隔板缝隙对抗性消声器声学性能影响的试验研究*

前言

排气噪声是汽车发动机的主要噪声。安装排气消声器是控制汽车排气噪声最有效的措施，而声学性能是其消声器最主要的性能。汽车上普遍应用的抗性消声器通过管道截面突变、旁支管和共振腔等造成声传播时阻抗失配，来达到消声目的［1］。因此最初大部分研究［2-3］都着眼于结构或尺寸参数对消声器声学性能的影响规律，之后学者们发现影响消声器声学性能的因素还包括气流速度［4-6］、气流温度［4，7-9］和气流再生噪声［10-12］等。随着研究的深入，对上述因素影响规律的认识已日趋成熟。

汽车排气消声器为提高消声量，通常利用隔板将消声器分割为多个不同结构的腔室［8，13］，实际批量生产的消声器的隔板通过点焊与管道和筒体连接，形成了隔板缝隙。隔板缝隙的客观存在改变了声音传播介质(消声器内部空气)间的拓扑关系。而目前所有关于消声器的研究，均以隔板将消声器各腔体完全分割进行建模和分析［8-9］，这与实际加工的消声器不一致。

关于隔板缝隙对抗性消声器声学性能影响的研究，目前国内外仍未见报道。因此研究这一因素对消声器声学性能的影响对于汽车排气消声器的设计开发具有重大的实际意义。

本文中首先分析隔板缝隙的形成原因，然后对具有隔板缝隙和去除隔板缝隙的样件进行传声损失试验，并据此研究隔板缝隙对抗性消声器声学性能的影响，最后根据声学理论对试验结果予以诠释。

1 排气消声器隔板缝隙的形成

汽车排气消声器多采用不锈钢或碳素钢，通过冲压、卷管和焊接等工艺加工而成。隔板将消声器筒体分割为多个腔室。加工消声器时通常先将已冲压翻边的隔板与进出口管及其他连通管道焊接在一起，形成芯部总成，之后放入纵缝咬边的消声器筒体内，再将隔板与筒体焊接在一起［14］。为减少加工成本、防止焊穿，避免使用过程中热变形带来的问题，隔板与管道和隔板与筒体间往往采用点焊，导致隔板并未与管道或筒体完全连接，加之消声器加工精度较低，隔板与筒体的配合往往较差，因而在隔板边缘处形成缝隙，使不同腔室中的空气可通过这些缝隙相互连通。图1为某合资品牌B级轿车排气消声器的解剖图。由图可见，该消声器内有两块冲压翻边的隔板，隔板与内部管道、隔板与筒体均由点焊连接，隔板与筒体、隔板与管道间均存在缝隙。

图1 某B级轿车排气消声器解剖图

2 考虑隔板缝隙的消声器声学性能试验

由于消声器隔板缝隙来源于消声器的实际加工，因此须通过对这些加工好的消声器进行试验，来揭示隔板缝隙对消声器声学性能的影响。

2.1 消声器试验样件设计

汽车排气消声器多为抗性消声器，抗性消声器主要有扩张式和共振式两种结构形式［1］。为了解隔板缝隙对这两种消声器性能的影响，设计了两款消声器，如图2和图3所示。其中消声器筒体、管道和隔板的厚度均为1.5mm，筒体截面形状为椭圆，长轴a=220mm(均为内径，后同)，短轴 b=145mm，C1=173mm，C2=245mm，L1=54mm，L2=114mm，L3=80mm，S=65mm，D1=D2=42mm，消声器 1和消声器2的差异在于消声器2出口管在第2腔中具有4排穿孔，各排之间的轴向间距L4=12mm，每排有沿周向均布的7个直径4mm的穿孔，形成同轴型共振式消声器。此外，为与批量加工的消声器实际情况相符，采用某合资品牌A00级轿车排气消声器的筒体、隔板和端盖等部件，分别按两款消声器方案制作了6只样件(隔板翻边长度约为14mm，朝向第2腔)。其中将隔板与筒体间、隔板与出口管全部焊死，称为消声器1A和消声器2A;将隔板与出口管全部焊死、隔板与筒体间采用点焊连接，称为消声器1B和消声器2B;按批量生产消声器实际加工方法，即隔板与出口管、隔板与筒体间都采用点焊连接，称为消声器1C和消声器2C;为研究翻边的影响，在消声器2C的基础上，将隔板翻边长度改为4mm，加工为第7只消声器，并称为消声器2D。

图2 消声器1结构示意图

图3 消声器2结构示意图

需要说明的是，消声器1的构型一般不会用于实际消声器中，设计该消声器的目的是为了与消声器2的试验结果进行比较。

2.2 消声器传声损失试验

消声器的传声损失表示消声器输入和输出噪声能量的相对变化关系，定义为消声器入口和出口处的声功率级之差［15］。它描述了消声器的固有特性，与作用在消声器上的声源无关［1，13］，因此本文中以传声损失作为评价消声器声学性能的指标。

