鄭榮鉅

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到噪音對(duì)健康的影響，關(guān)于噪音的法規(guī)也變得越來越嚴(yán)格。發(fā)動(dòng)機(jī)噪音是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，并且對(duì)市場上的發(fā)動(dòng)機(jī)競爭有重大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)噪音主要是由排氣噪音引起的，排氣噪聲控制可以有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。如今，安裝排氣消聲器是控制排氣噪聲的重要方法，它既簡單又有效。

關(guān)鍵詞：摩托車;排氣消聲器;優(yōu)化方法

中圖分類號(hào)：TH113.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0018-02

0 ?引言

在整個(gè)摩托車的設(shè)計(jì)中，運(yùn)輸發(fā)動(dòng)機(jī)不僅有消聲的作用，而且直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。排氣系統(tǒng)的更改將影響進(jìn)氣系統(tǒng)，并因此影響整個(gè)引擎的動(dòng)力特性。由于大多數(shù)摩托車使用者居住在農(nóng)村，道路和地形區(qū)域較差，因此對(duì)摩托車的性能和焊接能力的要求較高。在實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有排氣管與消聲器之間的連接會(huì)進(jìn)一步中斷，因此有必要研究摩托車消音器的安裝方法和設(shè)計(jì)的合理性。本文重點(diǎn)研究了摩托車噪音的控制方法，通過分析消音器的原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化，希望能夠?yàn)槟ν熊嚱翟雰?yōu)化提供有效參考。

1 ?摩托車噪聲現(xiàn)狀及控制方法

通常噪音的主要來源來自于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，發(fā)動(dòng)機(jī)所排氣體溫度能夠達(dá)到800℃，壓力約為0.4-0.5MPa。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門打開時(shí)，廢氣從脈沖狀空間散發(fā)出來，形成非常大的能譜，頻響范圍從幾十個(gè)到10，000Hz以上的復(fù)雜聲音是一種寬帶聲音?，F(xiàn)在，世界上每個(gè)國家都將噪音水平作為測試車輛和設(shè)定聲音控制聲音標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)。根據(jù)從125毫升到250毫升摩托車的平均噪聲限值，與其他國家進(jìn)行比較。顯然，中國與其他國家之間仍然存在差距，改善摩托車功能并降低排氣噪聲仍然非常迫切。

控制汽車噪聲控制的主要方法是控制聲源，并使用聲音控制技術(shù)來控制汽車的分配模式，例如吸聲、噪聲分離、振動(dòng)分離、減水、人身保護(hù)等，使得震動(dòng)和聲波降低以此達(dá)到降噪的效果。目前有效使用最為廣泛的降噪方法是采用排氣消音器，針對(duì)降低摩托車噪音所開發(fā)的高性能輸出消音器通過改造結(jié)構(gòu)的方法有效提升了消音器的質(zhì)量。

2 ?消聲器的種類及其評(píng)價(jià)

消音器從原理上將能夠阻止聲音的傳播并且消除空氣中的動(dòng)力學(xué)噪音的同時(shí)還能夠不影響空氣的通過。消音器種類較多，如小孔消音器、微孔板消音器、阻性消音器、阻抗符合消音器以及抗性消音器等。消音器的質(zhì)量可以從三個(gè)方面來考慮：

2.1 消聲器的消聲性能（消聲聲功率級(jí)和頻譜特性）

①消聲器的噪聲水平通常反映在傳輸和插入的損失中。傳輸損耗定義為消聲器的輸入音量和輸出音量之間的差：LTL=LW1-LW2

其中，LTL為聲功率傳遞損失，dB;LW1、LW2為消聲器輸入和輸出的聲功率級(jí)。

傳輸損耗完全取決于消聲器的聲音傳輸矩陣，這是消聲器的主要屬性。實(shí)踐表明，在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室控制條件下，預(yù)計(jì)的傳遞損失通常和實(shí)測的值是相同的。

②插入損耗定義為在安裝消音器之前和之后在恒定測量位置測得的計(jì)算出的聲級(jí)（或總聲壓級(jí)，帶壓級(jí)）之差：LL=Lp1-Lp2

其中，LL為聲壓級(jí)插入損失，dB;Lp1、Lp2為安裝消聲器前、后在某點(diǎn)測得的聲壓級(jí)。

插入損失主要與排放條件和聲援信號(hào)有關(guān)，并非消音器的固有屬性。由于在安裝和拆卸消聲器之前和之后很難量化這些因素，因此需要進(jìn)一步的分析和研究以更好地預(yù)測安裝損失。

