工程声学/汽车消声器

第一部分: 集总声学系统 - 1.1 - 1.2 - 1.3 - 1.4 - 1.5 - 1.6 - 1.7 - 1.8 - 1.9 - 1.10 - 1.11

第二部分: 一维波运动 - 2.1 - 2.2 - 2.3

第三部分: 应用 - 3.1 - 3.2 - 3.3 - 3.4 - 3.5 - 3.6 - 3.7 - 3.8 - 3.9 - 3.10 - 3.11 - 3.12 - 3.13 - 3.14 - 3.15 - 3.16 - 3.17 - 3.18 - 3.19 - 3.20 - 3.21 - 3.22 - 3.23 - 3.24

简介

汽车消声器是汽车排气系统的一个组成部分。排气系统主要有 3 个功能

1) 将发动机产生的高温和有害气体排出车辆

2) 减少尾气排放

3) 衰减发动机产生的噪声

最后指定的功能是汽车消声器的功能。这是必要的，因为如果来自发动机活塞燃烧的气体直接通过排气阀进入周围环境，它会产生极其响亮的噪音。主要有两种技术用于抑制噪声：吸收和反射。每种技术都有其优点和缺点。

吸收式消声器

消声器由一根覆盖着吸音材料的管子组成。管子上有孔，因此一部分声波会穿过孔进入吸音材料。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，以防止周围环境的接触。

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，消声效果较差，尤其是在低频下。

使用吸收技术的消声器通常安装在运动型车辆上，以提高发动机的性能，因为它们的背压较低。一个提高消声能力的技巧是将几个“直”消声器排列起来。

反射式消声器

原理：利用声波反射产生最大程度的相消干涉

相消干涉的定义

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，这会导致他的耳膜振动。图 1 中的曲线 A1 可以代表这种声音。压力幅度是某个固定位置的时间函数。如果在同一时间产生另一个声波 A2，两个波的压力将叠加。如果 A1 的幅度与 A2 的幅度完全相反，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，但听众什么也听不到。A2 被称为相消干涉。

反射的定义

声音是一种传播波，即其位置随时间而变化。只要波在同一介质中传播，其速度和幅度就不会发生变化。当波到达两种阻抗不同的介质之间的边界时，速度和压力幅度会发生变化（如果波不是垂直于边界的，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、透射和反射。

示例

如果平面声波在管子中传播，并且管子的横截面在某一点 x 处发生变化，则管子的阻抗将发生变化。因此，一部分入射波将在管子的新横截面值部分被透射，而另一部分入射波将被反射。

动画

使用反射技术的消声器最常使用，因为它们比吸收式消声器更好地抑制噪声。但是，它们通常会产生更高的背压，这会降低发动机在较高转速下的性能。虽然某些发动机在较低转速（例如低于 2800 转/分钟）下可以产生最大马力，但大多数发动机并非如此，因此在没有消声器的情况下，会在较高转速下获得更大的净马力。

右上角的图示代表了汽车消声器典型的结构。它由 3 根管子组成。通过隔板隔开了 3 个区域，位于中间区域的管子部分是穿孔的。少量压力从管子通过穿孔“逸出”，并互相抵消。

一些高端消声器将反射原理与一个被称为亥姆霍兹共鸣器的腔体（以下红色部分所示）结合使用，以进一步抑制噪声。

背压

汽车发动机是四冲程发动机。在这四个冲程中，只有一个产生动力，即爆炸发生时推动活塞向后运动的冲程。其他三个冲程是必要的“恶”，它们不产生能量。相反，它们消耗能量。在排气冲程中，爆炸产生的剩余气体从气缸中排出。排气阀后面的压力（即背压）越高，排出气体所需的力就越大。因此，为了获得更高的发动机马力，较低的背压是比较好的。

使用传递矩阵法进行消声器建模

这种方法易于在计算机上使用，以获得消声器传输损耗的理论值。传输损耗以 dB 为单位，表示消声器抑制噪声的能力。

示例

P 代表压力 [Pa]，U 代表体积流量 [m3/s]

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

因此，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

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