排气管消声器原理知道吗？解读排气管消声器设计与研究
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发动机排气系统消声器设计与研究
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一、消声器的原理和分类
汽车消音器主要用于降低机动车的发电机工作时产生的噪声。汽车排气管由两个长度不同的管道构成，这两个管道先分开再交汇，由于这两个管道的的长度差值等于汽车所发出的声波的波长的一半，使得两列声波在叠加时发生干涉相互抵消而减弱声强，使传过来的声音减小，从而起到消音的效果。
消声器种类如下：
作为一种吸收型消声器，阻性类消声器是利用安装在管道里面的多孔吸声材料和结构来达到吸声的目的。当声波沿管道方向传播，噪声不间断的被这种结构和材料吸收。对中频和高频噪声有良好的消声作用。该消声器的这种良好的中、高频消声效果，使得它成为市场上销售最成功的消声器之一。尽管使用频率上限没有注明在该吸声材料之中，然而上限截止频率却实际存在于阻性消声器中。
阻性消声器类型如下：
抗性消声器主要是利用管道截面突变时会引起阻抗的变化，而声阻抗的变化会使得声能量发生干涉和衍射等，最终达到降低噪声的目的。抗性消声器由于不需要安装消声材料，所以成本低、寿命长，被广泛应用在汽车上。
因为汽车发动机的噪声声压级较强的部分主要集中在中低频段，并且汽车的高频噪声容易消除，而抗性消声器对中低频的消声效果十分明显，所以将抗性消声器用于消除发动机的中低频噪声成了各大汽车厂商的首选。
用于汽车上的抗性消声器主要有：
扩张式消声器的应用十分广泛，它主要利用突变截面会使声传播通道中的阻抗失配来达到消声的目的。这种样式的消声器基本上是全金属制造的，而且这种消声器的结构非常的简单、比较耐气流、耐腐蚀、耐高温冲击，同时这种消声器由于其结构的原因使得其不容易坏，而且其气道的结构使得该种消声器内部不容易产生集聚物，排气的畅通性较好。
基于以上优点，该类型的消声器被大多数的汽车所采用。但是这种消声器也有它不足的地方，当这种消声器处于高频振动的时候，其消声的效果不是很好，很容易产生共振，从而加大噪声。
很多消声器设计厂家对这种消声器的组成结构进行了改变，采用多个组合或者是加长穿孔板等，这样就渡过了共振频率带，成功的解决了上述问题。
扩张式消声器传递损失的计算公式：
峰值消声的频率数学表达式为：
通过频率公式：
失效频率公式：
共振式消声器主要形式结构有：
其分类方法主要是与消声器内部管道同亥姆霍兹共鸣腔所组成的结构方式有关。为了形象的表达其结构类型，如下图所示。这两种共振式消声器分别是旁支形式结构共振式消声器与同轴形式结构共振式消声器。
阻性—扩张室—共振腔、阻性—扩张室与阻性—共振腔等这是现目前消声器主要的复合形式，在设计消声器的时候，为了控制其噪声，而消声器中的噪声多为宽频，因此外面常采用阻性与抗性这两种结构形式的消声器同时结合使用。
阻抗消声器中阻性与抗性结合的方式不同，其对于噪声的降低情况也不一样，这种结合方式的不同，可以衍生出多种形式的消声器。
这种阻抗复合形式的消声器主要的消声原理，主要是利用阻性和抗性相结合，首先是阻性在消声器的前段对噪声进行阻碍，然后是抗性部分起作用。抗性部分在处于消声器末段，这里是对消声器噪声进行再次过滤，这种由阻性与抗性耦合的作用过程是非常复杂的，因此，对于阻抗复合式消声器的消声值主要通过实验测的。
有源消声器也叫做电子消声器，这种消声器消声的主要原理是人为的制造一种声音，而这种声音与有待消除的噪声的幅值相同并且相位相反，利用这种特性就可以把原始的噪声相互抵消，达到较为理想的消声效果。但是对于这种消声器也有其局限性，这主要存在于这种消声器的实际生产过程中，这种有源消声器的制造成本非常的高，很多生产厂家都不愿意投入那么大的成本来研发这种技术。
