抗性消聲器概述

抗性消聲器(reactivesilencer,reactivemuffler)它是內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中廣泛使用的消聲裝置，通常由幾個(gè)具有不同聲學(xué)特性的單元連接而成。當(dāng)聲波沿管道傳播時(shí)，會(huì)在聲學(xué)特性突變的界面上產(chǎn)生反射，部分聲波會(huì)向聲源反射，只有部分會(huì)繼續(xù)向前傳播，從而達(dá)到消聲的目的。

抗性消聲器的基本類型可分為膨脹型、共振型和干涉型。膨脹消聲器主要通過(guò)管道截面的突然膨脹（或收縮）產(chǎn)生的反射；通過(guò)旁邊的共振系統(tǒng)（有時(shí)也稱為旁邊的支管消聲器）產(chǎn)生共振消聲器；干涉消聲器通過(guò)兩個(gè)相干的聲波相互抵消。實(shí)用的抗性消聲器一般由上述基本消聲器組成，如下圖為典型的汽車排氣消聲器，是各種抗性消聲原理的綜合應(yīng)用。

與電阻消聲器相比，電阻消聲器中的聲音反射非常強(qiáng)。在設(shè)備消聲器前后，從聲源到消聲器的聲波可能會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，使用插入損失和聲音傳輸損失來(lái)評(píng)估聲音效應(yīng)將會(huì)有所不同，而實(shí)際的插入損失往往低于聲音傳輸損失。

除了消聲器本身的結(jié)構(gòu)外，還有許多內(nèi)氣流的溫度、流量等因素密切相關(guān)，也與管道系統(tǒng)出口的輻射條件和噪聲源的特性密切相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的具有良好消聲性能的消聲器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)并不一定很好。例如，在抗性消聲器理論中，首先提出了多段擴(kuò)張室和側(cè)支共振管中的聲傳播理論Davis等人，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用他們的理論和聲音損失(TL)在測(cè)試和驗(yàn)證中獲得了良好的一致性，但當(dāng)他們有這一理論來(lái)設(shè)計(jì)直升機(jī)的消聲器時(shí)，計(jì)算的傳聲損失是20dB，插入損失可以在實(shí)際安裝后進(jìn)行測(cè)試(IL)只有令人失望的10dB，后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，消聲器中的平均流是造成如此大差異的主要原因。

2、擴(kuò)張式消聲器的基本原理

當(dāng)平面聲波在剛性壁管道中傳播時(shí)，部分聲波在界面上反射，部分聲波通過(guò)界面繼續(xù)向前傳播。根據(jù)管道中的聲波在截面突變處反射的原理，設(shè)計(jì)了膨脹消聲器。

2.一節(jié)擴(kuò)張消聲器

截面面積為S在1的管道中，連接長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面面積突然增大S2的管道，就是簡(jiǎn)單的膨脹式消聲器，這段較粗的管道通常稱為膨脹室(膨脹管)。

圖2單節(jié)擴(kuò)張消聲器

假設(shè)消聲器進(jìn)出管道的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)。此時(shí)，可以忽略管道端口反射的聲波。只有當(dāng)聲波在消聲器中傳播時(shí)，才能考慮截面積的突變x=0和x=L兩個(gè)界面之間產(chǎn)生的聲音反射。單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的聲強(qiáng)透射系數(shù)可通過(guò)聲波通過(guò)中間層的推導(dǎo)結(jié)果獲得：

（1）式中：

S1-進(jìn)入，出管截面積；

S2-管截面面積擴(kuò)大；

L——管道管長(zhǎng)度；

k——波數(shù)。

單級(jí)擴(kuò)張式消聲器的傳輸損失取決于消聲器傳輸損失的定義：

（2）式中：m——抗性消聲器的膨脹比，m=S2/S1。

可以從上面看出，D與sin(kL)有關(guān)，由于sin(kL)它是頻率的周期函數(shù)，可以看出消聲量隨頻率而變化。kL=(2n+1)π/2時(shí)，sin2（kL）=1，D取得巨值：

（3）此時(shí)相應(yīng)的頻率為，λ

，也就是說(shuō)，擴(kuò)張室的長(zhǎng)度L是相應(yīng)頻率1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。

當(dāng)時(shí)，sin(kL)=0，此時(shí)消聲量為零，聲波通過(guò)膨脹段而不衰減，其對(duì)應(yīng)的頻率稱為通過(guò)頻率。通過(guò)頻率可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

可以看出，消聲器的長(zhǎng)度L是通過(guò)頻率時(shí)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

從上面的公式中，我們還可以看到管道截面收縮m倍或膨脹m倍，具有相同的消聲效果。在工程中，為了降低氣流阻力，經(jīng)常使用膨脹管。膨脹率越大，傳輸損失越大。在下圖中，我們給出了消聲量隨頻率變化的曲線。

