汽车排气声浪与共振解析

本文主要介绍排气系统的声音调节功能。本篇所需要用到的物理知识更多，因此理解起来会更难，读者若能坚持读完，对排气声浪的理解是大有裨益的。

在这之前，我们需要对声音做个简单的介绍。声音的三大要素是：声源、传播和接收。传播靠的是媒质，例如空气、水和钢管等物质，声源是激发媒质振动的物体，例如排气声浪是发动机排出尾气，尾气在排气管内振动而产生的，而人耳是一种接收装置。媒质振动会产生分子的稀疏区和稠密区，这就是常说的声波（和水波类似）。相邻的分子稠密区（或稀疏区）距离的长短决定了声波的频率，此距离越长，声音频率越低（低音），此距离越短，声音频率越高（高音）。排气声浪中和发动机相关的声波频率一般不超过1000赫兹，其中低于100赫兹的部分可认为是低音，100至300赫兹可认为是中音，高于300赫兹属于高音，这和正常的音乐低中高音划分是不一样的。声音的大小用分贝来表示，正常讲话的声音大约为60~70分贝，F1赛车的声音可达100~110分贝。



排气声浪是如何产生的？

首先来了解发动机是如何工作的，常见的4冲程发动机有4个工作环节：“1-进气”、“2-压缩”、“3-点火”和“4-排气”，相邻的两次排气过程中间间隔着另外3个工作环节，所以排气管内的气体压力是不连续的，而不连续的气体压力产生导致了气体分子的稀疏区和稠密区，这和前面讲到的声音产生机理一样，排气声浪就是这样由发动机尾气周期性排出产生的。



排气声浪有什么特点？

排气声浪分为两部分，一部分是和发动机周期性旋转相关的，称为阶次声，另一部分是尾气流动然后排放到空气中产生的咝咝声，称为气流声，改装排气追求的迷人声浪均为阶次声。为了突出阶次声，需要降低气流声，通常采取的办法是使用吸音棉吸声和将排气尾管加粗，降低尾气的流动速度，从而降低气流声。

阶次声又可分为很多部分，根据发动机缸数的不同，阶次声名称也不同，如4缸机对应的为2阶、4阶和6阶等，6缸机分为3阶、6阶和9阶等。专业的排气声浪设计通常会将排气声通过专业设备录下来并进行分析，得到彩色频谱图。以某4缸机排气声浪彩色频谱图为例，蓝色代表声音小，红色代表声音大，横轴方向为声音频率，纵轴方向为发动机转速。图中黄色的斑点为气流声，例如1200至1500赫兹的排气声浪频段均为气流声。图中50至450赫兹区间的一条条斜线代表的是阶次声。第一条明显的斜线为2阶阶次声，第二条为4阶，依此类推。通常来讲，声音低沉有力的排气声浪，其能量集中在前两阶（即2阶和4阶）。声音高亢清脆的排气声浪则集中在更高阶次（6，8，10，12阶甚至更高）。



以宝马335i的排气改装为例，其搭载的是6缸3.0T的发动机，所以主要的阶次声为3阶，频率集中在300Hz附近，可以看到天蝎排气和原厂排气的区别在于天蝎的3阶阶次声比原厂的要大，另外天蝎的其他阶次声也比原厂的更为清晰。从图中3阶阶次声的错位位置也可以判断出换挡时间点。读者可以结合视频中的排气声浪来辅助理解。



