汽車排氣消聲器優(yōu)化系統(tǒng)研究

任正芳 張新明

摘 ?要：隨著駕乘人員對(duì)駕乘舒適度、操控性的不斷提升，汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)汽車消聲器性能指標(biāo)提出了更高的要求，因此進(jìn)一步優(yōu)化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是提升汽車排氣消聲器性能指標(biāo)重要途徑。

關(guān)鍵詞：排氣消聲器;優(yōu)化措施

一、乘用車噪聲污染和控制研究現(xiàn)狀

我國(guó)城市噪聲污染主要來源于城市交通噪聲。城市交通噪聲大約占城市環(huán)境噪聲的60%～70%，受交通噪聲污染的城市面積占總面積的30%～40%。而汽車噪聲又是交通噪聲重要組成部分且份額最大。噪聲引起聽力損傷大量調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：噪聲危害人的聽力，輕則高頻聽閾損傷，中則耳聾，重則耳 鼓膜破裂。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，噪聲對(duì)人聽力損害的程度，與噪聲的形式、強(qiáng)度、頻率及暴 露的時(shí)間密切相關(guān)。噪聲級(jí)在80dB（A）以下，可以保證人長(zhǎng)期工作不致耳聾;60 dB 以下，可以保證人正常的工作和學(xué)習(xí)。如果一個(gè)人較長(zhǎng)時(shí)間停留在強(qiáng)烈噪聲環(huán)境中而未采取任何有效防護(hù)措施，將會(huì)引起聽力顯著下降，嚴(yán)重者會(huì)造成聽覺損傷甚至耳聾。城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快及現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，城市噪聲污染狀況已不容樂觀。因此，為讓人們生活的更加安寧、舒適，研究如何減少這種危害就成了刻不容緩的事情。

二、汽車排氣消聲器測(cè)試分析

1、測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)以 GB /T 475921995在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為 QC480Q直列、四缸、四沖程、水冷、發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量 1. 5 L。排氣噪聲測(cè)量點(diǎn)布置在與排氣管出口軸線成 45°角，距離 0. 5 m處，傳聲器指向排氣口。排氣噪聲由傳聲器拾取，聲信號(hào)經(jīng)抗混濾波器濾波、放大，由數(shù)據(jù)采集卡采集，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。排氣背壓由 U形管壓差計(jì)測(cè)定，而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率則由測(cè)功器測(cè)定。為了防止廢氣氣流沖擊和廢氣對(duì)傳聲器的腐燭，試驗(yàn)時(shí)傳聲器戴防風(fēng)罩，在測(cè)量前后及中途使用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，控制誤差 ≤0. 2 dB。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差控制在≤ ±5 r/min，同時(shí)保證水溫、油溫穩(wěn)定。

2、背景噪聲的隔離

排氣噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲（排氣噪聲除外）高 15dB（A），配套的消聲器的消聲量一般在 20 dB（A）左右，也就是說安裝消聲器后排氣噪聲已不在是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源。本試驗(yàn)在普通的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架室進(jìn)行，也就是說不進(jìn)行處理，背景噪聲（發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲）將高于排氣噪聲使整個(gè)試驗(yàn)無法進(jìn)行。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)隔聲室。經(jīng)隔聲處理后，背景噪聲已有102dB（A），降至 80dB（A），降低 20dB（A）。

3、測(cè)試結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷額定功率轉(zhuǎn)速下的空管、帶消聲器的排氣噪聲譜，排氣噪聲譜IL =L空管 - L帶消聲器= 119. 8 - 102. 19 =17. 61 [dB（A）]

設(shè)在排氣管出口距離 r1處測(cè)得的排氣噪聲，其聲壓級(jí)為 Lp1，聲源的聲功率級(jí)為 Lw1，則Lw1= LP1 + 10lg4 π r21

同樣在距離 r2處測(cè)得允許其聲壓級(jí)為 Lp2，聲功率級(jí)為 Lw2，則 Lw2= LP2 + 10lg2 π r22

由于距離不同，同一聲源的聲壓級(jí)也不同，但聲功率級(jí)卻是不變的。因此也可以得到，在距離 r1處允許的聲壓級(jí)Lp3 = LP2 + 10lgr222r21（4）當(dāng)然，消聲器所需的消聲量可以寫為ΔL = Lp1- Lp3（5）該消聲器用于微卡，依據(jù) GB 1495 - 2002，該型車的加速噪聲限值為 Lp2= 76 dB（A）（測(cè)點(diǎn) r2 = 7. 5m）。因此有必要對(duì)該消聲器作進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

