某重型汽車消聲器設(shè)計

馬福龍，周亮，姚旿斌，楊武

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

概述

汽車噪聲給人們的生活帶來諸多問題，不僅危害著人們正常的睡眠和休閑，長期受噪聲影響將導(dǎo)致聽力受損。發(fā)動機噪聲是汽車行駛中主要噪聲來源，因而控制汽車噪聲可從限制發(fā)動機噪聲開始。發(fā)動機噪聲主要包括空氣動力性能噪聲、氣體燃燒噪聲以及機械振動噪聲，其中，空氣動力性能噪聲主要由進排氣噪聲與風(fēng)扇噪聲構(gòu)成，在發(fā)動機噪聲中所占比例最大的是進排氣噪聲。控制發(fā)動機噪聲的水平很大程度上是由控制進排氣噪聲決定的。對于降低排氣系統(tǒng)的噪聲，經(jīng)過驗證得知安裝消聲器效果最顯著也最便捷。

1 消聲器的功能及主要結(jié)構(gòu)形式

消聲器是一種阻止聲音傳播而允許氣流通過的降噪裝置，是控制氣流噪聲的主要措施。一個良好性能的消聲器安裝在發(fā)動機排氣管路中，能使出口噪聲降低20～50dB。

按照消聲激勵的不同，消聲器分為抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗復(fù)合型消聲器。其中，抗性消聲器主要由截面突變的管和室組成，能夠引起聲傳播過程中的阻抗變化，使聲能產(chǎn)生反射、干涉，達(dá)到消聲目的。抗性消聲器對中、低頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果，對寬帶高頻率噪聲效果則相對較差；阻性消聲器是在內(nèi)部排氣通過的管道填充吸聲材料來吸收聲能量達(dá)到消聲的目的。阻性消聲器對中、高頻帶消聲效果較好，對低頻帶消聲效果較差。阻抗復(fù)合型消聲器是分別用抗性消聲單元和吸聲材料組合構(gòu)成的消聲器，它具有阻性和抗性消聲器的共同特點，對低、中、高頻噪聲都有很好的吸聲效果。

2 消聲器性能評價指標(biāo)

消聲器性能的評價指標(biāo)包括聲學(xué)性能評價、空氣動力性能評價及結(jié)構(gòu)性能評價等三個主要方面。

2.1 消聲器聲學(xué)性能評價

消聲器聲學(xué)性能的重要評價指標(biāo)之一是消聲量，其大小有四個度量指標(biāo)。分別為聲壓級差值、插入損失、傳遞損失和聲衰減量。

（1）聲壓級差值

在系統(tǒng)內(nèi)，任兩點壓級差值叫做聲壓級差值，計算公式可表示為：

式中：Lp1和 Lp2—任意兩點聲壓級，dB； p1和p2—任意兩點聲壓，Pa。

（2）插入損失

插入損失是指安裝消聲器前后在消聲器出口某一固定點測量的排氣聲壓級之差，計算公式可表示為：

式中：LIL—插入損失，dB；

Lp1—安裝消聲器前在某點測量的排氣聲壓級，dB；

Lp2—安裝消聲器后在某點測量的排氣聲壓級，dB；

（3）傳遞損失

傳遞損失是指消聲器進口的入射聲功率級和出口透射聲功率級之差，計算公式可表示為：

式中：W1、W2為消聲器入口和出口端的聲功率(w)，LW1、LW2為入口和出口端的聲功率級(dB)。

（4）聲衰減量

聲衰減量定義為通過測量消聲器內(nèi)軸向兩點間聲壓級差值所求得的消聲器單位長度的聲衰減量(dB/m)。聲衰減量反映聲音沿消聲器通道的傳播特性，即聲音衰減過程。