根據(jù)以上分析，單節(jié)擴(kuò)張式消聲器具有以下兩個(gè)基本特點(diǎn)：

1).消聲量Dm由擴(kuò)張比m決定：

下圖給出了不同擴(kuò)張比m下的消聲量曲線，可以看出，當(dāng)擴(kuò)張比m小時(shí)，Dm值相對(duì)較?。划?dāng)m值增大時(shí)，Dm根據(jù)對(duì)數(shù)定律，近似值緩慢增加。如果要求消聲器具有明顯有效的消聲量，則必須使m足夠大。例如，如果需要Dm≥10dB，m值應(yīng)控制在6以上。在實(shí)際問(wèn)題上，m由于客觀條件的限值不能太大，所以單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的消聲量是有限的。

2).消聲器長(zhǎng)度與頻率特性之間的關(guān)系：

當(dāng)消聲量達(dá)到值時(shí)的頻率和通過(guò)頻率c/L成比例，即消聲器的頻率特性取決于消聲器的長(zhǎng)度L。長(zhǎng)度L增大時(shí)，消聲器的頻率特性向低頻方向移動(dòng)，消聲量不變。

2.2內(nèi)插式和多節(jié)式擴(kuò)張式消聲器

單節(jié)擴(kuò)展消聲器的主要缺點(diǎn)是通過(guò)頻率較多，通過(guò)頻率的消聲量為零，所有聲波都將通過(guò)消聲器，無(wú)法達(dá)到消聲的目的。避免這種情況的方法是使用多個(gè)擴(kuò)展室或內(nèi)部插入管來(lái)設(shè)計(jì)不同的頻率，以實(shí)現(xiàn)這些頻率。

如下圖所示，常見(jiàn)的插入管擴(kuò)張式消聲器可以通過(guò)頻率原理解釋為：

根據(jù)聲壓連續(xù)條件，可在截面I處獲得：

在截面I的左側(cè)，插入管和膨脹室可以看作是一個(gè)“閉管”當(dāng)插入管深度時(shí)，系統(tǒng)L1等于1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，截面I處為“閉管”中駐波的聲壓波節(jié)，即A4+B4≈因此可得：

換句話說(shuō)，幾乎所有進(jìn)入消聲器端的聲波都是反射的。如果我們拿走它，L1=L/2，那就可以了n=1，3，5…通過(guò)頻率消除(擴(kuò)張式消聲器半波長(zhǎng)奇數(shù)倍)。

插入管膨脹消聲器

與此類似，根據(jù)截面II可獲得聲壓連續(xù)條件：

在截面II在右側(cè)，插入管和擴(kuò)張室也可以看作是一個(gè)“閉管”當(dāng)插入管深度時(shí)，系統(tǒng)L2等于1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，在截面中II聲壓近似為零，即A3≈0，也就是說(shuō)，消聲器出口幾乎沒(méi)有聲波傳輸。如果我們拿走它，L2=L1/2=L/4，那就可以了n=2，6，10…通過(guò)頻率消除。

在下圖中，對(duì)比圖2中對(duì)應(yīng)的單節(jié)膨脹管消聲器和圖5中具有相同膨脹比和膨脹管長(zhǎng)度的雙內(nèi)插管消聲器的聲音損失?？梢钥闯?，雙內(nèi)插管消聲器不僅通過(guò)上述頻率獲得峰值消聲，而且還顯著提供了整體消聲量。

在實(shí)際工程中，為了進(jìn)一步提高膨脹消聲器的消聲效果，通常采用多段膨脹消聲器。消聲器的每個(gè)擴(kuò)張室通常采用不相等的長(zhǎng)度，使其通過(guò)頻率相互錯(cuò)開(kāi)。例如，使一個(gè)部分具有消聲量的頻率正好是另一個(gè)部分的通過(guò)頻率。這不僅提高了消聲器的總量，而且大大提高了消聲器的頻率特性。

3、擴(kuò)展消聲器的實(shí)驗(yàn)研究

前面提到的Davis20世紀(jì)50年代，對(duì)擴(kuò)張管消聲器的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，后來(lái)被引用為NACA研究報(bào)告1192。Davis這項(xiàng)工作已成為汽車工業(yè)和工業(yè)中抗性消聲器應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)研究中，他失去了77種不同的消聲器(TL)對(duì)擴(kuò)張管消聲器的性能特點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，并與理論計(jì)算進(jìn)行了比較分析。

3.1單節(jié)擴(kuò)張管的實(shí)驗(yàn)研究和截止頻率

圖7左側(cè)(a)圖中顯示了擴(kuò)張比m從4到64的變化特性。結(jié)果清楚地表明，擴(kuò)張比m越大，消聲器的峰值消聲量越大。除了4號(hào)消聲器的700外，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算基本一致Hz由于理論假設(shè)中的平面波條件不再滿足上述頻率。