基于声品质提升的汽车消声器结构研究

摘要：研究的目的在于通过利用多孔管，膨胀腔的消声特性解决在满足基本消声性能前提下声品质不佳的问题，提升消声器的主观感受声品质，其对整车的乘员舒适性改进有较明显的效果，对消声手段的应用有现实的指导意义。通过具体的实例来说明消声元件的消声结构和能达到的消声效果之间的主客观数据对应关系，在解决排气噪声问题的同时能够尽量提升声品质并基于此改进思路设计合理的子零件结构提供了参考借鉴。

引言

排气系统连接发动机排气端，其主要功能为发动机尾气排放，降低发动机尾气排放噪声和发动机传递的振动。排气系统由发动机舱前端延伸到车辆尾部，系统总长接近整车长度，其边界涵盖动力和底盘的众多零件，布置空间受到极大的限制，尤其是前置后驱乘用汽车，随着传动轴和主减速器的加入占据空间更大。对于同一平台前置后驱车型，新匹配大排量大功率发动机，需要增加消声器容积和管径，占用空间更大，新匹配独立悬挂，尾管走向空间受限，导致排气系统布置差别大，安装点位置和尾管走向不同，子零件平台化较差；对于单自由度消声器悬挂胶，在主消重力方向布置，由于主消质量较大，运动惯性力大，排气系统左右方向自由度限制不足，排气系统左右运动位移量大，容易导致排气系统与周边零件运动间隙不足，产生干涉异响问题；对于消声器容积与发动机功率比不足0.25的情况，若采用常规管径偏小的尾管，会使得排气尾管气流噪声偏大，导致排气系统NVH品质较差，并且使得感知质量不够厚实。因此消声器消声包的结构设计非常关键，消声包本身的消声容积，消声包内部消声结构的选择，消声腔的划分，隔板的布置，消声孔的应用等都关系到消声器的消声效果，本文的重点研究是比较消声器内部结构的不同对消声性能及消声品质的贡献，为今后的消声包设计提供技术参考。排气系统外观示意图如图1。

图1 排气系统图示前置前驱车型排气系统的经典布置如图1，设置两个消声包，前消声包在前，后消声包在后，降低发动机的排气噪声，并针对性的降低由排气系统引起的车内噪声。

1 消声结构的原理与应用

消声结构经过很多年的发展目前有很多种类，它们的消声特性各有不同，大部分常用的消声结构如谐振腔、穿孔板等几乎在所有的消声结构中都能发现有所应用，其消声特性也为大部分调音工程师所熟知，本文重点介绍两类消音结构，即小孔消音器和微孔板。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，喷气噪声的频谱会向高频或超高频移动，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。

图2 阻抗复合式消声器示意图微孔板是在板厚小于1.0 mm的薄板上穿以孔径小于等于1.0 mm的微孔，穿孔率为1%～5%，后部留有一定的厚度(5～20 cm)空气层，该层不填任何吸声材料，这样即构成了微穿孔板吸声结构。这是一种低声质量、高声阻的共振吸声结构，由于微穿孔板的孔径小，基声阻比普通穿孔板大很多且声质量小，故吸声频带比普通穿孔板共振吸声结构大很多，一般性能较好的单层或双层微穿孔板吸声结构的吸声频带宽度可以达到6～10个1/3倍频程以上。在实际工程中为了扩大吸声频带的宽度，往往采用不同孔径、不同穿孔率的双层或多层微穿孔板复合结构。在实际应用过程中，不论是低频，中频，高频消声性能实测值通常要好于理论计算值，且消声量与流速有关，与消声器温升无关，当流速达到70 m/s时，一般其他类型的消声器已无法解决噪声问题，而微孔型消声器可承受70 m/s气流速度的冲击，并且仍然有15 dBA以上的消声量，这也是微孔消声器优于一般消声器的一个重要特点。

2 声品质评价指标

目前普遍使用响度、尖锐度、粗糙度等指标评价整车的声品质，并采用传递损失和插入损失来评估所采用的消声结构的消声性能。①响度。对声音大小的感受，响度能直接反映用户对于声音强弱的感受。响度不但受声音大小的影响，还受到掩蔽效应的影响。掩蔽效应的具体表现为本可以听到较低的声音会被一个同时存在的声压级较高的声音遮蔽。②尖锐度。尖锐度一般情况下能够描述声音样本的刺耳程度。一般来讲，声音的高频成分占比越大，尖锐度也就越大，声音的尖锐度是影响声品质的重要因素。③粗糙度。粗糙度指用户对声音大小瞬时变化造成的起伏的感受，一般来说，声音的大小变化越频繁，粗糙度就越大。声品质提升是排气系统调音工作中一项很重要的内容，实际工作中由于噪声源的复杂性，即排气噪声的组成是与发动机转速相关的离散频率噪声和宽频流体噪声组成的，因此必须针对特定频率或频段设计合理的消声器。通过引入传递损失和插入损失的概念来评价针对特定频率的消声结构的消声效果。传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性，它只与自身的结构有关，它是消声器声学性能的一个重要特征参数，其数值可以作为消声器消声性能的评价标准，通常传递损失的值越大，消声器的消声性能也越好。