2.2 消聲器空氣動力性能評價

消聲器的氣動性能是評價消聲器優(yōu)劣的另一項重要指標(biāo)，它直接影響到發(fā)動機的性能，并且還存在與發(fā)動機匹配的問題。消聲器的空氣動力特性評價指標(biāo)通常有壓力損失、阻力系數(shù)和功率損失比。

（1）壓力損失

壓力損失又稱阻力損失，消聲器的壓力損失指消聲器內(nèi)部存在給定的平穩(wěn)氣流時，消聲器進口端與出口端平均全壓之差。如果消聲器兩端的截面面積相等，并可假定流速沿截面分布的流場相同，則壓力損失就等于消聲器兩端氣流平均靜壓之差，即：

阻力損失主要分為兩大類：一是管壁沿程摩擦阻力損失，二是局部阻力損失。

（2）阻力系數(shù)

消聲器的阻力系數(shù)為通過消聲器前后的壓力損失與氣流動壓之比值，即：

式中：pv=10ρv2/(2g)，?p 為壓力損失（Pa），pv為動壓值（Pa），ρ是空氣密度（kg/m3），v是消聲器內(nèi)的平均氣流速度（m/s），g是重力加速度（m/s2）。

（3）功率損失比

功率損失比是發(fā)動機在標(biāo)定工況下不使用消聲器的發(fā)動機功率Ne1，與使用消聲器時發(fā)動機的功率Ne2的差值和Ne1的百分比，即：

功率損失比反映了消聲器的阻力損失對發(fā)動機性能的影響。對消聲量為10～20dB（A）的排氣消聲器，要求消聲器對發(fā)動機的功率損失比RN ＜5%，到20～30dB（A）時，則要求功率損失比RN ＜7%。

2.3 消聲器結(jié)構(gòu)性能評價

一個性能優(yōu)良的消聲器，除了要滿足其在消聲性能和空氣動力性能上的要求外，還應(yīng)該在安裝尺寸、機械強度、使用壽命、造型等方面滿足要求：

（1）幾何形狀適宜，外觀尺寸要符合各自的使用要求。

（2）機械強度高、能耐高溫，耐廢氣氣流的污染與腐蝕并且保養(yǎng)方便。

（3）結(jié)構(gòu)剛性好。

（4）消聲器應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，成本低廉，造型美觀。

3 消聲器設(shè)計

3.1 發(fā)動機參數(shù)

某重型汽車選用濰柴WP10.375發(fā)動機作為其動力裝置，其相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 發(fā)動機參數(shù)

3.2 消聲器消聲量計算

設(shè)計消聲器時首先要確定降低排氣噪聲的目標(biāo)值，即由發(fā)動機排氣噪聲大小、頻譜特性和消聲器所匹配車輛的噪聲限值來決定消聲器消聲量大小。根據(jù)整車噪聲限值來計算消聲器出口噪聲限值。假設(shè)聲源特性屬線性聲源，聲衰減量 L為：

式中：R1—消聲器出口處噪聲限值點到聲源點距離；

R2—整車噪聲限值測點到聲源點距離。

已知整車車外加速行駛噪聲限值La=84 dB (A)，R1=0.5m，R2=7.5m，L=10lg(R2/R1)=10lg（7.5/0.5）=11.6(dB)(A)

消聲器出口噪聲限值Lm=L+La=95.6(dB)(A)

發(fā)動機排氣聲壓級為110 dB (A)，那么消聲器的消聲量應(yīng)大于：

3.3 消聲器形式和級數(shù)的選擇

對于重型汽車，選擇單級抗性消聲器。

3.4 消聲器容積設(shè)計

消聲器容積不僅影響消聲效果，而且還影響到消聲器的功率損耗。如果容積過小，則自身效果差，而且功率損失也大。合理的選擇方法是在使用條件允許的情況下。盡量采用較大的容積為宜。消聲器的容積：