③現(xiàn)階段也可以通過安裝損耗來檢測消音器的性能。在對(duì)消聲器的降噪效果進(jìn)行評(píng)估時(shí)，只采用正常的音量和壓級(jí)是不足夠的，還需要深入了解消音器在各個(gè)頻率上的壓級(jí)。

2.2 消聲器的空氣動(dòng)力性能

發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器的空氣動(dòng)力性能用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失比RN來表示：RN=×100%

其中，Pe1為內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下不使用消音器的功率;Pe2為內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下使用消音器的功率。

關(guān)于降低汽車（包括摩托車）噪音設(shè)計(jì)的當(dāng)前性能，如果要求消音器小，重量輕，并且當(dāng)噪音降低到20～30時(shí)其功率損耗應(yīng)小于5%，當(dāng)消音量提高至20～30dB時(shí)，由于消聲器的體積不能過于增加，因此其功率損耗應(yīng)相應(yīng)降低，但不應(yīng)超過7%。

2.3 消聲器的結(jié)構(gòu)性能（尺寸、價(jià)格、使用壽命等）

通過消音器的具體性能以及空氣動(dòng)力學(xué)的特征就能夠決定消音器的尺寸，通常尺寸越小價(jià)格也越便宜，使用壽命也越長。

3 ?摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器的要求

設(shè)計(jì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下要求：①良好的降噪性能，請(qǐng)嘗試使觸摸機(jī)的頻率特性與泵的頻率特性相匹配。②降低對(duì)排氣流的阻力并減少排氣。③必須確保其具有較高的耐高溫性，良好的防銹性，并且不允許污染，并且不允許廢氣無線電裝置污染和生銹。選擇設(shè)備時(shí)，避免使用玻璃棉之類的材料，因?yàn)檫@樣的吸收劑會(huì)阻塞并降低潤滑劑的性能。④具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，因此暴露于高溫空氣中后不會(huì)產(chǎn)生再生聲音。⑤性能良好，能夠長期使用以及滿足使用的要求。⑥結(jié)構(gòu)見解，體積合理，重量輕，成本低，工藝性能好。

4 ?排動(dòng)管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

具有二行程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，用于檢查流動(dòng)效果，該系統(tǒng)由傳動(dòng)管和消音器組成。圖1顯示了普凌PL50汽油機(jī)排氣系統(tǒng)和濟(jì)南JM250汽油機(jī)的示意圖。

從圖1中可以看出排氣管與消聲器之間的關(guān)系是十分復(fù)雜的。想要建立一個(gè)好的系統(tǒng)需要仔細(xì)的分析和計(jì)算。讓我們從精心設(shè)計(jì)的排氣管開始。

提出了排氣管的構(gòu)造，這是因?yàn)槎_程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能低，并且在通風(fēng)過程中通過排氣口損失了大量新的充氣。它的設(shè)計(jì)理念是原始的，僅在清潔孔之后。打開后會(huì)導(dǎo)致氣缸充氣在排氣系統(tǒng)上產(chǎn)生“泵吸效應(yīng)”，并加速空氣交換過程，這需要排氣管中的空氣流在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候在排氣口形成低壓點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在排氣系統(tǒng)中內(nèi)置了擴(kuò)散器，使得上升的氣體由于管段的膨脹而產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)波。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)（L1、L2、L3、β1、D、d）合理時(shí)，打開清潔口后不久，該負(fù)壓波便通過排氣管流回排氣口，從而在排氣口上施加負(fù)壓。通過按壓好壞來加快進(jìn)氣和排氣的通風(fēng)過程。當(dāng)掃氣口關(guān)閉而排氣口未關(guān)閉時(shí)，排氣系統(tǒng)中的氣流對(duì)新的排氣口產(chǎn)生“反壓”作用，新進(jìn)料的反壓返回到氣缸。這就要求在這段時(shí)間內(nèi)，在高壓區(qū)附近的排氣管中可能形成排氣口，設(shè)計(jì)特定的步驟來在膨脹管后面設(shè)計(jì)一個(gè)密封管，以使氣體由于其橫截面的減小而產(chǎn)生正壓力波，并計(jì)算結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸（β2、D、L4、L5、d1、d2），以便正壓力波在掃氣口剛剛關(guān)閉后返回排氣口。

