汽车NVH性能开发：排气系统噪声及消声器

排气系统噪声包括空气动力噪声、冲击噪声、辐射噪声、空气摩擦噪声等多种形式。排气系统和进气系统一样，对车内和车外噪声有很大的影响。在概念设计阶段，重要的一点是考虑好排气系统的总体布置方案、消声器、排气吊挂、排气噪声指标等内容。图4.1.28所示为排气噪声产生原理。

图4.1.28 排气噪声产生原理

1.排气系统布置方案

排气系统一端安装在发动机上，另一端通过吊耳安装在车体上。其功能主要有两方面，一是废气处理，通过三元催化器，利用化学反应将废气转换成无害气体；另一个是降低噪声，通过消声器降低发动机燃烧时产生的气动噪声和高速排气在管道中的摩擦噪声。图4.1.29所示为典型的排气系统布置示意图。

图4.1.29 排气系统总布置

排气在排气管中呈现高温、高速流动状态，因此，为了降低高速气体与管壁摩擦而产生的噪声，应该将排气管路尽可能设计得直，减少弯曲，以减小气流冲击。另外，排气管的直径要尽可能大，以减小排气流的速度。

一些大排量汽车的排气系统采用双尾管设计，这样有利于气流排出顺畅。特别是对于高频噪声，双排尾管远远低于单排尾管。

2.排气消声器

消声器的功能是降低排气噪声。一般情况下，排气系统中会设置两个消声器，一个容积较大，称为主消声器，内部构造主体由膨胀室、扩张室和干涉管组成。另一个容积稍小，称为副消声器，通常采用比较简单的膨胀式、共鸣式和吸声式结构。消声器内部有特殊的回路，能够降低特定频段的噪声。图4.1.30所示为汽车上常用的扩张型、共鸣型和多孔型消声器。消声器结构形式、尺寸参数都会影响消声效果。

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图4.1.30 常用消声器类型

消声器的容积对消声效果影响最大。从理论上来讲，容积越大则消声效果越好，但是由于总布置空间的限制，消声器又不能做得太大。图4.1.31所示为消声器容积设计案例。

3.吊挂位置及数量

排气系统通过吊挂与车身连接，排气系统的振动通过吊挂传递到车身。吊挂位置及数量的选择直接影响排气系统向车身的振动传递。吊挂通常由橡胶制造，具有较低的弹性，能够有效衰减排气系统的振动，同时还要承担排气系统的重量。

吊挂的衰减率，通常也称为隔振率，是评价吊挂位置、刚度的选择是否合理的指标。吊挂的衰减率是指排气系统的振动通过吊挂向车身传递时的振动衰减程度，通常要求不低于10倍，即排气系统的振动通过吊挂后，传递到车身的振动幅度应该减小10倍以上。

图4.1.31 消声器容积设计

吊挂传递力也是很重要的一个指标，它是指排气系统振动带给车身的激励。通常吊挂传递力要求小于10N，更高级的车要求更低，如中级车要求吊挂传递力低于5N。

排气系统属于细长结构，通常其长度会超过2m，因此，排气系统本身具有很多阶模态，并且很低。如果排气系统的某阶模态被激励起来，振动会通过吊挂直接向车身传递，引起车身振动和车内声腔共鸣，产生噪声。因此，在汽车设计过程中，需要重点控制排气系统的前几阶模态，保证与发动机怠速激励、动力总成刚体模态、车身弯曲模态等避频。

在排气系统设计过程中，需要进行详细的分析计算，掌握排气系统的振动特性，如模态分布，以确定吊挂点的最佳位置和橡胶刚度。