聲學/汽車消聲器

簡介

汽車消聲器是汽車排氣系統的一部分。排氣系統主要有3個功能

將發動機產生的高溫有害氣體排放到車外
減少排氣排放
衰減發動機產生的噪聲

最後一個功能是汽車消聲器的功能。這是必要的，因為來自發動機活塞燃燒的氣體如果直接透過排氣閥排放到發動機周圍的空氣中，會產生極其大的噪音。有兩種技術用於抑制噪音：吸收和反射。每種技術都有其優缺點。

吸收消聲器

消聲器由一個覆蓋有吸音材料的管子組成。該管子是穿孔的，因此一部分聲波會透過穿孔進入吸音材料。吸音材料通常由玻璃纖維或鋼絲絨製成。吸音材料由一層彎曲的金屬板保護，以防周圍環境的影響。

這種方法的優點是背壓低，設計相對簡單。這種方法的缺點是與其他技術相比，其隔音能力較低，尤其是在低頻時。

使用吸收技術的消聲器通常用於運動型汽車，因為它們由於低背壓而提高了發動機的效能。提高其隔音能力的一個技巧是將多個“直線”消聲器排列在一起。

反射消聲器

原理：利用聲波反射產生最大程度的破壞性干涉

破壞性干涉的定義

讓我們考慮一個人在汽車經過時聽到的噪音。這種聲音在物理上對應於空氣的壓力變化，這將使他的耳膜振動。圖1中的曲線A1可以代表這種聲音。壓力幅值是特定固定位置時間函式。如果在同一時間產生另一個聲波A2，則兩個聲波的壓力會疊加。如果A1的幅值與A2的幅值完全相反，則總和將為零，這在物理上對應於大氣壓。因此，儘管有兩個輻射聲源，但聽眾將什麼也聽不到。A2被稱為破壞性干涉。

反射的定義

聲音是行波，即它的位置是時間的函式。只要波在同一種介質中傳播，速度和幅值就不會發生變化。當波到達兩種阻抗不同的介質的邊界時，速度和壓力幅值會發生變化（如果波不是垂直於邊界傳播，角度也會發生變化）。圖1顯示了兩種介質 A 和 B 以及 3 種波：入射波、透射波和反射波。

示例

如果平面聲波在管道中傳播，並且管道的橫截面積發生變化，則管道的阻抗也會發生變化。一部分入射波將穿過不連續點並透射，而另一部分將被反射。

動畫

使用反射技術的消聲器是最常用的，因為它們比吸收消聲器更有效地抑制噪音。但是，它們會產生更高的背壓，從而降低發動機效能（沒有消聲器，發動機將是最有效或最強大的）。

右上角的影像代表了汽車消聲器的典型結構。它由 3 根管子組成。有 3 個區域，由板隔開，位於中間區域的管子部分是穿孔的。少量壓力會從穿孔的管子中“逸出”並相互抵消。

一些使用反射原理的消聲器可能包含用於抑制噪音的腔體。這些腔體在聲學中被稱為亥姆霍茲共鳴器。此功能通常僅適用於高階消聲器。

背壓

汽車發動機是四衝程發動機。在這 4 個衝程中，只有 1 個衝程產生動力，即爆炸發生時，將活塞推回。其他 3 個衝程是必要的“惡”，它們不產生能量。相反，它們消耗能量。在排氣衝程中，爆炸後的殘餘氣體被排出氣缸。排氣閥後面的壓力（即背壓）越高，排出氣缸所需的力越大。因此，為了獲得更高的發動機馬力，需要低背壓。

傳遞矩陣法消聲器建模

這種方法易於在計算機上使用，以獲得消聲器傳輸損失的理論值。傳輸損失以 dB 為單位給出值，對應於消聲器抑制噪音的能力。

示例

P 代表壓力 [Pa]，U 代表體積速度 [m3/s]

${\begin{bmatrix}P1\\U1\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P2\\U2\end{bmatrix}}$ 以及 ${\begin{bmatrix}P2\\U2\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T2\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P3\\U3\end{bmatrix}}$ 以及 ${\begin{bmatrix}P3\\U3\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T3\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P4\\U4\end{bmatrix}}$

所以，最終： ${\begin{bmatrix}P1\\U1\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}T1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T2\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T3\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}P4\\U4\end{bmatrix}}$

其中

${\begin{bmatrix}T_{i}\end{bmatrix}}$ = ${\begin{bmatrix}cos(kL_{i})&jsin(kL_{i}){\frac {\rho c}{S_{i}}}\\jsin(kL_{i}){\frac {S_{i}}{\rho c}}&cos(kL_{i})\end{bmatrix}}$