5 ?消音器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了改進(jìn)現(xiàn)有摩托車消音器的設(shè)計(jì)，有必要在以下方面改進(jìn)其性能：①在所需頻帶上加大消音量;②確保摩托車安裝消音器，同時(shí)降壓也在可控范圍內(nèi);③在提供消聲器時(shí)，消聲器應(yīng)盡可能便宜并且使用壽命長。研究表明，隨著消音室擴(kuò)音室長度的增加，音量呈指數(shù)增加，從而導(dǎo)致其截止頻率朝著低頻變化，并增強(qiáng)了阻止低波的能力。此外，增加容積還可以有效地降低后向壓力并改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此，在充分利用小配件的情況下，增加第一增壓室的容積非常重要。研究表明，現(xiàn)有摩托車后面的膨脹室寬度很小。根據(jù)理論研究，我們發(fā)現(xiàn)，隨著消聲器膨脹室寬度的增加，增加的速率將相應(yīng)地增加，而最大的減少量也將相應(yīng)地增加。如上所述，這還將增加其音量，這將改善低噪聲的降低。因此，應(yīng)在優(yōu)化消音室的的同時(shí)拓寬膨脹室的寬度。排氣管的選擇對(duì)摩托車消音器的消音量有直接的影響，排氣管直徑越小消音量的減少就會(huì)越大，降低下波的切割頻率，但是排氣管的直徑不能太小，因?yàn)闇p小排氣管的直徑會(huì)大大增加空氣流速，就會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的具體性能，因此在對(duì)消音器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要縮小排氣管的直徑。

6 ?消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

6.1 消聲器擴(kuò)張比選擇

經(jīng)研究與分析可以得出消聲器膨脹率能夠直接影響到聲音的輸入量，因此對(duì)消聲器的性能而言應(yīng)當(dāng)選擇合適的擴(kuò)展率。增加膨脹率可以通過縮小消聲器入口或者縮小出口管的寬度或者縮小消音器寬度來完成。消聲器的進(jìn)氣管直徑受到內(nèi)燃機(jī)循環(huán)出口尺寸的局限性，一旦大于內(nèi)燃機(jī)的最大輸出量就會(huì)增加反向壓力，進(jìn)而導(dǎo)致功率飆升增加噪音，也會(huì)嚴(yán)重地影響到消音器的質(zhì)量。另外，消聲器的外部尺寸也有一定的范圍限制，不能夠太大。在消聲器的整體結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)選擇適合的擴(kuò)張率，通?？刂圃?-16之間。這樣就能夠達(dá)到最大的降噪水平。

6.2 消聲器容積的選擇

選擇消音器體積時(shí)，盡可能選擇最大的溶劑，這樣就能夠有效降低下限失效頻率，提升降噪的效果。消聲器的音量過小會(huì)導(dǎo)致功率損耗的增加。

6.3 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的選擇

為了滿足排氣消音器的要求，選擇消音器的結(jié)構(gòu)時(shí)需要加長孔。通常，將拉伸孔連接至模制管和由油漆制成的板以形成多級(jí)消聲器。研究表明，級(jí)數(shù)越多，降噪程度越大，同時(shí)，可以改善非常高的壓力效果，但級(jí)數(shù)大于5時(shí)，增益會(huì)增加階段數(shù)少2～5。

7 ?結(jié)語

從增加消音器的設(shè)計(jì)和靈活性的效果來看，設(shè)計(jì)優(yōu)化方式工作的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)似乎更有意義。

①疲勞分析涉及許多因素：材料質(zhì)量，焊接質(zhì)量，機(jī)械技術(shù)，機(jī)械質(zhì)量和部分操作條件都將對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生重大影響。因此，人們普遍認(rèn)為疲勞質(zhì)量分析是可靠的，換句話說，在分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)是準(zhǔn)確的。②根據(jù)消音器的原始設(shè)計(jì)添加加強(qiáng)板是解決故障問題的絕佳方法。同時(shí)，將識(shí)別出的連接板放置在消聲器重量的中央可以顯著降低故障系數(shù)值的可能性。③考慮到疲勞壽命最小值的轉(zhuǎn)移的問題，內(nèi)部消音管延伸到連接管的下端以加強(qiáng)排氣面積并防止疲勞失效。獲得這些結(jié)論可以有助于優(yōu)化消音器的設(shè)計(jì)，解決排氣消音器斷裂問題，增加公司產(chǎn)品的預(yù)期壽命并提高公司產(chǎn)品的競爭力。

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