三、消聲器的研究和設(shè)計(jì)方法

1、科技的進(jìn)步帶動(dòng)了各行業(yè)的迅速發(fā)展，消聲器的研究設(shè)計(jì)方法也一樣，從最初的手工分析法，不斷的發(fā)展為現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。最初在二十世紀(jì)二十年代的早期，美國(guó)的Stewart首先提出了消聲器的研究設(shè)計(jì)理論，這一理論被人們稱為抗性聲濾清器理論。在四十年代中期，消聲器的設(shè)計(jì)中引入了數(shù)學(xué)方法，蔡超通過數(shù)學(xué)矩陣計(jì)算出了消聲器的聲學(xué)傳遞矩陣。在五十年代中期，Davis在截面突變處聲壓和體積振動(dòng)速度的連續(xù)性和一維波動(dòng)方程的理論基礎(chǔ)上，分析計(jì)算得出了膨脹腔和側(cè)支共振的特性。到了五十年代的后期，Igarashi在研究設(shè)計(jì)中引入了四端網(wǎng)絡(luò)原理，他利用等效電路法，研究出消聲器的傳遞特性，并利用四級(jí)參數(shù)矩陣的形式加以表示。經(jīng)過十幾年的不斷研究、總結(jié)和創(chuàng)新，消聲器的設(shè)計(jì)中引入了線性聲波法，這類分析法在計(jì)算分析中考慮了氣流的影響，又一次的提升了消聲器的理論研究層面，同時(shí)也迫使試驗(yàn)方法的改變，從而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度變得更高，與實(shí)際情況更吻合。

2、到了七十年代中期，一維平面波理論的局限性凸現(xiàn)出來，有限元的設(shè)計(jì)理念也開始萌生，二維和三維的分析方法也開始被應(yīng)用。到了1975年，Crocker與Young，計(jì)算分析了消聲器的傳遞損失，他們此次的分析采用了有限元的理論。后來邊界元法也加入了消聲器的設(shè)計(jì)中，雖然邊界元法可以縮短計(jì)算的時(shí)間，但計(jì)算結(jié)果的精度不高。八十年代的三維有限元分析法已基本成熟，Prasad模擬分析了消聲器的聲學(xué)性能，通過試驗(yàn)的對(duì)比，兩者基本吻合，這也意味著消聲器設(shè)計(jì)方法的又一次突破。

3、從上世紀(jì)九十年開始到現(xiàn)在，科技的迅猛發(fā)展推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的迅速升級(jí)，同時(shí)也帶動(dòng)了設(shè)計(jì)軟件的迅速發(fā)展。UG、AutoCAD、Ansys和HyperMesh等建模軟件相繼出現(xiàn);SYSNOISE、GT-POWER和LMS Virtual.Lab Acoustics等分析軟件的出現(xiàn)，為消聲器的設(shè)計(jì)提供了更精確有效的仿真途徑。1995年，Chao-Nan Wang與H.Luoetal利用邊界元法研究了穿孔插入式消聲器，并計(jì)算了該消聲器的傳遞損失。1996年，高宗英與王詩恩通過一維波動(dòng)方程分析計(jì)算了消聲器的通過特性，并且此次研究考慮氣流和聲源的影響。到了1997年，M.L.Munjal 利用平面波法分析得出插出和插入式消聲器的傳遞特性，同時(shí)又研究分析了側(cè)面插出和插入式消聲器。到了1998年，胡立臣在六類消聲單元傳遞特性的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了數(shù)學(xué)模型，以表示消聲量。何天明和鄭澤紅在1999年優(yōu)化了NJD433A柴油機(jī)的消聲器，他們此次研究使用了傳遞矩陣法;郝民同年也建立參數(shù)較為詳細(xì)的消聲器模型。到了2000年，在加入氣流與溫度的前提下，唐永琪研究了氣流的影響，此次對(duì)消聲器的研究使用了三維圖譜法。丁萬龍?jiān)?003年研究了摩托消聲器的性能，他不但使用了邊界元法，通過與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，兩者結(jié)果基本一致。目前，在消聲器的設(shè)計(jì)中，建模仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，它不但可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，還可以提高設(shè)計(jì)過程中的精準(zhǔn)度。

4、消聲器的材料

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，消聲器的制造材料也在不斷的變化。在汽車上使用消聲器的初期，消聲器主要采用鍍鋅鋁和普通鋼來制造。后來汽車排放受到了限制，而發(fā)動(dòng)機(jī)的性能又進(jìn)一步提升，因此，抗腐蝕性強(qiáng)且耐高溫的鍍鋁鋼取代了之前的廉價(jià)材料，用于生產(chǎn)消聲器。后來，人們對(duì)汽車尾氣有了新的要求，三元催化器加入到了排氣系統(tǒng)，這對(duì)消聲器的材料有新的要求，不銹鋼開始運(yùn)用到了消聲器的制造中來。目前的不銹鋼有很多種類，不同的國(guó)家采用的不銹鋼也有所不同，這主要由于不同國(guó)家或地區(qū)對(duì)汽車噪聲級(jí)別的限制不同所造成的。

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