基于聲品質(zhì)提升的汽車消聲器結(jié)構(gòu)研究

魏小寶，何 柳

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

排氣系統(tǒng)連接發(fā)動機排氣端，其主要功能為發(fā)動機尾氣排放，降低發(fā)動機尾氣排放噪聲和發(fā)動機傳遞的振動。排氣系統(tǒng)由發(fā)動機艙前端延伸到車輛尾部，系統(tǒng)總長接近整車長度，其邊界涵蓋動力和底盤的眾多零件，布置空間受到極大的限制，尤其是前置后驅(qū)乘用汽車，隨著傳動軸和主減速器的加入占據(jù)空間更大。對于同一平臺前置后驅(qū)車型，新匹配大排量大功率發(fā)動機，需要增加消聲器容積和管徑，占用空間更大，新匹配獨立懸掛，尾管走向空間受限，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)布置差別大，安裝點位置和尾管走向不同，子零件平臺化較差；對于單自由度消聲器懸掛膠，在主消重力方向布置，由于主消質(zhì)量較大，運動慣性力大，排氣系統(tǒng)左右方向自由度限制不足，排氣系統(tǒng)左右運動位移量大，容易導(dǎo)致排氣系統(tǒng)與周邊零件運動間隙不足，產(chǎn)生干涉異響問題；對于消聲器容積與發(fā)動機功率比不足0.25的情況，若采用常規(guī)管徑偏小的尾管，會使得排氣尾管氣流噪聲偏大，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)NVH品質(zhì)較差，并且使得感知質(zhì)量不夠厚實[1]。因此消聲器消聲包的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵，消聲包本身的消聲容積，消聲包內(nèi)部消聲結(jié)構(gòu)的選擇，消聲腔的劃分，隔板的布置，消聲孔的應(yīng)用等都關(guān)系到消聲器的消聲效果，本文的重點研究是比較消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同對消聲性能及消聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)，為今后的消聲包設(shè)計提供技術(shù)參考。

排氣系統(tǒng)外觀示意圖如圖1。

前置前驅(qū)車型排氣系統(tǒng)的經(jīng)典布置如圖1，設(shè)置兩個消聲包，前消聲包在前，后消聲包在后，降低發(fā)動機的排氣噪聲，并針對性的降低由排氣系統(tǒng)引起的車內(nèi)噪聲[2]。

1 消聲結(jié)構(gòu)的原理與應(yīng)用

消聲結(jié)構(gòu)經(jīng)過很多年的發(fā)展目前有很多種類，它們的消聲特性各有不同，大部分常用的消聲結(jié)構(gòu)如諧振腔、穿孔板等幾乎在所有的消聲結(jié)構(gòu)中都能發(fā)現(xiàn)有所應(yīng)用，其消聲特性也為大部分調(diào)音工程師所熟知，本文重點介紹兩類消音結(jié)構(gòu)，即小孔消音器和微孔板。

小孔消聲器的結(jié)構(gòu)是一根末端封閉的直管，管壁上鉆有很多小孔。小孔消聲器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)的，如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時，噴氣噪聲的頻譜會向高頻或超高頻移動，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人的干擾和傷害[3]。

微孔板是在板厚小于1.0 mm的薄板上穿以孔徑小于等于1.0 mm的微孔，穿孔率為1%～5%，后部留有一定的厚度(5～20 cm)空氣層，該層不填任何吸聲材料，這樣即構(gòu)成了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。這是一種低聲質(zhì)量、高聲阻的共振吸聲結(jié)構(gòu)，由于微穿孔板的孔徑小，基聲阻比普通穿孔板大很多且聲質(zhì)量小，故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)大很多，一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度可以達(dá)到6～10個1/3倍頻程以上[4]。在實際工程中為了擴(kuò)大吸聲頻帶的寬度，往往采用不同孔徑、不同穿孔率的雙層或多層微穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用過程中，不論是低頻，中頻，高頻消聲性能實測值通常要好于理論計算值，且消聲量與流速有關(guān)，與消聲器溫升無關(guān)，當(dāng)流速達(dá)到70 m/s時，一般其他類型的消聲器已無法解決噪聲問題，而微孔型消聲器可承受70 m/s氣流速度的沖擊，并且仍然有15 dBA以上的消聲量，這也是微孔消聲器優(yōu)于一般消聲器的一個重要特點[5]。