如何对排气声浪进行调节？

众所周知，排气声浪的调节主要靠消声器来完成。按工作原理来划分，消声器可分为阻性、抗性和复合型。阻性消声器的工作原理为利用吸音棉吸收声音，常见于中段消声器和尾段直排消声器，阻性消声器主要工作于中高频。抗性消声器利用管路打孔和管路断开等方式造成结构不连续，声音在这些不连续的结构处被反射回去，从而达到降低声音的目的，抗性消声器主要工作于中低频。复合型消声器为阻性和抗性消声器的结合体，可实现全频率段降噪，例如图中的内回压型S鼓和原厂消声器一般为复合型消声器。在消声器设计过程中，工程师根据发动机排气未安装消声器之前的声音特点，利用专业软件设计消声器内部结构来降低不需要的声音频段，从而实现对排气声浪的调节。大多数人常把气流和声音混为一谈，认为改变气流走向就能改变声音，这是不完全正确的。举个最简单的例子，对于如图所示的阻性消声器，气流由于吸音棉的阻挡作用，大部分沿着内管流动，而一部分声音则可以轻松地通过内管上的孔穿透至吸音棉被吸收。如果将阻性消声器的外壳直径加大到足够大，此时气流走向依然保持沿内管流动，但是基本上所有声音会被吸音棉吸收掉，所以即使是直排，也不会产生炸街一样的响声。



什么是排气共振？如何消除排气共振？

经常看到网友说改装了排气之后产生共振。那究竟什么是共振呢？排气共振分为两种，一种是声音上的共振（也叫共鸣），一种是振动上的共振。这部分知识较为理论，比较晦涩难懂一些，要看懂需要一定的数理知识和足够的耐心。首先来讲振动上的共振，排气管的振动是由发动机运转产生的振动引起的，通常在三元催化器之后和排气中段之前安装波纹管来降低传递到中尾段的振动，这种波纹管相当于一个弹簧减震系统。经过合理设计的波纹管可以衰减掉大部分沿排气管传播的振动，但仍有部分剩余的振动将继续沿排气管传播。



物理课上我们学过任何物体都有固定的振动频率，排气管也不例外。除此之外，物体每个部位的振动大小也是有规律的，有些地方振动量始终很小，有些地方振动量始终很大。如果将排气挂钩安装在这些振动量始终很大的地方，如果经波纹管衰减后的振动的频率和排气管的固有频率也正好吻合，那么振动将被放大且通过挂钩带动地板振动，车内人员将感觉到明显的地板振动，同时地板振动也会产生声音，这将加剧车内人员的不舒适感。排气改装中常采用原厂挂钩位置进行安装，这样是不是就可以避免振动量始终很大的地方呢？答案是不一定，因为原厂的连接管管管径、消声器大小和尾管在改装过程中都发生了变化，整个排气系统的固有频率和振动量大小的位置也发生了变化，选择原厂位安装挂钩只是为安装提供了便利。为了避免排气管的振动共振，最有效的办法是对挂钩结构、位置和波纹管进行优化，以尽可能降低发动机传递的振动和避开振动量大的地方，而这需要大量复杂的计算和实验，目前仅少部分原厂研发中心具备这样的能力。



下面来说说声音的共振。振动传播的媒质是固体结构，振动共振是发动机的振动和排气管的结构固有特性相吻合导致的。类似地，排气声浪传播的媒质是空气，那么声音的共振就是发动机的排气声浪与排气管中的空气固有特性相吻合导致的。排气声浪在传播过程中会在排气管内形成驻波（关于驻波的产生机理网友可以参考百度百科和维基百科中驻波词条），与振动在排气管不同位置振动量大小存在差别一样，因为驻波的存在，声音在排气管内的大小也因位置不同而存在差异，通常在消声器内部管路断开处都是声音的最低点，声音最高点的个数和位置则因声音频率的不同而不同。如驻波1的声音最高点在两个消声器的中间，而驻波2存在两个声音最高点，说明驻波2的频率是驻波1的两倍。当发动机的排气声浪频率和连接管驻波的频率吻合时，就产生了声音的共振。共振声从排气尾管传播出来进入车厢，如果和车厢的固有频率也正好吻合，那么共振声会被再次放大，这将影响驾驶的舒适性。



对于幅度较小的声音共振，通常不需要采取特殊的措施，而对于幅度较大的声音共振，则需要通过专业软件进行计算来设计共振器以降低声音共振。



回压和声学是排气系统两个重要的特征，通过这两篇文章的介绍，希望网友对他们有更深入的了解。国外具有一批经验丰富、技术专业的排气改装公司，作者希望国内的排气改装公司也能快速发展，提升自身研发能力，用更专业的技术来为广大车友服务。