李沛然，鄧兆祥，向 飛，楊 亮，賴祥富

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030; 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039;3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039; 4.長安汽車工程研究總院，重慶 401120;5.重慶海特汽車排氣系統(tǒng)有限公司，重慶 401120)

前言

排氣噪聲是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲。安裝排氣消聲器是控制汽車排氣噪聲最有效的措施，而聲學(xué)性能是其消聲器最主要的性能。汽車上普遍應(yīng)用的抗性消聲器通過管道截面突變、旁支管和共振腔等造成聲傳播時(shí)阻抗失配，來達(dá)到消聲目的［1］。因此最初大部分研究［2-3］都著眼于結(jié)構(gòu)或尺寸參數(shù)對消聲器聲學(xué)性能的影響規(guī)律，之后學(xué)者們發(fā)現(xiàn)影響消聲器聲學(xué)性能的因素還包括氣流速度［4-6］、氣流溫度［4，7-9］和氣流再生噪聲［10-12］等。隨著研究的深入，對上述因素影響規(guī)律的認(rèn)識已日趨成熟。

汽車排氣消聲器為提高消聲量，通常利用隔板將消聲器分割為多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的腔室［8，13］，實(shí)際批量生產(chǎn)的消聲器的隔板通過點(diǎn)焊與管道和筒體連接，形成了隔板縫隙。隔板縫隙的客觀存在改變了聲音傳播介質(zhì)(消聲器內(nèi)部空氣)間的拓?fù)潢P(guān)系。而目前所有關(guān)于消聲器的研究，均以隔板將消聲器各腔體完全分割進(jìn)行建模和分析［8-9］，這與實(shí)際加工的消聲器不一致。

關(guān)于隔板縫隙對抗性消聲器聲學(xué)性能影響的研究，目前國內(nèi)外仍未見報(bào)道。因此研究這一因素對消聲器聲學(xué)性能的影響對于汽車排氣消聲器的設(shè)計(jì)開發(fā)具有重大的實(shí)際意義。

本文中首先分析隔板縫隙的形成原因，然后對具有隔板縫隙和去除隔板縫隙的樣件進(jìn)行傳聲損失試驗(yàn)，并據(jù)此研究隔板縫隙對抗性消聲器聲學(xué)性能的影響，最后根據(jù)聲學(xué)理論對試驗(yàn)結(jié)果予以詮釋。

1 排氣消聲器隔板縫隙的形成

汽車排氣消聲器多采用不銹鋼或碳素鋼，通過沖壓、卷管和焊接等工藝加工而成。隔板將消聲器筒體分割為多個(gè)腔室。加工消聲器時(shí)通常先將已沖壓翻邊的隔板與進(jìn)出口管及其他連通管道焊接在一起，形成芯部總成，之后放入縱縫咬邊的消聲器筒體內(nèi)，再將隔板與筒體焊接在一起［14］。為減少加工成本、防止焊穿，避免使用過程中熱變形帶來的問題，隔板與管道和隔板與筒體間往往采用點(diǎn)焊，導(dǎo)致隔板并未與管道或筒體完全連接，加之消聲器加工精度較低，隔板與筒體的配合往往較差，因而在隔板邊緣處形成縫隙，使不同腔室中的空氣可通過這些縫隙相互連通。圖1為某合資品牌B級轎車排氣消聲器的解剖圖。由圖可見，該消聲器內(nèi)有兩塊沖壓翻邊的隔板，隔板與內(nèi)部管道、隔板與筒體均由點(diǎn)焊連接，隔板與筒體、隔板與管道間均存在縫隙。

2 考慮隔板縫隙的消聲器聲學(xué)性能試驗(yàn)

由于消聲器隔板縫隙來源于消聲器的實(shí)際加工，因此須通過對這些加工好的消聲器進(jìn)行試驗(yàn)，來揭示隔板縫隙對消聲器聲學(xué)性能的影響。

2.1 消聲器試驗(yàn)樣件設(shè)計(jì)

