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(dòng)機(jī)排氣端，其主要功能為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放，降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的振動(dòng)。排氣系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端延伸到車輛尾部，系統(tǒng)總長(zhǎng)接近整車長(zhǎng)度，其邊界涵蓋動(dòng)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(dòng)軸和主減速器的加入占據(jù)空間更大。對(duì)于同一平臺(tái)前置后驅(qū)車型，新匹配大排量大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，需要增加消聲器容積和管徑，占用空間更大，新匹配獨(dú)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(diǎn)位置和尾管走向不同，子零件平臺(tái)化較差；對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)位移量大，容易導(dǎo)致排氣系統(tǒng)與周邊零件運(yùn)動(dòng)間隙不足，產(chǎn)生干涉異響問(wèn)題；對(duì)于消聲器容積與發(fā)動(dòng)機(jī)功率比不足0.25的情況，若采用常規(guī)管徑偏小的尾管，會(huì)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(shí)[1]。因此消聲器消聲包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)研究是比較消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同對(duì)消聲性能及消聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)，為今后的消聲包設(shè)計(jì)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(gè)消聲包，前消聲包在前，后消聲包在后，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲，并針對(duì)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(guò)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(diǎn)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(lái)代替，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)小孔時(shí)，噴氣噪聲的頻譜會(huì)向高頻或超高頻移動(dòng)，使頻譜中的可聽(tīng)聲成分明顯降低，從而減少對(duì)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(gè)1/3倍頻程以上[4]。在實(shí)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不論是低頻，中頻，高頻消聲性能實(shí)測(cè)值通常要好于理論計(jì)算值，且消聲量與流速有關(guān)，與消聲器溫升無(wú)關(guān)，當(dāng)流速達(dá)到70 m/s時(shí)，一般其他類型的消聲器已無(wú)法解決噪聲問(wèn)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(gè)重要特點(diǎn)[5]。

2 聲品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

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

①響度。對(duì)聲音大小的感受，響度能直接反映用戶對(duì)于聲音強(qiáng)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(tīng)到較低的聲音會(huì)被一個(gè)同時(shí)存在的聲壓級(jí)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(lái)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(duì)聲音大小瞬時(shí)變化造成的起伏的感受，一般來(lái)說(shuō)，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(xiàng)很重要的內(nèi)容，實(shí)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(dòng)機(jī)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(duì)特定頻率或頻段設(shè)計(jì)合理的消聲器。通過(guò)引入傳遞損失和插入損失的概念來(lái)評(píng)價(jià)針對(duì)特定頻率的消聲結(jié)構(gòu)的消聲效果。

傳遞損失沒(méi)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(gè)重要特征參數(shù)，其數(shù)值可以作為消聲器消聲性能的評(píng)價(jià)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(shí)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(cè)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(cè)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(cè)量其聲功率LW2，測(cè)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(lái)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(shí)際工作中對(duì)聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)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(guò)傳遞損失和插入損失定量的看到其消聲效果的同時(shí)必須同時(shí)要比較消聲后聲音的響度、尖銳度等，看是否能給客戶帶來(lái)比較舒服的聲音效果。

3 消聲元件的實(shí)際消聲效果

以下我們以某車型汽車消聲器噪聲問(wèn)題解決為例來(lái)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(lái)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(guò)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(gè)串聯(lián)的消音腔和不同長(zhǎng)度的多孔反射管相互連接在一起，廢氣在其中經(jīng)過(guò)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(lái)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(dòng)機(jī)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(duì)汽車排氣消聲器的比較主要有兩點(diǎn)：

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(duì)中低頻噪聲的衰減；

③通過(guò)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使尾氣在傳遞過(guò)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(diǎn)改進(jìn)，以驗(yàn)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(zhǎng)尾管。

三檔全油門尾管口噪聲，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9、圖10。

怠速尾管口噪聲，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖11、圖12。

從總聲壓級(jí)曲線和階次噪聲曲線可以看出，基礎(chǔ)消聲器曲線無(wú)論在低頻還是中高頻測(cè)得的聲壓級(jí)都較高，依次填加消聲元件后聲壓級(jí)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(shí)際工作中碰到的調(diào)音實(shí)例為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)三檔全油門尾管口噪聲的總聲壓級(jí)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(guò)數(shù)據(jù)說(shuō)明多孔管、膨脹腔等消音結(jié)構(gòu)在尾管口聲壓級(jí)改善尤其在中高頻段有較好的效果，得出的結(jié)論對(duì)今后的調(diào)音實(shí)踐工作也有較強(qiáng)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(guò)噪聲的要求，但是要想獲得不錯(cuò)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(yàn)對(duì)調(diào)音工作有重大借鑒意義。

總之，通過(guò)對(duì)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(guò)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(guò)對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著改善加速工況的排氣聲品質(zhì)，提升了客戶和消費(fèi)者對(duì)整個(gè)NVH性能的滿意度。