2 聲品質(zhì)評價指標(biāo)

目前普遍使用響度、尖銳度、粗糙度等指標(biāo)評價整車的聲品質(zhì)，并采用傳遞損失和插入損失來評估所采用的消聲結(jié)構(gòu)的消聲性能。

①響度。對聲音大小的感受，響度能直接反映用戶對于聲音強弱的感受。響度不但受聲音大小的影響，還受到掩蔽效應(yīng)的影響。掩蔽效應(yīng)的具體表現(xiàn)為本可以聽到較低的聲音會被一個同時存在的聲壓級較高的聲音遮蔽。

②尖銳度。尖銳度一般情況下能夠描述聲音樣本的刺耳程度。一般來講，聲音的高頻成分占比越大，尖銳度也就越大，聲音的尖銳度是影響聲品質(zhì)的重要因素。

③粗糙度。粗糙度指用戶對聲音大小瞬時變化造成的起伏的感受，一般來說，聲音的大小變化越頻繁，粗糙度就越大[6]。

聲品質(zhì)提升是排氣系統(tǒng)調(diào)音工作中一項很重要的內(nèi)容，實際工作中由于噪聲源的復(fù)雜性，即排氣噪聲的組成是與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)的離散頻率噪聲和寬頻流體噪聲組成的，因此必須針對特定頻率或頻段設(shè)計合理的消聲器。通過引入傳遞損失和插入損失的概念來評價針對特定頻率的消聲結(jié)構(gòu)的消聲效果。

傳遞損失沒有包括聲源和管道終結(jié)端的聲學(xué)特性，它只與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，它是消聲器聲學(xué)性能的一個重要特征參數(shù)，其數(shù)值可以作為消聲器消聲性能的評價標(biāo)準(zhǔn)，通常傳遞損失的值越大，消聲器的消聲性能也越好。

插入損失反映了使用消聲器的實際降噪效果，不僅與消聲器有關(guān)，還與聲源特性、消聲器末端阻抗有關(guān)。具體的測量方法如圖4和圖5所示，首先在聲源之后連接一段直管，用麥克風(fēng)測量其聲功率LW1，再將擬采用的消聲原件接入系統(tǒng)中，并在系統(tǒng)末端測量其聲功率LW2，測得兩者的差值就是該消聲元件所能得到的消聲能力[7]。

④消聲頻率范圍。僅知道消聲器的總消聲量是不夠的，還必須了解消聲器的頻率特性，即在各頻率或頻帶上的消聲量。一般以倍頻程和1/3倍頻程來表示消聲器的頻率特性。而消聲頻率范圍就是指消聲量顯著的頻率或頻帶。一般要求所消聲的有效頻帶范圍越寬越好，人敏感的頻率范圍應(yīng)有足夠的消聲量[8]。

實際工作中對聲品質(zhì)的評價往往是比較綜合的，在排氣消聲器應(yīng)用一系列的消聲元件消聲，并通過傳遞損失和插入損失定量的看到其消聲效果的同時必須同時要比較消聲后聲音的響度、尖銳度等，看是否能給客戶帶來比較舒服的聲音效果。

3 消聲元件的實際消聲效果

以下我們以某車型汽車消聲器噪聲問題解決為例來比較不同的消聲元件即阻性消聲、抗性消聲和阻抗復(fù)合型消聲帶來的不同消聲效果。其消聲的原理都是利用聲波干涉，一般可分為吸收和反射兩種基本的消聲方式。吸收式的消聲器通過廢氣在玻璃纖維等吸音材料上的摩擦而減少其能量，反射式消聲器則有多個串聯(lián)的消音腔和不同長度的多孔反射管相互連接在一起，廢氣在其中經(jīng)過多次反射，碰撞，而減輕其能量。本次采用的調(diào)音手段綜合采用了以上兩種消音手段來進(jìn)行消聲降噪控制。