式中：Q為與消聲效果有關(guān)的修正系數(shù)，可取Q=2～6，對消聲要求越高時，Q值越大，本文取Q=6；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r／min；VL為發(fā)動機排量，L；τ為發(fā)動機沖程數(shù)；i為發(fā)動機氣缸數(shù)。將發(fā)動機參數(shù)帶到以上容積計算公式當(dāng)中，消聲器容積：

3.5 消聲器進口直徑設(shè)計

消聲器進口直徑大小對氣流流速有很大的影響。一般進口處的流速不宜過大，一般不宜超過 60m/s，同時還要避免因直徑過小而引起的整個排氣管截面突變。排氣質(zhì)量流量M為1650kg/h，即M=0.4583kg/s。消聲器進口處溫度300℃，且在300℃時標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度ρ=0.6084 kg/m。由密度可求得體積流量Q=M/ρ，即Q=0.7533m3/s，進氣口直徑：

式中：Q為進口處排氣流量，m3/s；Vmax為允許氣流最大流速，取Vmax=60m/s。將Q，Vmax帶入式中，求得消聲器進氣口直徑：

由于消聲器進氣口與排氣管連接關(guān)系的限制，d=0.120 m時，Vmax=66 m/s也是可以的。

3.6 擴張比的選擇及消聲器直徑、長度設(shè)計

消聲器擴張比是指消聲器截面積與進口處截面積之比。對消聲器插入損失要求越大，擴張比選擇值則越大。一般分車型選擇，輕型車、轎車為12～15，中型車為9～10，重型車為6～7。本文選擇擴張比M=6，消聲器直徑：

重型汽車消聲器本體的長度與直徑之比一般為L/D=3～4，本文取3.5，消聲器長度：L=3.5D=0.3×3.5

3.7 消聲器截面形狀的選擇

目前，重型汽車用消聲器截面形狀常見有三種：橢圓形、圓形及長方圓形。在實際設(shè)計中，首選圓形。本文消聲器的設(shè)計選用圓形，進氣口中心與消聲器中心重合；考慮到整車涉水需求，出氣口選擇與消聲器中心垂直。

3.8 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

抗性消聲器內(nèi)部由內(nèi)插管、隔板構(gòu)成。根據(jù)經(jīng)驗公式，消聲器進氣管長度為整個消聲器長度的 1/2，穿孔率在 25%～30%時，消聲器在中高頻段消聲效果較好且壓力損失較小，這彌補了不帶內(nèi)插管的簡單抗性消聲器低頻段消聲效果好，中、高頻段消聲效果差的缺點，所以進氣管長度取 525 mm。排氣管長度對旁支型消聲器的傳遞損失影響比較微小，本文取排氣管長度 300 mm，綜合排氣管軸線到消聲器前端面的距離對消聲器空氣動力學(xué)性能和消聲器在安裝空間的影響，取排氣管軸線到消聲器前端面的距離770mm；隔板和內(nèi)插管的孔徑一般控制在4～10mm，其中進氣內(nèi)插管孔徑取4 mm，隔板和排氣內(nèi)插管孔徑取9 mm。

根據(jù)以上消聲器主要參數(shù)，利用 CAD繪制出消聲器二維圖，見圖1所示：

圖1

4 結(jié)論

消聲器結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，消聲性能就越好，但排氣阻力也越大。平衡消聲器的聲學(xué)性能和阻力特性，對提升消聲器的設(shè)計和改進具有重要的意義。一般在滿足消聲性能的前提下，消聲器力求做到結(jié)構(gòu)簡單。

[1]《汽車工程手冊》汽車工程手冊編輯委員會編著[Z].人民交通出版社.2001.5.

[2] 薛飛.工程機械抗性消聲器綜合性能分析與優(yōu)化設(shè)計[D].東南大學(xué).2014.

[3] 陳應(yīng)航.汽車排氣消聲器傳遞損失分析和優(yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué).2015.

[4] GB/T 495-2002 汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法.

[5] QC/T 631-2009 汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗方法.