汽车排气消声器性能研究与设计开发分析

张春民

摘 要：随着社会进步不断的加快，人民生活质量不断的提高，基本上很多家庭都拥有一辆汽车。汽车方便了人民的生活，但是汽车排气噪声却困扰着居民，汽车排气噪声作为最主要的汽车噪声源，它严重影响人民的休息，危及人民的健康。如何有效的控制排气噪声是当务之急，安装排气消声器就是目前最有效、最实用的方法。排气消声器不仅能阻碍声音传播，而且允许气流通过，并且还能增加排气阻力，是一种非常实用有效的降低噪音装置。本文将对汽车排气消声器性能的研究和设计开发进行分析。

关键词：汽车噪声；排气消声器；性能

中图分类号： U464 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-191-2

0 引言

声学和流体动力学是研究汽车排气消声器性能的最主要的两门学科。研究人员运用多种运算方式和模拟仿真软件进行消声器的性能测试，对其设计提供了极大的方便。汽车排气消声器的组成是消声单元。其基本的消声单元分为扩张式、共振式和阻性消声器等。汽车排气消声器的开发设计就是基于对消声单元的研究和探索，运用科学的数值分析法研究消声单元在外界条件及不同参数结构影响下的噪声和气流波动是对汽车排气消声器性能研究的基础。本文研究将在国家规定的行业标准下进行，利用专业的排气消声器测试平台对不同的消声器进行性能的测试，分析出对汽车排气消声器性能设计有重大参考意义的噪声频谱特性。最后，运用汽车消声器的正向设计思路，以降低噪声的基本性能为主合理的选择消声单元，通过计算和结构构成的实验去验证和检测汽车消声器的设计。

1 汽车排气噪声产生原理和消声器的机理研究

发动机排气噪声的产生是由于发动机气缸内部高温废气的压力急剧变化，气压波巨大，从而导致排出过程中产生噪声，其噪声根据不同振幅、频率以及产生的结构位置不同分为：基频排气噪声、亥姆霍兹共振噪声、废气喷注噪声、排气道内壁面的紊流噪声、冲击噪声等多种噪声形式，其中基频排气噪声是最主要的噪声形式。在汽车排气消声器上，为了应对不同噪声形式，从根本上降低噪声，消声器从消声原理上分为有源消声器和无源消声器两大类，由于有源消声器在排气系统的实际应用上比较繁琐，一般多采用无源消声器。

1.1 汽车排气噪声产生原理

汽车发动机的排气口在打开的瞬间，高速高温的废气从气缸中喷出，从而产生具有低频性、周期性的噪声。这种噪声称为基频排气噪声，是发动机最主要的噪声源，它的噪声频率和排气次数相同。其基频和谐波的运算公式为：fk=

式中，k表示谐波的次数；n表示发动机转速，单位为r/min；z为发动机气缸的数量；τ表示冲程系数，其中二冲程的τ值为1，四冲程的τ值为2。

1.2 汽车排气消声器的机理研究

汽车消声器是安装在汽车空气动力设备上的气流通道上降低噪声的设备。其消声机理是利用声波在叠加中发生干涉相互抵消从而达到降低声音强度，减小噪声，实现消音的目的。

其中有源消声器是一种主动消除声音的设备，基本机理是运用电子装置主动发射出与原噪声声波振幅相等但是相位相反的声波，两种声波相互干涉抵消，降低了声音强度实现了消声的目的。但是这种有源消声器具有很大的局限性，面对声波频率广的发动机排气系统上运用就显得非常复杂，导致使用率不高。其中排气背压直接影响发动机功率，与额定转速下的功率损失比的关系如图：

其中无源消声器又分为抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合型消声器等，抗性消声器是使声阻抗产生变化，其方式是使管道界面产生突变或者接一个共振腔使声波在声阻抗发生变化的地方产生反射和干涉，最终达到消除噪声的目的，一般多用于降低中频和低频噪声。阻性消声器是运用有很多孔洞的吸收声音的材料来实现消除噪音的，噪音进入这种多孔洞的吸收声音的材料后致使孔洞内部气体产生振动，振动的气体在材料上相互摩擦，最终让一部分的声能转化成为热能，实现降低噪声的目的。但是这种阻性消声器对频率低的噪声效果不佳，所以一般应用于中频和高频的噪声消除。阻抗复合型消声器就很好的融合了前两种消声器的特点，具有优良的消声特性，广泛适用于汽车发动机排气消声上。

2 基本消声单元的性能分析

消声单元是复杂消声器的基本组成部分，因此对基本消声单元进行科学的数据分析，研究不同结构形式对于声学性能和气体流动性能的影响对于消声器的设计开发有着重大的参考价值。本文运用模拟仿真软件对扩张式消声器进行数据运算和研究发现，扩张腔截面形状是具有局限性的，只能对中频、高频的噪声产生影响。对出入管的偏置分为一端偏置和两端同时偏置，对于一端偏置来说偏置距离越大，其高频域消声能力就越好，但是对于中低频域噪声无效。而对两端偏置来说，偏置距离越大，中频域噪声的消声性能就越好，但是对于高频域噪声效果就截然相反。

3 汽车排气消声器的开发设计

目前，对于汽车排气消声器的设计一般都是基于现有的消声器基础上，然后根据实验得出的经验或者理论进行调试，最后再用数值分析法进行检验。这种做法虽然可行，但是局限性比较强，工作量大，周期性强。然而采用正向开发方式，综合实际声场和流场的变动，贴合发动机实际设计排气消声器，相对老式的设计方式就显得更加高效。为了达到全频段的消声目的，行业标准 QC/T 631-2009《汽车排气消声器总成技术条件和试验方法》给出了在发动机额定工况下排气消声器的声学和空气动力学指标的推荐值，如右图：

在设计过程中应当充分考虑声学、流场、结构等诸多因素。设计中以声学目标为主，降低噪声为主要性能目的。其中流场目标为排气背压差应低于15kPa，结构目标应当简单且重量轻。运用科学的计算方式确定数值，合理的选择基本消声单元来实现消声器的设计，运用CFD方法分析研究汽车排气消声器的设计的流场性能，充分考虑系统的扩展性，优化设计模块。

4 结束语

由于专业技能有限及时间、设备条件等客观因素，对消声器的研究和设计上并不完美。本文的出发点为声学和流场性能，对汽车发动机排气消声器的性能进行研究与设计开发，其内容包括汽车噪声产生的原理和消声器的机理研究、基本消声单元在不同参数结构下的性能影响规律、汽车排气消声器的正向设计开发方案。对现阶段汽车排气消声器存在的问题进行研究和探索，介绍了消声器的不同类型和消声原理以及适用范围。在国家相关规定和行业标准下进行汽车排气消声器性能的模拟仿真测试，最终提出正向设计的思路对消声器具体结构进行合理的设计。

参 考 文 献

[1] 洪宗辉，潘仲麟.环境噪声控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 庞剑，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[3] 毕嵘.复合式消声器声学性能的分析方法和实验研究[D].合肥工业大学，2012.