声学/汽车消声器

简介

汽车消声器是汽车排气系统的一部分。排气系统主要有3个功能

将发动机产生的高温有害气体排放到车外
减少排气排放
衰减发动机产生的噪声

最后一个功能是汽车消声器的功能。这是必要的，因为来自发动机活塞燃烧的气体如果直接通过排气阀排放到发动机周围的空气中，会产生极其大的噪音。有两种技术用于抑制噪音：吸收和反射。每种技术都有其优缺点。

吸收消声器

消声器由一个覆盖有吸音材料的管子组成。该管子是穿孔的，因此一部分声波会通过穿孔进入吸音材料。吸音材料通常由玻璃纤维或钢丝绒制成。吸音材料由一层弯曲的金属板保护，以防周围环境的影响。

这种方法的优点是背压低，设计相对简单。这种方法的缺点是与其他技术相比，其隔音能力较低，尤其是在低频时。

使用吸收技术的消声器通常用于运动型汽车，因为它们由于低背压而提高了发动机的性能。提高其隔音能力的一个技巧是将多个“直线”消声器排列在一起。

反射消声器

原理：利用声波反射产生最大程度的破坏性干涉

破坏性干涉的定义

让我们考虑一个人在汽车经过时听到的噪音。这种声音在物理上对应于空气的压力变化，这将使他的耳膜振动。图1中的曲线A1可以代表这种声音。压力幅值是特定固定位置时间函数。如果在同一时间产生另一个声波A2，则两个声波的压力会叠加。如果A1的幅值与A2的幅值完全相反，则总和将为零，这在物理上对应于大气压。因此，尽管有两个辐射声源，但听众将什么也听不到。A2被称为破坏性干涉。

反射的定义

声音是行波，即它的位置是时间的函数。只要波在同一种介质中传播，速度和幅值就不会发生变化。当波到达两种阻抗不同的介质的边界时，速度和压力幅值会发生变化（如果波不是垂直于边界传播，角度也会发生变化）。图1显示了两种介质 A 和 B 以及 3 种波：入射波、透射波和反射波。

示例

如果平面声波在管道中传播，并且管道的横截面积发生变化，则管道的阻抗也会发生变化。一部分入射波将穿过不连续点并透射，而另一部分将被反射。

动画

使用反射技术的消声器是最常用的，因为它们比吸收消声器更有效地抑制噪音。但是，它们会产生更高的背压，从而降低发动机性能（没有消声器，发动机将是最有效或最强大的）。

右上角的图像代表了汽车消声器的典型结构。它由 3 根管子组成。有 3 个区域，由板隔开，位于中间区域的管子部分是穿孔的。少量压力会从穿孔的管子中“逸出”并相互抵消。

一些使用反射原理的消声器可能包含用于抑制噪音的腔体。这些腔体在声学中被称为亥姆霍兹共鸣器。此功能通常仅适用于高端消声器。

背压

汽车发动机是四冲程发动机。在这 4 个冲程中，只有 1 个冲程产生动力，即爆炸发生时，将活塞推回。其他 3 个冲程是必要的“恶”，它们不产生能量。相反，它们消耗能量。在排气冲程中，爆炸后的残余气体被排出气缸。排气阀后面的压力（即背压）越高，排出气缸所需的力越大。因此，为了获得更高的发动机马力，需要低背压。

传递矩阵法消声器建模

这种方法易于在计算机上使用，以获得消声器传输损失的理论值。传输损失以 dB 为单位给出值，对应于消声器抑制噪音的能力。

示例

P 代表压力 [Pa]，U 代表体积速度 [m3/s]

${\begin{bmatrix}P1\\U1\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P2\\U2\end{bmatrix}}$ 以及 ${\begin{bmatrix}P2\\U2\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T2\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P3\\U3\end{bmatrix}}$ 以及 ${\begin{bmatrix}P3\\U3\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T3\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P4\\U4\end{bmatrix}}$

所以，最终： ${\begin{bmatrix}P1\\U1\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T2\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T3\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P4\\U4\end{bmatrix}}$

其中

${\begin{bmatrix}T_{i}\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}cos(kL_{i})&jsin(kL_{i}){\frac {\rho c}{S_{i}}}\\jsin(kL_{i}){\frac {S_{i}}{\rho c}}&cos(kL_{i})\end{bmatrix}}$