趙東升,嚴天雄,劉進偉,高中華
(隆鑫通用動力股份有限公司,重慶400052)
日本福田基一教授的專著《噪聲控制與消聲設計》的出版是機動車噪聲控制研究的一個里程碑,他總結和發(fā)展了以前的消聲器理論,奠定了消聲器理論研究的經(jīng)典基礎[1,2]。書中詳述了消聲器的基本結構和消聲特性,總結匯總常見消聲形式特性如表1所示。
表1 消聲形式特性一覽表
(續(xù)下表)
(續(xù)上表)
競品消聲器與原消聲器結構對比如表2所示,原消聲器在競品消聲器基礎上取消了吸聲材料,同時消聲器材質由不銹鋼調整為普通鋼,為了彌補材質變更引起的剛度下降,在消聲器中增加了隔板支撐。
表2 競品消聲器與原消聲器結構對比
為了明確原消聲器與競品消聲器排氣噪聲的差異,確認影響聲品質的主要頻段,對兩種消聲器狀態(tài)的排氣噪聲進行摸底試驗,排氣噪聲對比結果如圖1所示。該圖橫坐標為時間,縱坐標為頻率,云圖顏色為聲壓級(聲壓級越高,顏色越明亮),該圖直觀地展示了“怠速-加油-回油”整個過程。由于原消聲器和競品消聲器狀態(tài)的噪聲試驗是兩次試驗,時間標度存在差別,但不影響測試分析結論。
圖1 排氣噪聲對比
為了方便對比,圖中統(tǒng)一頻率和云圖顏色的標度,從云圖顏色可以看出,在加油和回油過程中,原消聲器整體比競品消聲器顏色更明亮,即聲壓級更高。同時通過頻譜對比分析和實時濾波主觀識別,得出該車原消聲器排氣噪聲在高頻段(2 000~5 000 Hz)對聲品質影響較大,其中2 800 Hz和4 000 Hz附近尤為明顯,判定這是影響排氣噪聲聲品質的主要頻段,如圖2中所示。
圖2 多孔板型結構等效過程
針對特定頻段消聲,可以采用共鳴型結構和多孔板型結構。關于共鳴型結構教科書中已有相關論述,這里不作贅述。多孔板型結構文獻資料中涉及較少,下面進行簡單介紹。
多孔板共鳴頻率:
其中,t為板的厚度;d為孔的直徑;p為開口率(每個單位面積的孔的面積);i為后部空腔厚度;C o為聲速。
結合管道聲學理論及經(jīng)驗,擬定了對策方案(如圖3所示):(1)增加內板,形成雙層板結構,提高筒體剛度,抑制薄壁振動;(2)內板開孔設計為多孔板結構,衰減2 800Hz頻段高頻噪聲;(3)尾管鉆孔并加外套管設計為共鳴器結構,衰減4 000 Hz頻段高頻噪聲。
圖3 對策方案
對方案重新進行分析,顯示其高頻噪聲明顯下降,主觀評價認為該方案狀態(tài)消聲器的排氣噪聲聲品質達到競品水平,可以接受,匯總對比結果如圖4、表3所示。
(續(xù)下圖)
(續(xù)上圖)
圖4 排氣噪聲對比
表3 聲學參數(shù)對比
圖中展示了3種狀態(tài)消聲器的排氣頻譜云圖,云圖橫坐標為時間(對應于“怠速-加油-回油”整個過程),縱坐標為頻率,顏色亮度為聲壓級(顏色越明亮,聲壓級越高),為了方便對比3個云圖標尺統(tǒng)一設置。從圖中可以看到,對策方案相較于其他,整體亮度最低,特別是高頻顏色明顯暗淡。
表中匯總展示了3種狀態(tài)消聲器的聲學參數(shù)。聲壓級是描述聲信號的基礎參數(shù)。響度是聲強的聽覺印象。尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺,用以區(qū)別聲音是尖銳(sharp),抑或沉悶(dull)[3]。對于排氣噪聲聲品質而言,一般認為響度和尖銳度越低越好[4]。從表中可以看到,對策方案響度和尖銳度都比原狀態(tài)大幅下降接近競品狀態(tài),這與主觀評價結果基本一致。
排氣聲品質滿足要求,動力性能未有降低,同時方案消聲器相較于競品消聲器,單件成本低約35元。
(1)本文通過對原狀態(tài)消聲器和競品消聲器排氣噪聲試驗數(shù)據(jù)對比分析確定了主要差異頻段。進一步,針對這些主要差異頻段進行相應的結構消聲設計,排氣聲品質最終達到了競品水平。
(2)本文提供了降低消聲器成本的新思路:不銹鋼材質變更為普通鋼,同時取消吸聲材料,通過消聲器結構局部調整彌補吸聲材料高頻吸聲性能的缺失,最終達到相同的消聲性能。
[1]福田基一.噪聲控制與消聲器設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.
[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學理論[M].北京:科學出版社,2004.
[3]杜功煥.聲學基礎[M].南京:南京大學出版社,2001.
[4]梅曉銘.基于聲品質的摩托車消聲器創(chuàng)新研究[J].振動與沖擊,2015(4):9-13.