消音器基本原理：排气声浪调节都靠它

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　　消声器是指对于同时具有噪声传播的气流管道，可以用附有吸声衬里的管道及弯头或利用截面积突然改变及其他声阻抗不连续的管道等降噪器件，使管道内噪声得到衰减或反射回去。

　　声浪丨多数人知道，少数人了解

　　说起声浪就要说明它产生的机理：我们需要对声音做个简单的介绍。


　　声音的三大要素是：声源、传播和接收。传播靠的是媒质，例如空气、水和钢管等物质;声源是激发媒质振动的物体，例如排气声浪是发动机排出尾气，尾气在排气管内振动而产生的;而人耳是一种接收装置。


　　媒质振动会产生分子的稀疏区和稠密区，这就是常说的声波(和水波类似)。相邻的分子稠密区(或稀疏区，可以把手放在消音器出口段会感到压力是间断增大和减小的，大的即稠密区，小的即稀疏区)距离的长短决定了声波的频率，此距离越长，声音频率越低(低音)，此距离越短，声音频率越高(高音)。在GT分析中排气噪声频率时一般不超过1000赫兹(噪音频率超过1000赫兹GT的精度会有所下降)，其中低于100赫兹的部分可认为是低音，100至300赫兹可认为是中音，高于300赫兹属于高音，这和正常的音乐低中高音划分是不一样的。声音的大小用分贝来表示。人正常讲话的声音大约为60~70分贝，F1赛车的声音可达100~110分贝。

　　噪音产生的原因

　　首先来了解发动机是如何工作的，常见的四冲程发动机有四个工作环节：“1-进气”、“2-压缩”、“3-点火”和“4-排气”，相邻的两次排气过程中间间隔着另外3个工作环节，所以排气管内的气体压力是不连续的，而不连续的气体压力产生导致了气体分子的稀疏区和稠密区，这和前面讲到的声音产生机理一样，排气声浪就是这样由发动机尾气周期性排出产生的。

　　排气声浪的特点

　　排气声浪分为两部分：一部分是和发动机周期性旋转相关的，称为阶次声;另一部分是尾气流动然后排放到空气中产生的咝咝声，称为气流声，改装排气追求的迷人声浪均为阶次声。为了突出阶次声，需要降低气流声，通常采取的办法是使用吸音棉吸声和将排气尾管加粗，降低尾气的流动速度，从而降低气流声。


　　阶次声又可分为很多部分，根据发动机缸数的不同，阶次声名称也不同，如4缸机对应的为2阶、4阶和6阶等，6缸机分为3阶、6阶和9阶等。专业的排气声浪设计通常会将排气声通过专业设备录下来并进行分析，得到彩色频谱图。以某4缸机排气声浪彩色频谱图为例：

　　蓝色代表声音小，红色代表声音大，横轴方向为声音频率，纵轴方向为发动机转速。图中黄色的斑点为气流声，例如1200至1500赫兹的排气声浪频段均为气流声。图中50至450赫兹区间的一条条斜线代表的是阶次声。第一条明显的斜线为2阶阶次声;第二条为4阶，依此类推。通常来讲，声音低沉有力的排气声浪，其能量集中在前两阶(即2阶和4阶)。声音高亢清脆的排气声浪则集中在更高阶次(6，8，10，12阶甚至更高)。

　　如何控制排气声浪

　　排气声浪的调节主要靠消声器来完成。按工作原理来划分，消声器可分为阻性、抗性和复合型。


　　  · 阻性消声器：工作原理为利用吸音棉吸收声音。顾名思义是阻碍声音是通过在消音器中填充多空吸声材料，将声能转化为内能，消耗掉这部分能量，但是对高频消音效果好对低频消音效果差。这是为什么呢?可以想高频频率大可以消除绝大部分，而低频本来就少，效果不好。我觉得要是阻碍低频部分可以多添加消音棉，当然消音棉添加是有限制的。常见于中段消声器和尾段直排消声器，阻性消声器主要工作于中高频。


　　  · 抗性消声器：顾名思义相抗来消除波动与阻性原理不同抗性消声器(也有称之反射式)主要由隔板、膨胀室组成。一般消声器有三个膨胀室，大小不一。利用废气在这些腔室里反射、相互干涉(摩擦)而达到消声效果。对中低频的噪声抑制效果非常明显。利用管路打孔和管路断开等方式造成结构不连续，声音在这些不连续的结构处被反射回去，从而达到降低声音的目的，抗性消声器主要工作于中低频。


　　  · 复合型消声器：为阻性和抗性消声器的结合体，可实现全频率段降噪。然而大多数人常把气流和声音混为一谈，认为改变气流走向就能改变声音，这是不完全正确的。举个最简单的例子，如图所示的阻性消声器，气流由于吸音棉的阻挡作用，大部分沿着内管流动，而一部分声音则可以轻松地通过内管上的孔穿透至吸音棉被吸收。如果将阻性消声器的外壳直径加大到足够大，此时气流走向依然保持沿内管流动，但是基本上所有声音会被吸音棉吸收掉，所以即使是直排，也可以消除一定的噪声。

　　排气共振

　　排气共振分为两种，一种是声音上的共振(也叫共鸣)，一种是震动上的共振。排气管的振动是由发动机运转产生的振动引起的(可以称之为声源)，可以在连接处安装波纹管来降低传递到中尾段的振动，这是波纹管相当于一个弹簧减震系统。经过合理设计的波纹管可以衰减掉大部分沿排气管传播的振动。


　　任何物体都有固定的振动频率，排气管也不例外。除此之外，物体每个部位的振动大小也是有规律的，有的地方振动量始终很小，有些地方的振动量始终很大。我们在方程式中固定消音器时也要找对位置不要放在振动量大的地方(如FSCC赛车正后仓)，也可以在排气总管与消音器之间加装波纹管衰减振动频率，改变排气管固有的振动频率。而且排气噪声的振动将会放大且通过车架带动整车振动。当两个振动函数的频率相同时，其振幅将会叠加故会放大振动。所以在安装消音器时也要找到合适的位置。

　　声音的共振是振动的传播需要媒介，振动共振是发动机的震动和排气管的结构固有特性相吻合导致的，排气声浪传播介质是空气，那么声音的共振就是发动机的排气声浪与排气管中的空气固有特性相吻合导致的。排气声浪在传播过程中会在排气管内形成驻波，与振动在排气管不同位置振动量大小存在差别一样，因为驻波的存在，声音在排气管内的大小也因位置不同而存在差异，通常在消音器内部管路断开点处都是声音的最低点声音最高点的个数和位置则因声音频率的不同而不同。如驻波1的声音最高点在两个消音器的中间，而驻波2的频率是驻波1的两倍。当发动机的排气声浪频率和连接管驻波的频率相吻合时，就产生了声音的共振。同样共振即代表振动将会放大。


　　来源：河工程凌云车队公众号(ID：lingyunchedui)