图3 传递损失测量示意图插入损失反映了使用消声器的实际降噪效果，不仅与消声器有关，还与声源特性、消声器末端阻抗有关。具体的测量方法如图4和图5所示，首先在声源之后连接一段直管，用麦克风测量其声功率LW1，再将拟采用的消声原件接入系统中，并在系统末端测量其声功率LW2，测得两者的差值就是该消声元件所能得到的消声能力。

图4 没有安装消音元件系统测量声功率

图5 安装消音元件测量声功率④消声频率范围。仅知道消声器的总消声量是不够的，还必须了解消声器的频率特性，即在各频率或频带上的消声量。一般以倍频程和1/3倍频程来表示消声器的频率特性。而消声频率范围就是指消声量显著的频率或频带。一般要求所消声的有效频带范围越宽越好，人敏感的频率范围应有足够的消声量。实际工作中对声品质的评价往往是比较综合的，在排气消声器应用一系列的消声元件消声，并通过传递损失和插入损失定量的看到其消声效果的同时必须同时要比较消声后声音的响度、尖锐度等，看是否能给客户带来比较舒服的声音效果。

3 消声元件的实际消声效果

以下我们以某车型汽车消声器噪声问题解决为例来比较不同的消声元件即阻性消声、抗性消声和阻抗复合型消声带来的不同消声效果。其消声的原理都是利用声波干涉，一般可分为吸收和反射两种基本的消声方式。吸收式的消声器通过废气在玻璃纤维等吸音材料上的摩擦而减少其能量，反射式消声器则有多个串联的消音腔和不同长度的多孔反射管相互连接在一起，废气在其中经过多次反射，碰撞，而减轻其能量。本次采用的调音手段综合采用了以上两种消音手段来进行消声降噪控制。基础排气消声器，包括外壳体、进气管、通气管和出气管；外壳体的内部具有依次设置且连通的第一腔室、第二腔室和第三腔室；进气管插入外壳体的第二腔室中，且用于使将发动机废气流入第二腔室中；通气管设置于外壳体内，且用于连通第一腔室与第三腔室；出气管设置于外壳体内，且用于连通第一腔室与位于外壳体外的排气尾管。本次对汽车排气消声器的比较主要有两点：①阻性消声的应用，在基础消声器的基础上在各消音腔内部增加吸音棉；②抗性消声的应用，在基础消声器的基础上增加打孔管外增加膨胀腔的方式以增加消声包在宽频带范围内对中低频噪声的衰减；③通过合理结构设计，使尾气在传递过程中消耗更多声能量，从而降低排气中的中低频噪声，又能抑制气流摩擦噪声，避免高频噪声的产生，提高了降噪效果。

图6 前消声器结构前消声器作为基础消声元件，在满足基础消声量的前提下，本次调音比较保持前消声器状态恒定。后消声器基础结构如图7所示，由进气管、出气管、隔板等元件组成，在此基础上我们分别做3点改进，以验证不同元件的消声效果(图8)。

图7 后消声器基础结构

图8 变更后的后消声器结构①在基础消声器基础上在各腔室内增加消音棉，形成阻性消声；②在基础消声器基础上在第二消声腔内进气管上增加一排消声孔，在第三消声腔内增加消声孔和膨胀腔结构；③在基础消声器基础上加长尾管。三档全油门尾管口噪声，通过实验室实测数据如图9、图10。

图9 总声压级噪声曲线图

图10 阶次噪声曲线图怠速尾管口噪声，通过实验室实测数据如图11、图12。

图11 关空调时怠速尾管噪声

图12 开空调时怠速尾管噪声从总声压级曲线和阶次噪声曲线可以看出，基础消声器曲线无论在低频还是中高频测得的声压级都较高，依次填加消声元件后声压级逐渐降低，比较怠速尾管口噪声在50～1000 Hz宽频带范围效果也非常明显。

4 总结

本文从消声器和消声元件的消声特性出发，以实际工作中碰到的调音实例为研究对象，通过实测三档全油门尾管口噪声的总声压级和阶次噪声值比较增加相应的消声元件后所能达到的消声效果，通过数据说明多孔管、膨胀腔等消音结构在尾管口声压级改善尤其在中高频段有较好的效果，得出的结论对今后的调音实践工作也有较强的借鉴意义。汽车排气消声器一般可以较好的完成基本的消音降噪，使得整车的排气噪音符合要求，也能达到整车通过噪声的要求，但是要想获得不错的声品质，往往要付出较大努力，除了掌握各种消音元件的消声特性外，也要能熟练应用各种消音降噪元件改善声品质，因此以往的调音经验对调音工作有重大借鉴意义。总之，通过对消声器结构的研究，总结出了消声器结构与声音阶次、传递损失之间的关系，使得期望声音工程化成为可能。通过声音品质的研究，找出了声品质与声音频率、阶次分布的规律，为调制出期望的声音奠定了基础。通过对消声器结构的优化设计，显著改善加速工况的排气声品质，提升了客户和消费者对整个NVH性能的满意度。