基于消聲器異響現象的箱體尾管加長測試與分析

摘要：為研究陜汽F3000和X3000兩款自卸車后處理噪聲異常問題，在不同轉速下對兩款自卸車進行原方案和加長尾管優化方案進行試驗研究。結果表明：兩款自卸車的駕駛室內和尾管OA噪聲及階次噪聲水平整體差不多，排氣消聲器無質量問題；經加長尾管優化后，兩款自卸車在各轉速下的尾管后500 mm處OA噪聲及階次噪聲水平均出現顯著下降，頻率在5 000～12 000 Hz處與轉速在900～1 500 r/min區域的高亮彩帶明顯變弱，僅在1 100～1 300 r/min轉速間出現能量較弱的彩帶，異響不明顯。

關鍵詞：消聲器；異響；尾管加長；優化

中圖分類號：U467" 收稿日期：2022-11-07

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.022

1 前言

隨著城市交通的快速發展，以及城市汽車保有量的快速增長，交通噪聲已經成為城市的最主要噪聲源[1]。汽車噪聲主要來源于發動機工作和排氣時的噪聲[2]，行駛時輪胎的噪聲以及傳動系統工作噪聲，其中，發動機排氣噪聲占了整體噪聲的20%以上[3-4]。

很多研究人員針對發動機排氣消聲器進行了大量研究。長安大學的王越[5]對消聲器的聲學性能進行了有限元仿真分析，結果表明，去除排氣尾管上的穿孔結構而采用擴張腔中增加吸聲材料結構，能有效降低中頻帶的消聲量；昆明理工大學的習文輝[6]對排氣消聲器的結構參數進行了研究，結果表明，排氣消聲器的擴張腔長度和擴張比均能對排氣消聲效果產生明顯影響；上海應用技術學院的周志浩[7]對柴油機排氣消聲器的結構參數和聲學性能進行了研究，結果表明，不同插入管方式消聲器的內部氣流再生噪聲對排氣速度較為敏感且敏感程度各不相同；吉林大學的馬家義[8]對車輛排氣消聲器的工作性能進行了研究，結果表明，利用計算機仿真技術在現代消聲器設計上進行應用可以有效縮短消聲器的設計時間和成本。

在對陜汽F3000自卸車和X3000自卸車進行測試時，發現后處理噪聲太大，后處理系統對排氣的消聲能力明顯不夠。本文以F3000自卸車和X3000自卸車為研究對象，通過給消聲器進行尾管加長優化，以解決該兩款自卸車后處理噪聲異常問題，研究結果可為柴油機排氣消聲器的優化提供理論依據和現實參考。

2 試驗方法

以F3000自卸車和X3000自卸車為研究對象，對比測量兩款自卸車在駕駛室和排氣消聲器尾端兩側的三階噪聲、六階噪聲和九階噪聲情況，因自卸車為商用車，帶擋加速實現起來較為困難，因而將試驗工況定義為空擋加速，加速時長為60 s。圖1所示為在自卸車駕駛室左側安裝噪聲接收傳感器，圖2所示為排氣消聲器后500 mm處呈45°角安裝噪聲接收傳感器，F3000自卸車與X3000自卸車的測量方式一致。

在兩款自卸車排氣消聲器末端進行尾管加長，依然測量駕駛室左側與離尾管末端500 mm處呈45°角兩處的噪聲情況。圖3所示為加長尾管后的試驗圖。

3 試驗結果

3.1 原消聲器結果分析

圖4所示為F3000和X3000兩款自卸車在不同轉速下的0A噪聲對比情況。由圖中可以看出：a.兩款自卸車的駕駛室內和尾管OA噪聲整體差不多，兩個后處理噪聲水平相當，主觀評價兩個后處理噪聲品質相當，對F3000和X3000排氣消聲器的外觀結構進行檢查無異常，說明該排氣消聲器無質量問題；b.隨著轉速的增大，兩款自卸車駕駛室內和尾管的OA噪聲均呈現不斷上升趨勢，其中，駕駛室內的OA噪聲峰值接近80 dBA，尾管后500 mm處的OA噪聲峰值接近100 dBA，這主要是因為轉速增加導致排氣流速加快，一方面是高頻噪聲增加，另一方面是高流速排氣會增加噪聲再生。

噪聲的階次與轉速和頻率之間有對應關系，計算階次的公式為：

[f=KR60（Hz）]

式中，f為頻率；K為階次；R為轉速[9]。

圖5所示為F3000和X3000兩款自卸車在不同轉速下排氣尾管500 mm處呈45°角測量的階次噪聲對比情況。由圖5可以看出：兩款自卸車排氣尾管500 mm處的三階、六階和九階噪聲水平基本相當，其中，三階噪聲和九階噪聲均隨著發動機轉速的升高而呈現上升趨勢，而兩款自卸車的排氣尾管處六階噪聲基本不隨發動機轉速的上升而升高。

