可以發現，該消聲器整體消聲量平均在20dB 以上，而在某些頻率消聲效果不理想。特別是在500Hz、1100Hz、1976 Hz、2200Hz、2482Hz、3300Hz 消聲量基本為零，觀察消聲器內部結構（圖3）后發現，消聲器是三腔式結構，并且由一些內插穿孔管和穿孔板結構組成。用內插管的方法可以改善消聲器在某些頻率的消聲性能，因此可以考慮采用增加插入管的方法改善消聲器的消聲性能。

圖2 原消聲器傳聲損失曲線

3 改進方案及效果分析

當插入管長度等于擴張部分長度的l/2時，可消除奇數倍的通過頻率，當插入管長度等于擴張部分長度為1/4時，可消除偶數倍的通過頻率[8]。其中通過頻率可以表示為：

圖4 優化后消聲器前兩腔結構

圖5 優化后消聲器第三腔結構

圖6 改進前后消聲器傳遞損失比較

其中L為擴張腔的長度，c為波速；

第一腔長度L1=172mm

由于第一腔本來已有l/2長的插入管，故n是奇數的情況不予考慮。當n是偶數時，對應頻率f取1976Hz、3952Hz，由原消聲器的傳聲損失圖可以發現在這些頻率上曲線存在低谷，故需要增加長度為L1/4的插入管。

第二腔長度L2=137mm

當n是奇數時，對應頻率f取1241Hz、3723Hz，由原消聲器的傳遞損失圖可以看出在這些頻率上曲線不存在低谷，故不需要加插入管。當n是偶數時，對應頻率f取2482Hz，由原消聲器的傳遞損失圖可以發現此頻率上曲線存在低谷，故需增加長度為L2/4的插入管。

第三腔長度L3=155mm

當n是奇數時，對應頻率f取1100Hz、3300Hz，由原消聲器的傳遞損失圖可以看出在這些頻率上曲線存在低谷，故需要加長度3/2L的插入管。當n是偶數時，對應頻率f取2200Hz，由原消聲器的傳遞損失圖可以看出此頻率上曲線存在低谷，故需要加長度3/4L的插入管。

經上述分析擬定優化方案：第一腔增加L1/4插入管（圖4），第二腔增加L2/4插入管（圖4），第三腔分別增加L3/2和L3/4插入管（圖5），將插入管焊接在原消聲器上，改進后的消聲器內部結構如圖4、5所示。

對優化后的消聲器進行傳遞損失測試得到消聲器的傳遞損失曲線，與原消聲器的傳遞損失對比，由圖6可見，兩次實驗得到的傳遞損失曲線基本吻合，而在前面提到需要優化的500Hz、1100Hz、1976 Hz、2200Hz、2482Hz、3300Hz 頻率處，消聲量有較大的提高，達到了改進的效果。

4 結論

針對原消聲器在某些頻率處消聲效果不好的特點，對原消聲器進行了結構優化，通過實驗分析得到改進后消聲器的傳聲損失曲線并與原消聲器對比。結果表明：采用增設內插管的方式消除了原消聲器存在的不足，優化后消聲器消聲效果總體上較原來有所提高，特別是在不足處，傳聲損失提高了3-10dB，說明結構改進達到了較好的效果。

[1]李兵林.汽車噪聲污染與控制[M].北京：機械工業出版社出版社，2012.12-40.

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