消声器

消声器概述：一辆行驶着的汽车会发出多种噪声，按它们发声来源的不同，可分为气流噪声、燃烧声、金属冲击摩擦和振动噪声等。

在汽车的各种噪声中，发动机排气噪声是一种特别高的噪声。

近年来，随着对汽车噪声控制要求的提高，汽车排气消声器的设计逐步得到了重视，然而国内对排气消声器的设计和消声特性的研究大都还停留在摸索阶段，主要依靠经验或者对国外的同类产品进行仿制；其排气消声器的消声性能难以达到满意的效果。

而汽车排气消声器设计的好坏则对汽车乘座的舒适性和动力性有很大的影响以工程课题为背景，利用实验研究和计算机仿真技术，对某一车型的排气消声器进行了改进设计，探讨消声器结构设计的一些方法和手段。

消声器是汽车内燃机排气系统中广泛采用的消声装置，研究开发具有良好性能的消声器，一直成为噪声控制工程中一项重要课题。

按照以往的经验或少量简单计算公式，已不能满足设计要求，而发展消声器的理论显得愈来愈重要。

只有良好的理论模型，才能优化消声器的设计。

消声器研究的发展过程消声器的理论研究具有很长的历史。

最初是采用声学滤波器的理论来研究抗性消声器，主要采用集中参数单元近似消声器单元，它仅在声波波长远大于消声器尺寸时才成立。

这一声学滤波器理论后来被进一步发展并得到应用。

20世纪五十年代以后，发展了用一维波动方程，利用在截面突变处声压和体积速度的连续性条件，计算了单级和多级膨胀腔和旁支共振腔。

Igarashi等人利用等效电路方法计算了消声器的传递矩阵。

根据电路中的四端网络原理，每个消声器单元的声传递特性用四极参数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单元的四级参数矩阵的乘积来确定c71。

这种消声器声学性能的分析方法简便、实用在无平均流、无温度梯度的情况下，在平面波范围内能给出较为满意的结果。

将之用于实际的内燃机排气系统，这种方法仍表现了较大的误差。

但就这种方法本身而言，却为排气消声系统声学性能分析开创了一条新路，提出了以四极参数为基础的传递矩阵法。

七十年代中期以前，消声器理论研究只限于基本消声元件。

Munjal分析了具有内插管膨胀腔的声学特性，Sullivan，Jayarman和Munjal等人分析了穿孔管消声器元件的四极参数及声学特性，在他们的研究中考虑了流速的影响。

Peat等从流体力学的基本方程出发，导出了直管段的四极参数表达式；他们对直管段的四极参数和简单膨胀腔的插入损失进行了计算，与取平均温度时相应的计算结果比较表明，四极参数的差别是明显的，而插入损失的差别很小。

Peat由此得出结论：当需要考虑排气系统的温度变化时，可以使用一系列定常温度单元，与使用相似的一系列线性温度梯度单元相比没有明显的精度损失。

以上是基于平面波理论的一维近似分析方法，当频率较低时，对于管道或截面较小而长度较大的膨胀腔消声器，其内部近似为一维平面波传播，这时，一维理论的分析方法是合适的。

但当频率较高时，消声器内部出现高次模式波，尤其是对大型消声器，其截止频率低，在较低的频率下就出现高次模式波，这时一维理论不再适用，应采取更加精确的二维或三维理论进行分析。

八十年代，Jeong-Guon和lhByung-HoLee，从理论上研究了具有均匀流条件的简单膨胀腔的圆形管道中的多维声传播，把解析结果和实验结果进行了比较，认为二者相符的很好。

虽然他们考虑了包括周向模式在内的所有高次模式波，但仅限于对称的圆管道。

八十年代后期，M．L．Munjal对管道消声理论作了一个总结，并对后来的消声器设计起到了很大的影响。

2汽车噪声的分类为了有效地控制汽车噪声，首先必须确定汽车的各类噪声源及其产生的机理。

汽车噪声可划分为车内噪声和车外噪声。

车内噪声是指汽车车厢内存在的噪声。

车内噪声极易使乘客感到疲劳，对汽车的舒适性有着重要的影响。

根据声源性质不同，汽车噪声可划分为发动机燃烧噪声、空气动力性噪声、机构噪声以及结构噪声。

发动机燃烧噪声：发动机缸内燃烧过程直接产生的噪声。

空气动力性噪声：气体流动过程产生的噪声，包括进气噪声、排气噪声、风扇噪声和空气流过汽车结构表面或孔道时产生的噪声等。

机构噪声：汽车中机构运动的不平稳、摩擦、惯性冲击和不平衡等引起的噪声。

结构噪声：汽车中的各种结构受激励产生振动而辐射的噪声，如罩、壳类零件、车身壁板等的噪声。

图1 车内噪声声源分解汽车的噪声特性汽车排气噪声主要由周期性排气噪声、端流噪声和空气柱共振噪声组成。

对于一些单缸发动机，气缸和排气管所组成的共振噪声是最主要的噪声源。

由于发动机飞排气门周期性地开启和关闭而产生的周期性压力所激发的噪声称周期性排气噪声，他是排气噪声中最主要的成分。

如果采用窄带频谱仪分析排气噪声，在低频范围所观察到的一些突出的简谐成分即是周期性排气噪声。

周期性排气噪声的峰值频率为 τ60i N k f k ∙= 式中k ——谐波次数，k=123.....;N ——发动机转速，r/min ；i ——汽缸数；τ——冲程系数，对四冲程发动机τ=2，对二冲程发动机τ=1湍流噪声是由高速气流通过排气门和排气管道时产生的，一般为1000Hz 以上的连续性高频噪声，排气系统（包括排气消声器）一般包含有一定数量的两端开放和一端开放的管，早排气噪声的激发下，他们还可以产生一些共振噪声。