3.2 優化前后OA噪聲結果對比

圖6所示為F3000和X3000兩款自卸車經過尾管加長處理后的不同轉速下0A噪聲對比情況。由圖中可以看出：a.F3000自卸車經過尾管加長后，在各轉速下的尾管后500 mm處的OA噪聲均出現顯著下降，降幅最多可達0%左右；駕駛室內的OA噪聲在低轉速時與原方案無明顯差異，轉速升高至1 200 r/min后，加裝尾管后的噪聲相比于原方案出現明顯下降；b.X3000自卸車經過尾管加長后，在各轉速下的尾管后500 mm處OA噪聲及駕駛室內OA噪聲均呈現明顯下降，其中，尾管后500 mm處的OA噪聲下降明顯，最大降幅達到13%左右，而駕駛室內的OA噪聲降幅偏小。

3.3 優化前后階次噪聲結果對比

圖7所示為F3000和X3000兩款自卸車經過尾管加長處理后的不同轉速下排氣尾管500 mm處呈45°角測量的階次噪聲對比情況。由圖中可以看出：a.兩款自卸車經過尾管加長后，排氣尾管500 mm處的三階和六階噪聲水平明顯低于原方案，且三階噪聲隨著轉速增加降幅逐漸增大；b.F3000自卸車尾管加長后在低轉速下的九階噪聲水平得到改善，在高轉速時卻無明顯改善；而X3000自卸車尾管加長后在全轉速下的九階噪聲并無明顯改善。

3.4 瀑布圖分析

噪聲瀑布圖用于觀察消聲尾管噪聲能量大小[10]，通過觀察噪聲瀑布圖，能夠看出不同轉速下，不同頻率段的噪聲特性，圖8為F3000自卸車消聲器尾管加長前后的輻射噪聲瀑布圖對比情況。從圖8中可以看出，消聲器箱體未加裝尾管時，頻率在5 000～12 000 Hz處與轉速在900～1 500 r/min之間存在一個相對能量較強的高亮彩帶，在該轉速和頻率范圍內異響明顯，在消聲器箱體加裝尾管后，該區域的高亮彩帶明顯變弱，僅在1 100～1 300 r/min轉速間出現能量較弱的彩帶，異響不明顯。

4 結語

以F3000自卸車和X3000自卸車作為研究對象，通過給消聲器進行尾管加長優化，以解決該兩款自卸車后處理噪聲異常問題。

a.兩款自卸車的駕駛室內和尾管OA噪聲整體差不多，兩個后處理噪聲水平相當，主觀評價兩個后處理噪聲品質相當，排氣消聲器無質量問題；排氣尾管500 mm處的三階、六階和九階噪聲水平基本相當，且均隨著發動機轉速的升高而呈現上升趨勢。

b.經尾管加長后，兩款自卸車在各轉速下的尾管后500 mm處OA噪聲均出現顯著下降；駕駛室內OA噪聲相比于原方案出現明顯下降；排氣尾管500 mm處的三階和六階噪聲水平明顯低于原方案，且三階噪聲隨著轉速增加降幅逐漸增大，而F3000自卸車尾管加長后在高轉速時卻無明顯改善。

c.原方案中頻率在5 000～12 000 Hz處與轉速在900～1 500 r/min之間存在一個相對能量較強的高亮彩帶，在該轉速和頻率范圍內異響明顯，加長尾管后該區域的高亮彩帶明顯變弱，僅在1 100～1 300 r/min轉速間出現能量較弱的彩帶，異響不明顯。

參考文獻：

[1]侯榮，王武林小型柴油機的排放及控制技術[J]廊坊師范學院學報（自然科學版），2014，14（2）：41-43

[2]中國內燃機工業協會，《中國內燃機工業年鑒》編委會中國內燃機工業年鑒[M]上海：上海交通大學出版社，2012

[3]劉勝吉，曾瑾瑾，王建，等單缸柴油機一體式凈化消聲器設計與性能試驗[J]農業工程學報，2016，32（9）：60-66

[4]趙開琦，江國和，王志剛一體式排氣凈化消聲器消聲性能分析[J]噪聲與振動控制，2014，34（5）：219-223

[5]王越基于有限元法的消聲器性能分析[D]西安：長安大學，2015

[6]習文輝汽車排氣消聲器結構參數對消聲性能的影響研究[D]昆明：昆明理工大學，2015

[7]周志浩柴油發動機排氣消聲器的設計及其性能分析[D]上海：上海應用技術學院，2015

[8]馬家義消聲器內部流暢聲學特性研究[D]長春：吉林大學，2004

[9]畢嶸，劉正士，陸益民，等多穿孔板阻性消聲器的聲學特性研究[J]振動工程學報，2011，24（5）：568-572

[10]王武林，張旭東，冒興峰，等筒式催化凈化消聲器聲學性能試驗與仿真分析[J]中國農機化學報，2018（6）：39-292

作者簡介：

張旭東，男，1989年生，助理實驗師，研究方向為內燃機排放噪聲處理技術。