汽车排气消声器研究综述

孟妤 赵诚 朱桂昌

中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司 北京 102100

1 前 言

消声器的使用要追溯到1688年，法国物理学家德尼斯·帕潘，用一个圆筒和活塞制造出第一台简单的蒸汽机，瓦特改良后运用于轮船和机车，为降低噪声使用了圆筒型的排气管，这是消声器的雏形。20世纪初期，汽车制造商开始解决汽车噪声问题，消声器的研究得到了较快的发展，经过不断的改进与发展并运用到其他领域，如1908年海·泊·马克沁将消声技术用在枪炮的消声上。20世纪20年代，美国科学家开始对消声器进行详细的理论研究；20世纪50年代，欧洲经济联盟比较重视对消声器的研究，并且涌现出Paul Lueg等大批优秀学者；20世纪70年代，日本的福田基一、奥田襄介等学者在消声器方面均有所研究。

伴随着汽车的普及和汽车噪声问题的日益突出，对环境与人类生活关联认识的加深，各项环境标准和降噪指标的不断严格，对汽车消声器的设计、制造技术要求越来越高。20世纪60年代开始，欧美国家开始制定车辆噪声法规，并相继成立了消声器研究中心，出现了专业化的消声器生产厂。中国在1980年颁布了《消声器测量方法（GB 4760-84）》，汽车消声器的研究也得到了相当的重视，大批学者开展了相关的研究工作。

本文针对消声器分析方法和设计理念进行阐述，结合国内外不同分析方法应用于消声器研究的先后顺序和研究成果，介绍排气消声器研究进展及发展趋势。

2 汽车消声器的研究历程

1922年，来自美国的Stewart率先用声学滤波器的理论研究抗性消声器。上世纪30年代，有源消声方法萌生，大批学者投入其研究；上世纪40年代，有限元离散思想提出，到上世纪60年代才运用到消声器的研究；1954年，Davis等人发表了平面波理论的经典论文，采用一维波动方程，利用截面突变处声压和体积速度的连续性，计算了单级、多级膨胀腔和侧支共振腔的消声特性。上世纪50年代，声传递矩阵法开始运用于消声器的性能分析；上世纪50年代后期发展了不考虑气流及温度梯度的声传递矩阵法，为排气消声器的设计开创了新的方法；1956年，美国人Nelson发现由于长途行驶而导致的高温会使消声器失去消声效果；上世纪60年代统计能量、传递路径等方法兴起；上世纪70年代边界元方法开始运用于消声器的性能分析。

上世纪70年代后期，随着计算机技术和力学、声学理论的完善，消声器的分析方法得到了空前的发展，对于消声器的理论研究越来越深入，逐步解决了气流与声波的相互作用、进一步考虑温度梯度对声波的影响等问题。1964年，马大猷教授首先提出“微穿孔板吸声体精确理论”；1973年，大阪大学的Hirata发现气流的存在降低了消声器的消声性能；日本的福田基一在噪声控制技术方面做了大量的理论和试验研究；1983年，山口大学的Fukuda和Izumi等发现，气体从入口喷射到尾管时会产生很大的气流噪声；华中科技大学的黄其柏和哈尔滨工程大学的季振林探讨了温度梯度影响下声波在消声器中的传播特性；重庆大学的李以农等分别对消声器内部的压力场、温度场等分布进行了数值模拟。这些研究为设计和改进消声器提供了大量的数据及理论基础。

3 消声器的设计

早期的消声器产品是用试错法通过反复的设计、试制、实验来研制的。20世纪30年代费希尔在试验设计方面做了一系列先驱的贡献，正交设计的兴起为消声器的设计提供了一个新方法，20世纪70年代涌现出一大批新的消声器设计方案：1970年Grantham R设计了具有复杂内腔，且有内插管的循环式空气净化器；1971年Stemp Leslie William在消声器内腔沿气流垂直方向设置多层网状的结构，并且在进出口的填充吸声材料，具有很好的消声效果，这是早期较典型的阻性消声器；1972年Mellin R将消声器的进出口偏置，在进出口设置穿孔管；此外消声器设计了内外两层壁，两壁之间填充大量吸声材料；Brown howard L，Mowat JR James F内部采用迷宫式的设计方法，充分考虑了消声器内板可蒙皮的结合处的分析，运用卷接方法减少漏气，在消声器加工工艺上有了新的突破。至今，日本、欧美消声器设计方面专利有10 000多项。国内消声器的设计也颇受重视，70年代至今，出现了5 000多项消声器设计专利。

我国从20世纪70年代开始将正交设计法应用于汽车消声器的参数设计，取得了良好的效果。随着人工智能的出现，专家系统（Expert Systems，ES）不断的发展，Schank和Abelson1977年出版的《Scripts,Plans,Goals and Understanding: an Inquiry into Human Knowledge Structure s》，提出了案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）基本思想。2008年，王国明、贺岩松综合运用MATLAB、UG、VC++等工具构建了摩托车消声器集成设计分析系统；2010年，李平、李以农利用Visual Basic、Matlab和Setup Factory软件开发了一套摩托车排气消声器声学性能预测软件；2011年，李沛然、邓兆祥提出了消声器设计案例相似度综合评判方法，解决了案例推理和规则推理在消声器设计中的应用难题；同年，向飞根据CBR的推理过程提出了基于CBR的排气消声器快速设计思路和流程，建立了实例数据库。