对于有源消声器而言，其消声效果毋庸置疑。这种消声器的发展前景非常的好，因为现目前对于排放标准要求越来越严苛，很多厂家为了满足人们对于汽车舒适性的要求，也在不断的开发这种消声器。
对于很多高端车型，有源消声器已经装配上车了，且制造成本也在不断地下降，因此对于未来消声器市场而言，电子消声器的发展是必然趋势。
二、消声器的性能评价指标
消声器作为汽车发动机排气系统的重要组成部分，它的性能将会影响到我们对汽车品质的评价，尤其是乘用车对噪声的要求更为严格，因此在进行消声器设计时应该明确如何评价一个消声器的好坏。目前主要的评价指标有：动力特性、声学性能和机械特性这三个方面。
消声器的声学性能好坏一般使用消声量大小和消声的频谱特性进行表示，这其中主要是包含计权声级（A声级或者C声级）消声量以及各倍的频带（1倍频程频带或1/3倍频程频带）消声量。评价消声器的声学性能的参数主要有插入损失、传递损失、末端降噪量、声衰减量。
1）传递损失（LTL）
传递损失（TransmissionLoss）又叫做传透损失和透射损失，是消声器的进口端入射的声功率与出口端声功率之比值取常用对数再乘以10，也就是入射进消声器之声功率级与透过之声功率级之差，它的数学式是：
LTL=101g(W1/W2)=LW1-LW2
式中：
W1——消声器的入口端声功率（W）
W2——消声器的出口端声功率（W）
LW1——消声器的入口端声功率级（dB）
LW2——消声器的出口端声功率级（dB）
传递损失仅反映消声器本身所具有的传递特性，而不受管道系统及消声器出口端尾管的影响，即与声源、消声器出口端的阻抗无关。传递损失是评价消声元件消声效果最简单的一种方法。通常我们所说的消声量即是指传递损失。
2）插入损失
插入损失(InsertLoss)是用等长的直管来代替消声器部分，然后在直管的某个部位，来作为测量点。对于汽车的消声器而言，直管上的测点主要是选取在距离排气口500mm处，并且传感器方向的安装也必须指向排气口且其轴线与气流流向的轴向必须成45°夹角。包括管道内或管口外测得的平均声压级差值为：
LIR=LP1-LP2
式中：
LP1——用等长排气管代替排气消声器时的排气噪声A、C计权声压级或频带声压级(dB)
LP2——装排气消声器后的排气噪声A、C计权声压级或频带声压级（dB）
插入损失的测量结果并不单纯反映消声器本身的消声性能，而是反映了噪声源、消声器以及消声器末端管道三者的声学特性的综合效果。
3）末端声压级差值（LNR）
末端的声压级的差值（LNR）也就是两端的声压级差或者叫做末端降噪量，定义为在消声器的进口端和出口端口处测量所得的平均声压级的差值，即：
LNR=LP1-LP2
4）声衰减量△LA
声衰减量△LA是指消声器内任意轴向两点的声压级之差与两点间距离的比值，得到单位长度声衰减量（dB/m）,我们定义这个比值为声衰减量或者轴向衰减量。
消声器的空气动力性能评价的主要指标是功率损失比和阻力系数。因为消声器的空气动力性直接影响到发动机的动力性和经济性，功率损失比的计算公式如下：
式中：
Pe1——不装消声器时的功率
Pe2——安装消声器时的功率
消声器前后压力损失和气流的动压的比值称之为消声器阻力系数，即：
ε=P/PV
式中：
pv=10gv2/(2g)
△p——压力损失的值（Pa）
一方面消声器工作环境温度高，振动冲击大，要求消声器有优良的机械性能，才能达到理想的寿命年限；另一方面受到安装位置的制约，要求消声器结构紧凑，同时达到节约成本，节能减排的目的，因此消声器壁厚要求控制在4-6mm。消声器的机械性能、声学性能和空气动力学性能之间既相互联系又相互制约，在设计过程中应该合理规划，不能顾此失彼。
三、消声器的结构设计
为提高降噪效果，本次设计用前后两个消声器。消声器的主要结构参数包括：有效容积、外形尺寸及腔数。消声器是内燃机的一个总成，因此其结构参数的选择必须以内燃机的参数为依据。
1）具有良好的消声性能
要求消声器具有较好的消声频率特性，在所需要的消声频率范围内有足够大的消声量。
