无纺布多孔消声进气管声学特性试验

肖劲松,郭 荣,朱伟伟

（1.江苏星辰星汽车附件有限公司，江苏 225402；2.同济大学 汽车学院，上海 200092）

进气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一，该噪声不仅会传递到车厢内影响顾客，而且还会辐射到环境，所以在设计进气系统时必须使噪声既满足客户的要求也要达到政府有关法规的要求。

无论是对于自然吸气发动机还是增压型发动机，都需要很好地进气系统声学设计。尤其是后者，增压技术使发动机的动力性、经济性和排放特性都上了一个台阶，但增压型发动机给汽车进气系统噪声带来了新问题。涡轮增压器工作时会产生明显的啸叫声，频率范围大约为1.5～4 kHz[1，2]，而且频段较宽，需要有效抑制该噪声。安装消声器是控制不同类型发动机进气系统噪声最有效的措施之一。

目前，汽车上解决发动机进气系统噪声的措施主要包括布置赫姆霍兹消声器和若干1/4波长管，但由于它们各自只能消除单一频带的噪声，无法消除宽频噪声。而穿孔消声器虽然消声频带宽，但设计、制造成本相对较高。因此，本文提出一种无纺布多孔消声进气管(如图1)。

无纺布多孔消声进气管内壁面材料为无纺布，无纺布或织物属于薄纤维层，具有如下吸声特性，即薄纤维层在作为护面材料或紧贴刚壁时吸声效果接近或几乎等于零，而在作为帘布层在背后有空腔时吸声效果极好。因此，本消声管的管壁并非刚性结构，较软的管壁结构有利于衰减噪声。

图1 无纺布多孔消音管Fig.1 Porous muffler tube with non-woven fabrics

此消声管除具有良好的减振及降噪功能外，同时进气导流管柔软易变，能有效避免与其它部件干涉而产生异响。可替代同类橡胶制品，生产成本低，满足汽车产品的环保、低碳要求。

本文主要探讨了两载荷法的原理，并基于此原理构建了两载荷法试验台，然后应用此试验台对无纺布多孔消声进气管的传递损失进行测量，得到了上下游管内的声压信号及其传递损失，探究得出此消声管在整个噪声频带范围内具有良好的消声效果，对拓展进气系统消声方案提供应用支持。

1 两载荷法试验原理

两载荷法[3]是基于传递矩阵方法建立的传递损失测量方法，通过改变出口阻抗条件来建立描述待测消声器入射和反射波幅值关系的两个方程组，将求解出的参数代入计算公式即可得到传递损失。采用这种方法可以测得消声器传递损失，以及描述消声器声学特性的4极参数。

图2.两载荷法测量示意图Fig.2 Sketch of the double-load method

图2 a和图2b分别为2种不同的出口阻抗条件Za、Zb。图2中传感器1和2、3和4之间为直管段，2和3之间为待测声学元件，其相应的传递矩阵为

式中pi、ui分别为各传感器处的声压和质点振速；Ai、Bi、Ci、Di为声学元件的四极参数,i为各量的下标；下标a，b分别代表图2a和图2b中两种不同的出口声阻抗。

针对图2a结构,可得到此出口阻抗条件下的传感器2和传感器3之间四极参数的关系式

同理，对于图2b结构可得传感器2和3之间四极参数的关系式

综 合（4）、（5）两 式 ，可 以 解 出A23、B23、C23、D23的具体表达式。由于传感器1和2，3和4之间是直管，可以得出直管段的四极参数，代入A23、B23、C23、D23中，即可求出传感器2和3之间消声器的四极参数。

进而可求得此消声元件的传递损失

式中Si，S0分别为进口和出口截面积。

2 试验设备及设计要点

试验在同济大学半消声室中进行，所需的试验设备有LMS SCADAS III 305数据采集系统（图3）、全频段扬声器、四个传声器、功率放大器、电脑及若干专用导线。此次试验设置的采样频率为12 000 Hz。

对管道结构，由1阶平面波径向模态[4]可得

其中λ为波长，2f=c0，上式可表示为

图3 LMS数据采集系统Fig.3 LMS data acquisition system

对此次试验，取c0=340 m/s和d=36 mm，代入式(7)，可得f＜553 Hz。所测消声元件的频率范围必须小于此上限值。

此外，根据 ASTM Standard E1050-12[4,5]，一对传声器之间的距离和能够测得的最高频率之间存在如下的关系式

在此研究案例中，考虑到消声元件的最高频率小于5 000 Hz，根据式(8)，确定一对传声器之间的距离可设置为30 mm。

利用两载荷法测量消声器传递损失时要避免出现相似的出口阻抗边界条件，以防止测得的数据相近，造成求解的不稳[6]。因此，本次实验中的两种边界条件分别为出口端敞开和出口端塞隔声棉。

3 试验结果分析

将被测无纺布多孔消声管与测量系统的上，下游管道连接（图4）。图4中，在上、下管道上各装有一对传声器，用于测量管内的声压信号，传声器之间的距离严格按照第3节中规定的要求。经LMS SCADAS III 305数据采集系统采集得到的声压信号（图5）。

图4 无纺布多孔消音管传递损失试验Fig.4 Experiment on transmission loss of the muffler tube

通过比较图5中管内的声压信号，可以得出如下结论：

(1)在此消音管上游的声压信号幅值明显高于消声管下游的声压信号；

图5 管内声压时域数据对比Fig.5 Comparison of the sound pressure in the tube

(2)由于噪声的能量跟声压幅值的平方成正比，因此，可以预测经消声管后，衰减了大部分噪声能量。

为了探究此无纺布多孔消音声管的消声幅频特性，对所测的两组声压信号进行第2节所述的处理得到此消声管的传递损失特性曲线（图6）。

图6 传递损失测试结果Fig.6 The test result of transmission loss

分析图6的传递损失曲线，可以得出：

1）此无纺布多孔消声管消噪覆盖频带较宽，具有宽频消噪特点；

2）此消声管的传递损失幅值均在8 dB以上同时在整个消声范围内呈现波动特性，即在某些频率段消声效果较好。图6中存在三个高效的消声频率段。

此无纺布多孔消声管具有消声频率范围宽，能兼顾低、中、高频率的消声要求，同时在中低高频率段的消声效果均较好，能有效衰减发动机进气系统的噪声，同时具有制造成本低廉等优点。

4 结语

无纺布多孔消声管具有宽频消噪特性，结构简单，制造成本低廉等优点，同时能避免进气系统管道因干涉而产生异响。能满足发动机进气系统的消声要求。本文主要进行了对无纺布多孔消声管的试验探究，主要内容和结论如下：

(1)阐述了两载荷法理论，并基于该理论设计了实验，为保证实验结果的准确性，详细讨论了传感器之间的距离和出口阻抗条件对测试结果的影响；

(2)在无流情况下测定了此消声管管内的声压信号及传递损失曲线，探究得到此无纺布多孔消声管消声频率宽，同时幅值大小在频域内分布较均衡，消声效果明显。

综上，本文应用两载荷法对无纺布多孔消声管进行实验探究，对完善进气系统声学方案设计具有一定的应用价值。

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