汽车消声器设计在经历了以选型设计、经验设计为主的过程后，将逐渐由过去单纯的经验设计转向经验设计与计算机辅助工程（CAE）分析相结合、辅以先进的测试手段的设计。部分企业尝试利用AVL Boost、GT-Power、LMS Sysnoise、基于四端子网络的软件等工具建立消声器性能计算模型进行排气系统结构设计；然后利用AVL、LMS或B&K公司的检测设备进行消声器性能检测。总之，消声器的设计趋于简洁化、批量化、信息化、智能化，从追求单项指标最优到整车系统噪声、振动与声振粗糙度最优。

4 我国汽车排气消声器的的研究现状及发展

我国对汽车排气消声器的研究与国际水平相比有一定的差距。造成这种差距的主要原因如下：一是我国汽车产业发展相对滞后；二是声学和流体力学相关理论的发展缓慢；三是缺少相应的声学和流体分析工具，同时由于计算机技术的限制，对于复杂的消声器系统，以前大都只能进行二维分析，与实际相差较大；四是试验技术落后，试验误差很大，试验结果不可信。由于分析和试验不能有效结合，致使较长一段时间内消声器的设计仅仅依靠经验，消声器的发展相对缓慢。

我国在消声器的设计和应用中，最早出现的是风机消声器。20世纪60年代虽然也开展过一些消声器的设计研究工作，但基本上局限于通风与空调系统的配用消声器，直到20世纪80年代各种大量的工业风机配用消声器的试验研究才得到重视和发展，并在工业噪声控制工程中得到运用，同时汽车用消声器的研究也随之开展。在意识到噪声给生产和生活带来的种种负面影响后，我国先后出台了一系列的法规和标准来控制。之后我国对内燃机的噪声控制极为重视，并将其列为“十五”期间优先发展的关键技术之一。消声器研究在我国也得到了相当的重视，清华大学、重庆大学、吉林大学、华中科技大学、西安交通大学、南京大学和哈尔滨工程大学等高校都在开展相关的研究工作。

目前我国消声器研究已经趋于多元化，分析方法、材料、加工工艺都有所发展。有限元分析方法已经能够进行复杂声腔的三维分析；清华大学的刘静[1]、卢文强等人将双倒易边界元方法应用于生物传热分析，同济大学的王文青等应用双倒易边界元方法在对准静态耦合热弹性问题作了详细分析[2]。2007年王雪仁、季振林开展了快速多极子边界元法（静态介质内部声学问题）和双倒易边界元法（较高马赫数亚音速流时内部声学问题）研究[3]，并且应用到船用柴油机的声学性能预测。基于有源消声理论，邵颖丽、武佩应用反相对冲柴油机排气消声器实现降噪。方建华、周以齐则基于计算流体动力学方法，对消声器进行了温度、流速等条件下的性能分析，得到了各指标之间的数学关系，为消声器设计提供理论依据；邓兆祥等则对气流再生噪声进行了详细的理论分析和试验验证，提出相应的解决方案。此外还有众多学者对穿孔元件、排气噪声声音品质、形状尺寸对消声性能的影响、消声器设计的专家系统等方面进行了详细的研究，也取得了一定的研究成果。消声器的生产工艺也有很大的提高，韩璐、韩英淳[4]将人工神经网络技术应用于冲压件成形性分析及工艺参数优化；小孔喷注和微穿孔板吸声结构已经成功结合于抗阻型消声器；消声器吸声材料由传统纤维类逐渐地发展到泡沫类和颗粒类[5]，其中颗粒类的多孔陶质材料得到了空前的发展。

总之，我国消声器的研究发展迅速并且与实际应用结合紧密，大批大消声器研究成果和发明专利问世。但是为了符合不断提高的环保标准和满足汽车发展需求，消声器的分析还需要更加深入。我国消声器的研究要将发动机、整车有效的结合；要在卷接缝合的基础上发展新的低成本的接合技术，保证强度和密封；消声器也将趋于发展自适应控制、人工智能等先进的消声控制方法。

5 消声器的研究展望

由于汽车技术的不断发展，对消声器减振降噪的标准也越来越高，从而需要对消声器进行更全面、更精确的研究。a.在高温、高流速条件下对消声器的研究理论和试验研究还不够成熟，还有很大的发展空间；b.在流固耦合、声固耦合、声模态、声辐射模态等方面的研究还比较少，而这些因素在很大程度上影响我们对消声器实际消声性能的判断，有待深入研究；c.有源消声在执行器材料（如压电材料、电流变或磁流变材料等）、控制器算法、有源消声系统专用的单片式集成控制系统，将消声器的设计系统和消声系统集成，高度的信息化；d.消声器的本体材料、吸声材料等新型材料的研究也是今后研究的重点；e.消声器的减振降噪和整车系统噪声、振动与声振粗糙度的有效结合，实现整车系统性能最优是其追求的目标。