2）具有良好的空气动力性能
要求消声器对气流损失要小，做到装上消声器后，所增加的阻力损失不影响设备的工作效率，保证进排气通畅。
3）具有良好的结构性能
要求消声器体积小，结构简单，便于加工，经济实用，无再生噪声等。
1）前消声器有效容积的计算
前消声器设计为阻式消声器，主要吸收高频噪声，结构如下图所示：
消声器容积与消声量有关，美国Nelson消声器公司Dean.Thomas推荐消声器容量估算式：
式中：
Vh——发动机的排量，L
n——发动机额定功率下的转速，r/min
T——发动机的冲程数
N——发动机的气缸数
Q——常数，按不同的消声要求，可取值为2~6
将某国产轿车的各参数代入上式，估算得出消声器的有效容积如下：
2）消声器的外形选择
消声器的截面以圆形为宜，但在本次设计中，考虑到汽车排气系统总布置，选择类跑道式。
3）护面穿孔板的选择与计算
阻式消声器是在气流之中工作的，吸声材料容易被气流带走，因此设计时吸声材料必须用牢固的护面(如用玻璃布、穿孔板或钢丝网)固定起来。如果护面的形式不合理，吸声材料会被气流吹跑或者护面装置激起振动等都将导致消声器的性能下降。
本设计中，汽车排气系统中吸声结构与气流方向平行，根据估算消声器内的气流速度在23～45m/s，故选择穿孔板和玻璃布。
对于护面穿孔板，一般孔径取5～8mm。气流速度越大，孔径应越小。穿孔率(即穿孔面积与整个面积之比)要大于20％，本次设计中穿孔率取30％，孔径取8mm。护面穿孔板的计算如下：
A. 护面穿孔管的表面积：
S=(π×50+2×67)×360=104760
B. 孔的面积：
S圆πr×r=π×3×3=28.26
C. 孔的个数：
实际生产中为了加工方便，孔的个数取1100。
4) 吸声材料的选取
可以作消声器的吸声材料有很多，如：玻璃棉、矿渣棉、防水玻璃棉、石棉、工业毛毡等。考虑到排气管的温度及吸声效果，我们选用耐高温的超细玻璃棉作为吸声材料。此超细玻璃棉可在1000℃的高温下正常工作，且消声效果好。它具有直径细、纤维长、重量轻、不易燃、防蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软不刺手等特点。
吸声性能除了与吸声材料有关外，还与吸声材料的厚度及密度有关，增加吸声材料的厚度和密度，可以提高中、低频的消声效果。本文所设计的消声器选用厚度为20mm，密度为30kg·m-3的超细玻璃棉作为吸声材料。这样既可以使整个消声器的结构紧凑、重量轻，又可以取得很好的消声效果。
5）消声器外形尺寸确定及容积验算
A. 消声器的尺寸
椭圆截面：长轴为157ram；短轴为90mm；长360mm
B. 容积验算
由消声器的上述尺寸计算得出容积如下所示：
V前=π×45×45×360+67×90×360×=4.45L
1）后消声器有效容积的计算
将某国产轿车的各参数代入，估算得出消声器的有效容积如下：
2）消声器的外形选择
消声器的截面以圆形为宜，但在本次设计中，考虑到汽车排气系统总布置，选择类跑道式消声器。
3）后消声器长度的确定
根据要求进气口的直径为48mm，消声量在15dB左右，设第1节扩张室的峰值频率为500Hz；第2节扩张室的峰值频率为600Hz；设第3节扩张室的峰值频率为800Hz；设第4节扩张室的峰值频率为1000Hz；根据消声量的大小可以初取扩张比m=10。
A. 进排气口截面积：
S1=π×d×d/4=π×48×48/4=1018
B. 第1扩张室长度：
L1=c/(4×f)=340/(4×500)=0.170m
C. 第2扩张室长度：
L2=c/(4×f)=340/(4×600)=0.142m
D. 第3扩张室长度：
L3=c/(4×f)=340/(4×800)=0.106m
F. 第4扩张室长度：
L4=c/(4×f)=340/(4×1000)=0.085m
G. 消声器总长：
L=L1+L2+L3+L4=0.503m，符合消声器要求的长度。