消声器传声损失试验利用B＆K的声学材料测试系统，包括含任意波形信号发生器的 PULSE 3560B型硬件采集前端、2716C立体声功率放大器、4260T阻抗管和频响匹配精度较高的4187型1/4英寸传声器等，构建的传声损失测量装置如图4所示，采用两载法测试了上述7只消声器，具体原理、试验步骤和数据后处理方法等参见文献［16］。试验时室温为26.5℃。

图4 传声损失测量装置原理图

3 试验结果分析

3.1 出口管开孔对消声器传声损失的影响

图5比较了消声器1A和2A的传声损失试验结果。消声器1A与2A相比，在1000Hz以上传声损失差异较小，而在1000Hz以下消声器2A具有更大的消声量，特别是在230Hz形成峰值。说明消声器2A的出口管在第2腔的开孔形成了同轴型共振式消声器，引起了这一消声尖峰。

图5 消声器1A和2A传声损失试验结果对比

3.2 隔板缝隙对扩张式消声器传声损失的影响

图6比较了消声器1A、1B和1C的传声损失试验结果。可见，一方面消声器1B与1C传声损失结果几乎一致，表明和隔板与简体间缝隙相比，隔板与管道间缝隙的影响可以忽略;另一方面，消声器1A与1B、1C的传声损失结果整体上差异不大，但是消声器1B、1C相比1A而言，在120Hz附近形成共振消声峰值，表明隔板缝隙对扩张式消声器本身影响较小，但隔板缝隙与消声器第2腔形成一个特殊的共振式消声器，影响了消声器250Hz以下的消声量。

图6 消声器1A、1B和1C传声损失试验结果对比

3.3 隔板缝隙对共振式消声器传声损失的影响

图7比较了消声器2A、2B和2C的传声损失试验结果。可见，一方面消声器2B与2C传声损失结果几乎一致，表明和隔板与筒体间缝隙相比，隔板与管道间缝隙的影响可以忽略;另一方面，消声器2A与2B、2C相比，其传声损失在中高频范围内差异较小，而在低频的共振频率发生了明显的偏移，从230Hz变为385Hz。可见共振频率的偏移表明隔板缝隙对共振式消声器声学特性具有较大影响。

图7 消声器2A、2B和2C传声损失试验结果对比

3.4 隔板翻边对共振式消声器传声损失的影响

图8比较了消声器2A、2C和2D的传声损失试验结果。由图可知，传声损失的主要变化是，消声器2C和2D的共振频率都相对2A发生了偏移，在低频段，2C和2D的共振频率分别为385和450Hz，消声器2D的偏移量大于2C，说明隔板翻边长度的减小会增大共振频率的偏移，即较大尺寸的隔板翻边能减小隔板缝隙对共振式消声器传声损失的影响。

图8 消声器2A、2C和2D传声损失试验结果对比

3.5 隔板缝隙影响传声损失的成因分析

式中:l为旁支短管长度或修正长度;ρ0为空气密度;Sb为旁支短管总横截面积;Vb为共鸣器体积;c0为空气中声速。当入射声波频率f=f0时，形成共振，入射声波被共鸣器旁支所阻拦，产生消声作用［17］。

由于隔板缝隙的存在，使旁支短管总横截面增大，共振频率相应升高;隔板翻边即可视为特殊的“旁支短管”，隔板翻边的长度影响了旁支“短管”的长度，且与隔板与筒体的声质量成正比，从而改变共振频率;和隔板与筒体间缝隙相比，隔板与管道间缝隙对共振消声器旁支管的声质量的影响很小，因此

从上面的分析可以看出，隔板缝隙主要是隔板与筒体间的缝隙会改变共振式消声器传声损失，且隔板翻边尺寸能够影响这种改变。

共振式消声器是一种通过管道开孔与亥姆霍兹共鸣腔相连形成的结构［1］。无论是旁支型、同轴型或窄缝型，其基本原理大致相同。旁支管、穿孔或窄缝所形成旁支短管的声质量为其对共振频率的影响可以忽略。

须要说明的是，隔板缝隙对共振式消声器的影响与文献［18］中连接管并联的共振式消声器类似，然而隔板缝隙和穿孔管位置的差异较大，因而其共振频率不能按集总质量法来计算，而要采用旁支短管总横截面线性叠加的方法。

4 结论

(1)批量生产的消声器隔板形成的缝隙对扩张式消声器声学性能影响较小。

(2)批量生产的消声器隔板形成的缝隙对共振式消声器声学性能有重大影响:因为缝隙的存在减小了旁支管的声质量，从而提高了其声质量-声容系统的固有频率和消声器消声共振频率。

(3)隔板翻边长度的减小，即旁支管长度减小，使旁支管的声质量减小，因而进一步提高共振频率。

了解消声器隔板缝隙对共振式消声器声学性能有重要影响这一客观事实，有助于共振式消声器设计时合理选择参数，避免实际批量生产的消声器声学性能与计算结果发生重大变化。

隔板缝隙对抗性消声器声学性能影响还有待进一步深入，例如两腔扩张式消声器和两腔共振式消声器等，并且可以引入有限元等手段详细分析隔板缝隙对消声器内部声音传播的影响规律。