汽车排气消声器优化系统研究

任正芳 张新明

摘  要：随着驾乘人员对驾乘舒适度、操控性的不断提升，汽车生产企业对汽车消声器性能指标提出了更高的要求，因此进一步优化消声器内部结构是提升汽车排气消声器性能指标重要途径。

关键词：排气消声器;优化措施

一、乘用车噪声污染和控制研究现状

我国城市噪声污染主要来源于城市交通噪声。城市交通噪声大约占城市环境噪声的60%～70%，受交通噪声污染的城市面积占总面积的30%～40%。而汽车噪声又是交通噪声重要组成部分且份额最大。噪声引起听力损伤大量调查研究发现：噪声危害人的听力，轻则高频听阈损伤，中则耳聋，重则耳 鼓膜破裂。同时还发现，噪声对人听力损害的程度，与噪声的形式、强度、频率及暴 露的时间密切相关。噪声级在80dB（A）以下，可以保证人长期工作不致耳聋;60 dB 以下，可以保证人正常的工作和学习。如果一个人较长时间停留在强烈噪声环境中而未采取任何有效防护措施，将会引起听力显著下降，严重者会造成听觉损伤甚至耳聋。城镇化建设步伐的加快及现代化工业发展，城市噪声污染状况已不容乐观。因此，为让人们生活的更加安宁、舒适，研究如何减少这种危害就成了刻不容缓的事情。

二、汽车排气消声器测试分析

1、测试系统

本试验以 GB /T 475921995在发动机台架上进行测试，发动机型号为 QC480Q直列、四缸、四冲程、水冷、发动机，发动机排量 1. 5 L。排气噪声测量点布置在与排气管出口轴线成 45°角，距离 0. 5 m处，传声器指向排气口。排气噪声由传声器拾取，声信号经抗混滤波器滤波、放大，由数据采集卡采集，进入计算机进行处理。排气背压由 U形管压差计测定，而发动机输出的功率则由测功器测定。为了防止废气气流冲击和废气对传声器的腐烛，试验时传声器戴防风罩，在测量前后及中途使用标准噪声源对传声器进行校准，控制误差 ≤0. 2 dB。为保证试验数据的准确性，发动机转速误差控制在≤ ±5 r/min，同时保证水温、油温稳定。

2、背景噪声的隔离

排气噪声比发动机噪声（排气噪声除外）高 15dB（A），配套的消声器的消声量一般在 20 dB（A）左右，也就是说安装消声器后排气噪声已不在是发动机的主要噪声源。本试验在普通的发动机台架室进行，也就是说不进行处理，背景噪声（发动机噪声）将高于排气噪声使整个试验无法进行。为此，设计了一个隔声室。经隔声处理后，背景噪声已有102dB（A），降至 80dB（A），降低 20dB（A）。

3、测试结果及分析

本次试验测量了发动机在全负荷额定功率转速下的空管、带消声器的排气噪声谱，排气噪声谱IL =L空管 - L带消声器= 119. 8 - 102. 19 =17. 61 [dB（A）]

设在排气管出口距离 r1处测得的排气噪声，其声压级为 Lp1，声源的声功率级为 Lw1，则Lw1= LP1 + 10lg4 π r21

同样在距离 r2处测得允许其声压级为 Lp2，声功率级为 Lw2，则 Lw2= LP2 + 10lg2 π r22

由于距离不同，同一声源的声压级也不同，但声功率级却是不变的。因此也可以得到，在距离 r1处允许的声压级Lp3 = LP2 + 10lgr222r21（4）当然，消声器所需的消声量可以写为ΔL = Lp1- Lp3（5）该消声器用于微卡，依据 GB 1495 - 2002，该型车的加速噪声限值为 Lp2= 76 dB（A）（测点 r2 = 7. 5m）。因此有必要对该消声器作进一步改进设计。