4）隔板等的穿孔率及孔径的确定
在消声器中增加了穿孔管及穿孔板声学元件。穿孔声学元件主要利用小孔对气流的阻滞作用达到消声的目的。穿孔声学元件的降噪量主要与穿孔率、小孔孔径有关。穿孔率越小、小孔孔径越小，消声量越大。但穿孔率过小、小孔孔径过小，气流的流动阻力损失则越大，造成发动机功率损失亦大，经济性能变差。一般穿孔声学元件小孔孔径取为Φ3mm～Φ8mm，穿孔率可取为7％~15％。
为了减少阻力，在扩张室中可将内接管插入管用穿孔管(穿孔率P高于30％)连接起来，实际做成通管，在固定的地方穿孔。这样可以大大改善空气动力性能而对消声器的频率消声性能影响不大。
对于消声器中间的两块挡板，初取其穿孔率为30％，B/D=1.6，取孔径为8mm，则孔的中心距为1.6×8=12.8mm。
A. 隔板孔数的计算：
S椭圆=π×73×73+146×46=π×100×75=23450
S圆=π×R×R=π×24×24=1809
S=S椭圆-S圆=23450—1809=21641
S孔=π×r×r=π×4×4=50.24
经计算得穿孔板孔数为129个，实际生产为了加工的方便取88个。
B. 穿孔管孔数计算：
S圆柱面=2πRL=2×π×24×170÷4=6405
S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625
经计算得穿孔管孔数为96个，实际取90个。
第二段穿孔管：
S圆柱面=2πRL=2×π×24×142÷4=5351
S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625
经计算得穿孔管孔数为80个。实际取75个。
第三段穿孔管：
S圆柱面=2πRL=2×π×24×106÷4=3994
S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625
经计算得穿孔管孔数为61个。实际取60个。
第四段穿孔管：
S圆柱面=2πRL=2×π×24×85÷4=3201
S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625
经计算得穿孔管孔数为48实际取45个。
C. 前护面穿孔板：
S=(π×53+2×46)×170=43931.4
S圆=πr×r=π×4×4=50.24
D. 后护面穿孔板：
S=(π×53+2×46)×85=21965.7
S圆=πr×r=π×4×4=50.24
5）吸声材料的选取
可以作消声器的吸声材料有很多，如：玻璃棉、矿渣棉、防水玻璃棉、石棉、工业毛毡等。考虑到排气管的温度及吸声效果，我们选用耐高温的超细玻璃棉作为吸声材料。此超细玻璃棉可在1000℃的高温下正常工作，且消声效果好。它具有直径细、纤维长、重量轻、不易燃、防蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软不刺手等特点。
吸声性能除了与吸声材料有关外，还与吸声材料的厚度及密度有关，增加吸声材料的厚度和密度，可以提高中、低频的消声效果。所设计的消声器选用厚度为20mm，密度为30kg·m-3的超细玻璃棉作为吸声材料。这样既可以使整个消声器的结构紧凑、重量轻，又可以取得很好的消声效果。
四、结语
中国产业调研网发布的2017年中国汽车消声器市场现状调研与发展前景预测分析报告认为，汽车消声器是阻碍声音传播而让气流通过的、防治气流动力性噪声的专用设备。世界上已具有多种型式的消声器，大多采用阻抗复合型消声原理。
而由于结构复杂、重量大、高温氧化吸声填料，高速气流冲击吸声填料，水气渗透吸声填料等原因，造成消声器维修频繁、消声效果差，使用周期短等情况，历来是汽车消音器面临的主要问题。
写在最后
我用持续不断的
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