基礎(chǔ)排氣消聲器，包括外殼體、進(jìn)氣管、通氣管和出氣管；外殼體的內(nèi)部具有依次設(shè)置且連通的第一腔室、第二腔室和第三腔室；進(jìn)氣管插入外殼體的第二腔室中，且用于使將發(fā)動機廢氣流入第二腔室中；通氣管設(shè)置于外殼體內(nèi)，且用于連通第一腔室與第三腔室；出氣管設(shè)置于外殼體內(nèi)，且用于連通第一腔室與位于外殼體外的排氣尾管。本次對汽車排氣消聲器的比較主要有兩點：

①阻性消聲的應(yīng)用，在基礎(chǔ)消聲器的基礎(chǔ)上在各消音腔內(nèi)部增加吸音棉；

②抗性消聲的應(yīng)用，在基礎(chǔ)消聲器的基礎(chǔ)上增加打孔管外增加膨脹腔的方式以增加消聲包在寬頻帶范圍內(nèi)對中低頻噪聲的衰減；

③通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，使尾氣在傳遞過程中消耗更多聲能量，從而降低排氣中的中低頻噪聲，又能抑制氣流摩擦噪聲，避免高頻噪聲的產(chǎn)生，提高了降噪效果。

前消聲器作為基礎(chǔ)消聲元件，在滿足基礎(chǔ)消聲量的前提下，本次調(diào)音比較保持前消聲器狀態(tài)恒定[9]。

后消聲器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖7所示，由進(jìn)氣管、出氣管、隔板等元件組成，在此基礎(chǔ)上我們分別做3點改進(jìn)，以驗證不同元件的消聲效果(圖8)。

①在基礎(chǔ)消聲器基礎(chǔ)上在各腔室內(nèi)增加消音棉，形成阻性消聲；

②在基礎(chǔ)消聲器基礎(chǔ)上在第二消聲腔內(nèi)進(jìn)氣管上增加一排消聲孔，在第三消聲腔內(nèi)增加消聲孔和膨脹腔結(jié)構(gòu)；

③在基礎(chǔ)消聲器基礎(chǔ)上加長尾管。

三檔全油門尾管口噪聲，通過實驗室實測數(shù)據(jù)如圖9、圖10。

怠速尾管口噪聲，通過實驗室實測數(shù)據(jù)如圖11、圖12。

從總聲壓級曲線和階次噪聲曲線可以看出，基礎(chǔ)消聲器曲線無論在低頻還是中高頻測得的聲壓級都較高，依次填加消聲元件后聲壓級逐漸降低，比較怠速尾管口噪聲在50～1000 Hz寬頻帶范圍效果也非常明顯。

4 總結(jié)

本文從消聲器和消聲元件的消聲特性出發(fā)，以實際工作中碰到的調(diào)音實例為研究對象，通過實測三檔全油門尾管口噪聲的總聲壓級和階次噪聲值比較增加相應(yīng)的消聲元件后所能達(dá)到的消聲效果，通過數(shù)據(jù)說明多孔管、膨脹腔等消音結(jié)構(gòu)在尾管口聲壓級改善尤其在中高頻段有較好的效果，得出的結(jié)論對今后的調(diào)音實踐工作也有較強的借鑒意義[10]。

汽車排氣消聲器一般可以較好的完成基本的消音降噪，使得整車的排氣噪音符合要求，也能達(dá)到整車通過噪聲的要求，但是要想獲得不錯的聲品質(zhì)，往往要付出較大努力，除了掌握各種消音元件的消聲特性外，也要能熟練應(yīng)用各種消音降噪元件改善聲品質(zhì)，因此以往的調(diào)音經(jīng)驗對調(diào)音工作有重大借鑒意義。

總之，通過對消聲器結(jié)構(gòu)的研究，總結(jié)出了消聲器結(jié)構(gòu)與聲音階次、傳遞損失之間的關(guān)系，使得期望聲音工程化成為可能。通過聲音品質(zhì)的研究，找出了聲品質(zhì)與聲音頻率、階次分布的規(guī)律，為調(diào)制出期望的聲音奠定了基礎(chǔ)。通過對消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，顯著改善加速工況的排氣聲品質(zhì)，提升了客戶和消費者對整個NVH性能的滿意度。