汽車排氣消聲器多為抗性消聲器，抗性消聲器主要有擴(kuò)張式和共振式兩種結(jié)構(gòu)形式［1］。為了解隔板縫隙對這兩種消聲器性能的影響，設(shè)計(jì)了兩款消聲器，如圖2和圖3所示。其中消聲器筒體、管道和隔板的厚度均為1.5mm，筒體截面形狀為橢圓，長軸a=220mm(均為內(nèi)徑，后同)，短軸 b=145mm，C1=173mm，C2=245mm，L1=54mm，L2=114mm，L3=80mm，S=65mm，D1=D2=42mm，消聲器 1和消聲器2的差異在于消聲器2出口管在第2腔中具有4排穿孔，各排之間的軸向間距L4=12mm，每排有沿周向均布的7個(gè)直徑4mm的穿孔，形成同軸型共振式消聲器。此外，為與批量加工的消聲器實(shí)際情況相符，采用某合資品牌A00級轎車排氣消聲器的筒體、隔板和端蓋等部件，分別按兩款消聲器方案制作了6只樣件(隔板翻邊長度約為14mm，朝向第2腔)。其中將隔板與筒體間、隔板與出口管全部焊死，稱為消聲器1A和消聲器2A;將隔板與出口管全部焊死、隔板與筒體間采用點(diǎn)焊連接，稱為消聲器1B和消聲器2B;按批量生產(chǎn)消聲器實(shí)際加工方法，即隔板與出口管、隔板與筒體間都采用點(diǎn)焊連接，稱為消聲器1C和消聲器2C;為研究翻邊的影響，在消聲器2C的基礎(chǔ)上，將隔板翻邊長度改為4mm，加工為第7只消聲器，并稱為消聲器2D。

需要說明的是，消聲器1的構(gòu)型一般不會(huì)用于實(shí)際消聲器中，設(shè)計(jì)該消聲器的目的是為了與消聲器2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

2.2 消聲器傳聲損失試驗(yàn)

消聲器的傳聲損失表示消聲器輸入和輸出噪聲能量的相對變化關(guān)系，定義為消聲器入口和出口處的聲功率級之差［15］。它描述了消聲器的固有特性，與作用在消聲器上的聲源無關(guān)［1，13］，因此本文中以傳聲損失作為評價(jià)消聲器聲學(xué)性能的指標(biāo)。

消聲器傳聲損失試驗(yàn)利用B＆K的聲學(xué)材料測試系統(tǒng)，包括含任意波形信號發(fā)生器的 PULSE 3560B型硬件采集前端、2716C立體聲功率放大器、4260T阻抗管和頻響匹配精度較高的4187型1/4英寸傳聲器等，構(gòu)建的傳聲損失測量裝置如圖4所示，采用兩載法測試了上述7只消聲器，具體原理、試驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)后處理方法等參見文獻(xiàn)［16］。試驗(yàn)時(shí)室溫為26.5℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 出口管開孔對消聲器傳聲損失的影響

圖5比較了消聲器1A和2A的傳聲損失試驗(yàn)結(jié)果。消聲器1A與2A相比，在1000Hz以上傳聲損失差異較小，而在1000Hz以下消聲器2A具有更大的消聲量，特別是在230Hz形成峰值。說明消聲器2A的出口管在第2腔的開孔形成了同軸型共振式消聲器，引起了這一消聲尖峰。

3.2 隔板縫隙對擴(kuò)張式消聲器傳聲損失的影響

圖6比較了消聲器1A、1B和1C的傳聲損失試驗(yàn)結(jié)果。可見，一方面消聲器1B與1C傳聲損失結(jié)果幾乎一致，表明和隔板與簡體間縫隙相比，隔板與管道間縫隙的影響可以忽略;另一方面，消聲器1A與1B、1C的傳聲損失結(jié)果整體上差異不大，但是消聲器1B、1C相比1A而言，在120Hz附近形成共振消聲峰值，表明隔板縫隙對擴(kuò)張式消聲器本身影響較小，但隔板縫隙與消聲器第2腔形成一個(gè)特殊的共振式消聲器，影響了消聲器250Hz以下的消聲量。

