汽车排气消声器发展研究

0 概述

汽车安装消声器以后可以提升发动机的动力性和经济性，并降低排气噪音。汽车排气系统噪声是整车噪声的重要组成部分，声学性能的实现是整车设计目标之一，如何更好的降噪并满足顾客听觉的舒适性，是排气开发工程师亟需研究的课题和任务。

1 排气消声器作用

（1）排气系统主要由排气歧管、氧传感器、波纹管、隔热罩、卡箍、副消声器、主消声器、排气尾管等部件组成（如图1 所示），根据排气系统的工作特点将其可分为净化装置（热端）和消音装置（冷端）。消音装置即消声器，功能主要是消耗废气流的能量,并平衡气流的压力波动,将无害气体通过排气尾管后排往大气，从而最终降低排气噪声。

图1

（2）汽车噪音主要分豪华型噪声、力量型噪声和运动型噪声。豪华型噪声主要以低声压级、发火阶次及其和谐阶次为主，半阶次成分少，给人以平稳的感受；力量型噪声主要以发火阶次贡献的噪声为主，一部分半阶次成分，给人以动力充足，响应迅速的感受，发动机转速一般为2000 ～4500rpm；运动型噪声是在力量型基础上增加半阶次成分，提高半阶次能量占比，发火阶次及其和谐阶次成分能量差不多，其声压级高，声音明亮、有赛车声音，发动机转速一般在3000rpm 以上。

2 消声器材料设计

随着汽车行业的发展，消声器的制造材料也在发生变化。汽车使用消声器初期，主要采用镀锌铝和普通钢来制造；接着汽车排放受到限制，而发动机的性能提升，此时被抗腐蚀性强且耐高温的镀铝钢取代了；现在人们对汽车尾气排放有了新要求，三元催化器加入到排气系统，这对消声器材料有更高的要求，不锈钢材料开始用到消声器制造中。目前的不锈钢种类众多，因409L 不锈钢具有优良的耐腐蚀性，抗高温性且成本低廉，适合于延长汽车寿命和汽车的轻量化，且作为可回收再利用的环保材料，在90%的汽车排气管上应用。

3 声学性能和结构设计

3.1 气流、温度对声学性能影响

（1）气流速度对消声器消声性能主要体现在两个方面：①气流的存在使小声波在消声器中传播的衰减规律发生变化。②气流本身的湍流运动产生的涡流再生和固体构件受迫振动而产生的噪声，统称为气流再生噪声。汽车动力性能的提高使发动机排量逐年增大，气流对消声器影响则愈加明显。气流的存在不仅改变了声波在消声器内的传播和衰减规律，还会激发出气流再生噪声、气流再生噪声与消音器内部结构密切相关，影响因素较多，目前暂无规律可参考，只能通过试验对比的方法探求最佳消声器结构。

（2）温度变化将影响空气的密度和特性阻抗，影响在空气中传播的声速大小，进而影响消声器的消声特性。在声波性能方面，当气流温度降低时，声速也会随之降低，抗性消声器的传声损失曲线会向频率减小的方向转移，故在一定的条件下，温度对消声器的声学性能是有影响的。

3.2 声学性能分析方法

有限元法以声压为研究对象，计算轴对称抗性消声器的传声损失，建立起排气消声器三维有限元模型。虽然有限元法能考虑高次谐波的影响，使声学计算更准确，但当划分的网格达到一定数量时，计算速度将会受到很大影响。采用边界元法建立声学系统模型，分析消声器弹性外壳对其消声性能的影响，实现了结构体声学边界元与有限元模型的耦合，在一定程度上提高了传声损失计算的速度和精度，同时也为消声器声学性能分析开拓了新方法。

3.3 结构设计方案确定

在排气系统结构设计中，利用一维流体分析软件GT-Power 对其声学特征进行仿真分析，研究结构方案能否满足设计要求。同时制作试验样件进行声学测试，比较试验结果与仿真结果，最终确定最佳结构设计方案。

4 试制和试验验证

试制和试验都是消声器设计的延续，是辅助设计的方式，更是消声器研发流程不可或缺的一环。

（1）试制主要是确认设计的合适与否、研究制造的方法。试制验证主要验证悬架产品相关零部件的可制造性、可装配性以及与整车装配的匹配性，在此过程中，需产品工程师和试制工程师全程参与，记录并分析过程异常点，为产品结构优化提供支持，同时也为正式生产工艺流程和参数确定提供输入或借鉴。

（2）试验是设计验证与和适性确认，对设计的结果是否满足了设计开发时所要求事项进行客观检验的过程，验证试制产品在试验过程中是否具备或使其具备能够满足顾客的需求。消声器试验是以实物静态验证为主，如：消声器的背压试验，现阶段消声器声学性能试验测试大多基于静态的试验，与消声器实际工况差异较大。从某种程度上说，没有真正反映消声器的实际消声性能，设计过程中必然会出现一些偏差。若能对消声器的动态特性进行仿真，真实、准确的预测出消声器性能随发动机转速、负荷等因素变化的规律，并基于该规律得出多维数据，助推消声器设计水平的提升。

5 结束语

汽车排气消声器节能降噪、安全环保的设计主旋律将贯彻到底，随着汽车工业技术的快速发展，排气消声器技术的发展也会日新月异。