三、消声器的研究和设计方法

1、科技的进步带动了各行业的迅速发展，消声器的研究设计方法也一样，从最初的手工分析法，不断的发展为现在的计算机辅助设计。最初在二十世纪二十年代的早期，美国的Stewart首先提出了消声器的研究设计理论，这一理论被人们称为抗性声滤清器理论。在四十年代中期，消声器的设计中引入了数学方法，蔡超通过数学矩阵计算出了消声器的声学传递矩阵。在五十年代中期，Davis在截面突变处声压和体积振动速度的连续性和一维波动方程的理论基础上，分析计算得出了膨胀腔和侧支共振的特性。到了五十年代的后期，Igarashi在研究设计中引入了四端网络原理，他利用等效电路法，研究出消声器的传递特性，并利用四级参数矩阵的形式加以表示。经过十几年的不断研究、总结和创新，消声器的设计中引入了线性声波法，这类分析法在计算分析中考虑了气流的影响，又一次的提升了消声器的理论研究层面，同时也迫使试验方法的改变，从而使实验数据的精确度变得更高，与实际情况更吻合。

2、到了七十年代中期，一维平面波理论的局限性凸现出来，有限元的设计理念也开始萌生，二维和三维的分析方法也开始被应用。到了1975年，Crocker与Young，计算分析了消声器的传递损失，他们此次的分析采用了有限元的理论。后来边界元法也加入了消声器的设计中，虽然边界元法可以缩短计算的时间，但计算结果的精度不高。八十年代的三维有限元分析法已基本成熟，Prasad模拟分析了消声器的声学性能，通过试验的对比，两者基本吻合，这也意味着消声器设计方法的又一次突破。

3、从上世纪九十年开始到现在，科技的迅猛发展推动了计算机的迅速升级，同时也带动了设计软件的迅速发展。UG、AutoCAD、Ansys和HyperMesh等建模软件相继出現;SYSNOISE、GT-POWER和LMS Virtual.Lab Acoustics等分析软件的出现，为消声器的设计提供了更精确有效的仿真途径。1995年，Chao-Nan Wang与H.Luoetal利用边界元法研究了穿孔插入式消声器，并计算了该消声器的传递损失。1996年，高宗英与王诗恩通过一维波动方程分析计算了消声器的通过特性，并且此次研究考虑气流和声源的影响。到了1997年，M.L.Munjal 利用平面波法分析得出插出和插入式消声器的传递特性，同时又研究分析了侧面插出和插入式消声器。到了1998年，胡立臣在六类消声单元传递特性的基础上，创建了数学模型，以表示消声量。何天明和郑泽红在1999年优化了NJD433A柴油机的消声器，他们此次研究使用了传递矩阵法;郝民同年也建立参数较为详细的消声器模型。到了2000年，在加入气流与温度的前提下，唐永琪研究了气流的影响，此次对消声器的研究使用了三维图谱法。丁万龙在2003年研究了摩托消声器的性能，他不但使用了边界元法，通过与试验进行了对比，两者结果基本一致。目前，在消声器的设计中，建模仿真技术已被广泛应用，它不但可以大大缩短设计周期，还可以提高设计过程中的精准度。

4、消声器的材料

随着汽车行业的发展，消声器的制造材料也在不断的变化。在汽车上使用消声器的初期，消声器主要采用镀锌铝和普通钢来制造。后来汽车排放受到了限制，而发动机的性能又进一步提升，因此，抗腐蚀性强且耐高温的镀铝钢取代了之前的廉价材料，用于生产消声器。后来，人们对汽车尾气有了新的要求，三元催化器加入到了排气系统，这对消声器的材料有新的要求，不锈钢开始运用到了消声器的制造中来。目前的不锈钢有很多种类，不同的国家采用的不锈钢也有所不同，这主要由于不同国家或地区对汽车噪声级别的限制不同所造成的。

参考文献

[1]  刘鹏飞，毕传兴.汽车消声器声学特性及流场特性数值分析[J].噪声与振动控制，2009，4.

[2]  范钱旺，石玲，等.汽车排气消声器的试验研究及频谱分析[J].汽车技术，2008，7.

[3]  韦玲.4100QB发动机消声器的排气管声学特性仿真分析及试验