对单缸发动机，实验表明，由气缸和排气管产生的亥姆霍兹共振噪声则是排气噪声的主要成分。

下图是一个典型的茶友记牌器噪声频谱。

该气缸共振噪声的频率为)2/(220a l V a c f h πππ+= 式中c ——排气系统中的声速；a ——排气管半径；h V ——气缸容积；l ——排气管长度。

汽车排气噪声的声级哈发动机设计参数、符合等有密切关系。

下图给出了四种典型汽车发动机的噪声和传递等级消声器原理汽车消音器的原理就是其排气管是由两个长度不同的管道构成，这两个管道先分汽车消声器开再交汇。

由于两个管道的的长度差值等于汽车所发出的声波的波长的一半，使得两列声波在叠加时发生干涉时相互抵消而减弱声强，使声音减小，从而起到消音的效果。

阻性消声器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。

把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。

当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。

阻性消声器就好象电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。

因此，人们就把这种消声器称为阻性消声器。

阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。

抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的，好象是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。

小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。

与电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。

当包含有各种频率成分的声波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔．只能在小室中来回反射，因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。

选取适当的管和室进行组合．就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。

抗性消声器适用于消除中、低频噪声。

把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了阻抗复合式消声器。

微穿孔板消声器一般是用厚度小于1mm的纯金属薄板制作，在薄板上用孔径小于1mm的钻头穿孔，穿孔率为1%一3%。

选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消声器的频谱性能，使其在需要的频率范围内获得良好的消声效果。

小孔消声器的结构是一根末端封闭的直管，管壁上钻有很多小孔。

小孔消声器的原理是以喷气噪声的频谱为依据的，如果保持喷口的总面积不变而用很多小喷口来代替，当气流经过小孔时、喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频，使频谱中的可听声成分明显降低，从而减少对人的干扰和伤害。

有源消声器的基本原理是在原来的声场中，利用电子设备再产生一个与原来的声压大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消。

这种消声器是一套仪器装置，主要由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成。

二、排气消声器的分类和结构按消声器的消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器三类。

阻性消声器：是利用在管道内适当地布置吸声材料，部分地吸收管道中传播的声能，类似电路中电阻的作用。

当噪声沿消声器管道传播时，声波就“分散”到多孔的牺牲材料里，激发多空材料中无数小孔内的空气介质振动：由于摩擦和粘滞作用，将部分声能转变为热能好散掉，从而达到消声的目的，因为吸声材料的吸声特性是低频差，中高频好，所以阻性消声器的忠告频消声性能好。

缺点是在高温，水蒸气以及对吸声材料有腐蚀作用的气体中，使用寿命短，对低频噪声效果差，还有一个很大的弊端就是功率损失过大。

阻性消声器消声量计算公式（彼洛夫公式）：SL P(a0) L⨯⨯=∆ψ式中：ψ(a0)为声器系数。

与阻性材料正入射系数有关P为气流通断面周长L为消声器有效长度S为气流通断面体积阻性消声器的形式实体图抗性消声器：是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔的适当组合，造成声波在系统中传播时阻抗失配，使声波在管道和共震腔内发生反射或干涉，从而降低了它输出的声能。

由于它的消声效果随频率而变化，故又称声学滤波器。

抗性消声器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，而汽车拖拉机排气噪声具有明显的中低频特性，因此在汽车拖拉机中得到广泛应用。

同时，这类消声器一般都是群经书结构，其构造简单、耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击、不会被废弃中的炭灰微粒堵塞、成本低且寿命长。

为了弥补其高频消声效果差的缺陷，常常采用多级组合加上穿孔板等高频消声好的结构，组成宽频带的消声器。

抗性消声器最基本的结构有以下几种形式：1）、扩张式扩张式消声器也称为膨胀腔，他的消声原理主要有两点。

其一是利用管道的截面突变引起阻抗发生变化，使沿管道传播的声波朝生源方向反社会去；其二是通过改变扩张室和内室接管长度，是千金的声波与管子不同界面上的反射波之间的相位差相差180°，发生干涉而相互抵消，从而达到消声的目的。

2）、共振式共振式消声器是一种通过开孔与亥姆霍兹共振腔相连而成的结构。

当声波沿着主管道中传播时，声波传到共振腔的小孔交叉点出，由于声阻抗突变，使部分声能反社会去，还有一部分声能传入小孔和共振腔，由于亥姆霍兹共振腔的圣祖、声质量、声容得损耗作用，消耗一部分声能，从而达到消声的目的。

共振腔与主管道的链接处起质量作用，共振腔气弹簧作用。

3）、干涉式干涉式消声器的原理是将同一频率的声波分成记录传播，使旁支管的长度与主管的长度相差半波长的奇数倍，当两只分流在汇合处相遇时，香味正好相反，波峰相消，达到消声目的。

阻抗复合式消声器是把阻性和抗性消声器结合起来，故从低频、中频到高频均具有良好的消声效果。