工程聲學/汽車消聲器

第一部分: 集總聲學系統 - 1.1 - 1.2 - 1.3 - 1.4 - 1.5 - 1.6 - 1.7 - 1.8 - 1.9 - 1.10 - 1.11

第二部分: 一維波運動 - 2.1 - 2.2 - 2.3

第三部分: 應用 - 3.1 - 3.2 - 3.3 - 3.4 - 3.5 - 3.6 - 3.7 - 3.8 - 3.9 - 3.10 - 3.11 - 3.12 - 3.13 - 3.14 - 3.15 - 3.16 - 3.17 - 3.18 - 3.19 - 3.20 - 3.21 - 3.22 - 3.23 - 3.24

簡介

汽車消聲器是汽車排氣系統的一個組成部分。排氣系統主要有 3 個功能

1) 將發動機產生的高溫和有害氣體排出車輛

2) 減少尾氣排放

3) 衰減發動機產生的噪聲

最後指定的功能是汽車消聲器的功能。這是必要的，因為如果來自發動機活塞燃燒的氣體直接透過排氣閥進入周圍環境，它會產生極其響亮的噪音。主要有兩種技術用於抑制噪聲：吸收和反射。每種技術都有其優點和缺點。

吸收式消聲器

消聲器由一根覆蓋著吸音材料的管子組成。管子上有孔，因此一部分聲波會穿過孔進入吸音材料。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，以防止周圍環境的接觸。

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，消聲效果較差，尤其是在低頻下。

使用吸收技術的消聲器通常安裝在運動型車輛上，以提高發動機的效能，因為它們的背壓較低。一個提高消聲能力的技巧是將幾個“直”消聲器排列起來。

反射式消聲器

原理：利用聲波反射產生最大程度的相消干涉

相消干涉的定義

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，這會導致他的耳膜振動。圖 1 中的曲線 A1 可以代表這種聲音。壓力幅度是某個固定位置的時間函式。如果在同一時間產生另一個聲波 A2，兩個波的壓力將疊加。如果 A1 的幅度與 A2 的幅度完全相反，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，但聽眾什麼也聽不到。A2 被稱為相消干涉。

反射的定義

聲音是一種傳播波，即其位置隨時間而變化。只要波在同一介質中傳播，其速度和幅度就不會發生變化。當波到達兩種阻抗不同的介質之間的邊界時，速度和壓力幅度會發生變化（如果波不是垂直於邊界的，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、透射和反射。

示例

如果平面聲波在管子中傳播，並且管子的橫截面在某一點 x 處發生變化，則管子的阻抗將發生變化。因此，一部分入射波將在管子的新橫截面值部分被透射，而另一部分入射波將被反射。

動畫

使用反射技術的消聲器最常使用，因為它們比吸收式消聲器更好地抑制噪聲。但是，它們通常會產生更高的背壓，這會降低發動機在較高轉速下的效能。雖然某些發動機在較低轉速（例如低於 2800 轉/分鐘）下可以產生最大馬力，但大多數發動機並非如此，因此在沒有消聲器的情況下，會在較高轉速下獲得更大的淨馬力。

右上角的圖示代表了汽車消聲器典型的結構。它由 3 根管子組成。透過隔板隔開了 3 個區域，位於中間區域的管子部分是穿孔的。少量壓力從管子透過穿孔“逸出”，並互相抵消。

一些高階消聲器將反射原理與一個被稱為亥姆霍茲共鳴器的腔體（以下紅色部分所示）結合使用，以進一步抑制噪聲。

背壓

汽車發動機是四衝程發動機。在這四個衝程中，只有一個產生動力，即爆炸發生時推動活塞向後運動的衝程。其他三個衝程是必要的“惡”，它們不產生能量。相反，它們消耗能量。在排氣衝程中，爆炸產生的剩餘氣體從氣缸中排出。排氣閥後面的壓力（即背壓）越高，排出氣體所需的力就越大。因此，為了獲得更高的發動機馬力，較低的背壓是比較好的。

使用傳遞矩陣法進行消聲器建模

這種方法易於在計算機上使用，以獲得消聲器傳輸損耗的理論值。傳輸損耗以 dB 為單位，表示消聲器抑制噪聲的能力。

示例

P 代表壓力 [Pa]，U 代表體積流量 [m3/s]

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

因此，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

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