汽车NVH综合技术：消音器设计基础及原理解析

消音器大概可以分为三大种类：

1.抗性消音器

通过消音器内部的气流阻抗，将声波能量反射回声源，来达到降低噪声的目的。通常包括插入型消音器、共鸣型消音器、扩张型消音器等。

2.阻性消音器

在管道内部敷设吸音材料，吸收声能并转化为热能，达到降低噪声的目的。

3.主动消音器

在原声波上增加一个振幅相同、相位相反的另一组声波，利用两组声波之间的相互抵消作用来达到降低噪声的目的。

接下来以抗性消音器为例，基于平面波的传递理论来说明消音原理。

空间上某一点的声压级别L′（dB），可以用下式表达：

式中，L_W为声源的能量（dB）；r为距声源的距离（m）；Q为声源的方向系数（空中：1，地面：2，边缘：4，角落：8）；R为房间常数（由周围的声环境所决定的数值）

将消音器安装到声源上，开口中心的放射能量P_s（W/m²）经过消音器减衰后降低到P（W/m²），声压从L′（dB）降低到L（dB），L可以用下式表达：

从上式中可知，为了使L尽可能小，有如下方法：

①降低声源P_s。

②减小消音器的P/P_s。

③减小方向系数Q。

④增大距离r。

⑤增大房间常数R。

因此，在声源和环境噪声无法改变时，提高消音器的消音效果是最有效的方法。

图19-3 消声器的等价回路

如果将消音器表示为等价的电子回路，如图19-3所示。声源作为发出声音的源头，其声压以P_s代表。回路内的阻抗以Z_s代表。

Z_s=R_s+jX_s（19-3）R_S为声阻，由声源内部的壁管状态所决定。坚固的壁管且处于封闭状态下该值极大，壁管开孔或者粘贴吸音材料以后，其值很小。X_s为声抗，由管道内部的声波波长的关系决定。

在该声源上，安装阻抗为Z₁的消音器后，在消音器的入口处：

从声源传递到消音器的声能P₁及消音器出口放射出来的声能P₂分别用下式表达：

如果用Z₂表示放射声阻抗，则有

Z₂=R₂+jX₂（19-8）

上式中的X₂为开口端的修正长度，按照尾管的长度来选取。

消音器的设计目标就是减小从消音器中放射出来的声能和声源放射出来的声能的比值P₂/P_S。

一般用插入损失IL来表示消音器的消音效果，插入损失是指在系统中插入消音器之前和之后，在出口处得到的声压级差。

式中，P和P′分别为有、无消音器时的放射声能，测试时保证在相同位置、相同距离。将P′=（U′）2R′，P=U²R代入上式中，则IL的表达式为

式中，U′、R′为不装消音器时管端的体积速度和放射阻抗；U、R为带消音器时的值。对于图19-3中的4个系数A、B、C、D有以下关系：

在闭口端，考虑到修正长度位置的p=0，则不安装消音器时为

有消音器时则为

声源的阻抗Z_S和管道中的阻抗相比足够大时，声源的体积速度不随消音器的有无而变化，即D′U′=DU。这样的声源称为定速声源，则此时的IL可以用下式表达：

声源的阻抗Z_S和管道中的阻抗相比非常小时，声源的声压不因消音器的有无而变化，即B′U′=BU。这种声源称为定压声源，则此时的IL可以用下式表达：

由于管道、空洞的尺寸相对于波长非常小，可以视为单一的质量（声阻）和弹簧（声抗）的运动单元，称为声单元。

图19-4中，关于声阻抗、声质量、声容积，有以下关系式：(www.xing528.com)

声阻抗：

声质量：

声容积：

图19-4 声单元

图19-5 消音器单元

以这些参数作为集中系数，就可以求得有消音器时的插入损失IL。

对于图19-5中所示的由空洞和管道组成的消音器单元，从定速声源传来的声波，其插入损失IL为

此处，D=1+Z_m/Z_c，D′=1，因此，

式中，k=ω/c=2πf/c。

图19-6 声学管道

其次，关于进行频率响应的计算，对于图19-6所示的声学管道，点1的声压p₁为

p₁=p_msinωt=p_me^jωt

那么在声波行进方向上距离为l的点2的声压p₂为

如果管道内同时存在前进波和反射波，则4个系数A、B、C、D可以用下式求得。

其中的p、U可用下式求出。

再考虑闭合管的情况，如果在点2处闭合，则U₂=0，上式则变为

因此，

如果Z=0，则出现共鸣。此时的频率f_l为

闭合管时，p₂=0，则为

因此，

当Z=0时出现共鸣，此时的频率f₀为

图19-7 单纯消音器

对于图19-7中所示的单纯消音器，当空洞内为直行的平面波时，可以按如下方式求得4个端口系数。

从l_i的前端发出来的声音作为声源，可以用以下近似的方法求得IL：

以此类推，将各个管道对应的4个端口系数的矩阵相乘后，可以对空腔内平面波进行计算。

图19-8 插入型消音器