某摩托車排氣聲品質(zhì)分析優(yōu)化

趙東升，嚴(yán)天雄，劉進(jìn)偉，高中華

（隆鑫通用動力股份有限公司，重慶400052）

1 理論基礎(chǔ)

日本福田基一教授的專著《噪聲控制與消聲設(shè)計(jì)》的出版是機(jī)動車噪聲控制研究的一個(gè)里程碑，他總結(jié)和發(fā)展了以前的消聲器理論，奠定了消聲器理論研究的經(jīng)典基礎(chǔ)[1，2]。書中詳述了消聲器的基本結(jié)構(gòu)和消聲特性，總結(jié)匯總常見消聲形式特性如表1所示。

表1 消聲形式特性一覽表

（續(xù)下表）

（續(xù)上表）

2 排氣噪聲摸底及分析

競品消聲器與原消聲器結(jié)構(gòu)對比如表2所示，原消聲器在競品消聲器基礎(chǔ)上取消了吸聲材料，同時(shí)消聲器材質(zhì)由不銹鋼調(diào)整為普通鋼，為了彌補(bǔ)材質(zhì)變更引起的剛度下降，在消聲器中增加了隔板支撐。

表2 競品消聲器與原消聲器結(jié)構(gòu)對比

為了明確原消聲器與競品消聲器排氣噪聲的差異，確認(rèn)影響聲品質(zhì)的主要頻段，對兩種消聲器狀態(tài)的排氣噪聲進(jìn)行摸底試驗(yàn)，排氣噪聲對比結(jié)果如圖1所示。該圖橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率，云圖顏色為聲壓級（聲壓級越高，顏色越明亮），該圖直觀地展示了“怠速-加油-回油”整個(gè)過程。由于原消聲器和競品消聲器狀態(tài)的噪聲試驗(yàn)是兩次試驗(yàn)，時(shí)間標(biāo)度存在差別，但不影響測試分析結(jié)論。

圖1 排氣噪聲對比

為了方便對比，圖中統(tǒng)一頻率和云圖顏色的標(biāo)度，從云圖顏色可以看出，在加油和回油過程中，原消聲器整體比競品消聲器顏色更明亮，即聲壓級更高。同時(shí)通過頻譜對比分析和實(shí)時(shí)濾波主觀識別，得出該車原消聲器排氣噪聲在高頻段（2 000～5 000 Hz）對聲品質(zhì)影響較大，其中2 800 Hz和4 000 Hz附近尤為明顯，判定這是影響排氣噪聲聲品質(zhì)的主要頻段，如圖2中所示。

圖2 多孔板型結(jié)構(gòu)等效過程

3 對策及效果

針對特定頻段消聲，可以采用共鳴型結(jié)構(gòu)和多孔板型結(jié)構(gòu)。關(guān)于共鳴型結(jié)構(gòu)教科書中已有相關(guān)論述，這里不作贅述。多孔板型結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)資料中涉及較少，下面進(jìn)行簡單介紹。

多孔板共鳴頻率：

其中，t為板的厚度；d為孔的直徑；p為開口率（每個(gè)單位面積的孔的面積）；i為后部空腔厚度；C o為聲速。

結(jié)合管道聲學(xué)理論及經(jīng)驗(yàn)，擬定了對策方案（如圖3所示）：（1）增加內(nèi)板，形成雙層板結(jié)構(gòu)，提高筒體剛度，抑制薄壁振動；（2）內(nèi)板開孔設(shè)計(jì)為多孔板結(jié)構(gòu)，衰減2 800Hz頻段高頻噪聲；（3）尾管鉆孔并加外套管設(shè)計(jì)為共鳴器結(jié)構(gòu)，衰減4 000 Hz頻段高頻噪聲。

圖3 對策方案

對方案重新進(jìn)行分析，顯示其高頻噪聲明顯下降，主觀評價(jià)認(rèn)為該方案狀態(tài)消聲器的排氣噪聲聲品質(zhì)達(dá)到競品水平，可以接受，匯總對比結(jié)果如圖4、表3所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖4 排氣噪聲對比

表3 聲學(xué)參數(shù)對比

圖中展示了3種狀態(tài)消聲器的排氣頻譜云圖，云圖橫坐標(biāo)為時(shí)間（對應(yīng)于“怠速-加油-回油”整個(gè)過程），縱坐標(biāo)為頻率，顏色亮度為聲壓級（顏色越明亮，聲壓級越高），為了方便對比3個(gè)云圖標(biāo)尺統(tǒng)一設(shè)置。從圖中可以看到，對策方案相較于其他，整體亮度最低，特別是高頻顏色明顯暗淡。

表中匯總展示了3種狀態(tài)消聲器的聲學(xué)參數(shù)。聲壓級是描述聲信號的基礎(chǔ)參數(shù)。響度是聲強(qiáng)的聽覺印象。尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺，用以區(qū)別聲音是尖銳（sharp），抑或沉悶（dull）[3]。對于排氣噪聲聲品質(zhì)而言，一般認(rèn)為響度和尖銳度越低越好[4]。從表中可以看到，對策方案響度和尖銳度都比原狀態(tài)大幅下降接近競品狀態(tài)，這與主觀評價(jià)結(jié)果基本一致。

排氣聲品質(zhì)滿足要求，動力性能未有降低，同時(shí)方案消聲器相較于競品消聲器，單件成本低約35元。

4 總結(jié)

（1）本文通過對原狀態(tài)消聲器和競品消聲器排氣噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析確定了主要差異頻段。進(jìn)一步，針對這些主要差異頻段進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)消聲設(shè)計(jì)，排氣聲品質(zhì)最終達(dá)到了競品水平。

（2）本文提供了降低消聲器成本的新思路：不銹鋼材質(zhì)變更為普通鋼，同時(shí)取消吸聲材料，通過消聲器結(jié)構(gòu)局部調(diào)整彌補(bǔ)吸聲材料高頻吸聲性能的缺失，最終達(dá)到相同的消聲性能。

[1]福田基一.噪聲控制與消聲器設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：南京大學(xué)出版社，2001.

[4]梅曉銘.基于聲品質(zhì)的摩托車消聲器創(chuàng)新研究[J].振動與沖擊，2015（4）：9-13.