3.3 隔板縫隙對共振式消聲器傳聲損失的影響

圖7比較了消聲器2A、2B和2C的傳聲損失試驗(yàn)結(jié)果?？梢姡环矫嫦暺?B與2C傳聲損失結(jié)果幾乎一致，表明和隔板與筒體間縫隙相比，隔板與管道間縫隙的影響可以忽略;另一方面，消聲器2A與2B、2C相比，其傳聲損失在中高頻范圍內(nèi)差異較小，而在低頻的共振頻率發(fā)生了明顯的偏移，從230Hz變?yōu)?85Hz?？梢姽舱耦l率的偏移表明隔板縫隙對共振式消聲器聲學(xué)特性具有較大影響。

3.4 隔板翻邊對共振式消聲器傳聲損失的影響

圖8比較了消聲器2A、2C和2D的傳聲損失試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，傳聲損失的主要變化是，消聲器2C和2D的共振頻率都相對2A發(fā)生了偏移，在低頻段，2C和2D的共振頻率分別為385和450Hz，消聲器2D的偏移量大于2C，說明隔板翻邊長度的減小會(huì)增大共振頻率的偏移，即較大尺寸的隔板翻邊能減小隔板縫隙對共振式消聲器傳聲損失的影響。

3.5 隔板縫隙影響傳聲損失的成因分析

式中:l為旁支短管長度或修正長度;ρ0為空氣密度;Sb為旁支短管總橫截面積;Vb為共鳴器體積;c0為空氣中聲速。當(dāng)入射聲波頻率f=f0時(shí)，形成共振，入射聲波被共鳴器旁支所阻攔，產(chǎn)生消聲作用［17］。

由于隔板縫隙的存在，使旁支短管總橫截面增大，共振頻率相應(yīng)升高;隔板翻邊即可視為特殊的“旁支短管”，隔板翻邊的長度影響了旁支“短管”的長度，且與隔板與筒體的聲質(zhì)量成正比，從而改變共振頻率;和隔板與筒體間縫隙相比，隔板與管道間縫隙對共振消聲器旁支管的聲質(zhì)量的影響很小，因此

從上面的分析可以看出，隔板縫隙主要是隔板與筒體間的縫隙會(huì)改變共振式消聲器傳聲損失，且隔板翻邊尺寸能夠影響這種改變。

共振式消聲器是一種通過管道開孔與亥姆霍茲共鳴腔相連形成的結(jié)構(gòu)［1］。無論是旁支型、同軸型或窄縫型，其基本原理大致相同。旁支管、穿孔或窄縫所形成旁支短管的聲質(zhì)量為其對共振頻率的影響可以忽略。

須要說明的是，隔板縫隙對共振式消聲器的影響與文獻(xiàn)［18］中連接管并聯(lián)的共振式消聲器類似，然而隔板縫隙和穿孔管位置的差異較大，因而其共振頻率不能按集總質(zhì)量法來計(jì)算，而要采用旁支短管總橫截面線性疊加的方法。

4 結(jié)論

(1)批量生產(chǎn)的消聲器隔板形成的縫隙對擴(kuò)張式消聲器聲學(xué)性能影響較小。

(2)批量生產(chǎn)的消聲器隔板形成的縫隙對共振式消聲器聲學(xué)性能有重大影響:因?yàn)榭p隙的存在減小了旁支管的聲質(zhì)量，從而提高了其聲質(zhì)量-聲容系統(tǒng)的固有頻率和消聲器消聲共振頻率。

(3)隔板翻邊長度的減小，即旁支管長度減小，使旁支管的聲質(zhì)量減小，因而進(jìn)一步提高共振頻率。

了解消聲器隔板縫隙對共振式消聲器聲學(xué)性能有重要影響這一客觀事實(shí)，有助于共振式消聲器設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇參數(shù)，避免實(shí)際批量生產(chǎn)的消聲器聲學(xué)性能與計(jì)算結(jié)果發(fā)生重大變化。

隔板縫隙對抗性消聲器聲學(xué)性能影響還有待進(jìn)一步深入，例如兩腔擴(kuò)張式消聲器和兩腔共振式消聲器等，并且可以引入有限元等手段詳細(xì)分析隔板縫隙對消聲器內(nèi)部聲音傳播的影響規(guī)律。

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