基于消声器异响现象的箱体尾管加长测试与分析
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作者:张旭东
摘要：为研究陕汽F3000和X3000两款自卸车后处理噪声异常问题，在不同转速下对两款自卸车进行原方案和加长尾管优化方案进行试验研究。结果表明：两款自卸车的驾驶室内和尾管OA噪声及阶次噪声水平整体差不多，排气消声器无质量问题；经加长尾管优化后，两款自卸车在各转速下的尾管后500 mm处OA噪声及阶次噪声水平均出现显著下降，频率在5 000～12 000 Hz处与转速在900～1 500 r/min区域的高亮彩带明显变弱，仅在1 100～1 300 r/min转速间出现能量较弱的彩带，异响不明显。
关键词：消声器；异响；尾管加长；优化
中图分类号：U467 收稿日期：2022-11-07
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.022
1 前言
随着城市交通的快速发展，以及城市汽车保有量的快速增长，交通噪声已经成为城市的最主要噪声源[1]。汽车噪声主要来源于发动机工作和排气时的噪声[2]，行驶时轮胎的噪声以及传动系统工作噪声，其中，发动机排气噪声占了整体噪声的20%以上[3-4]。
很多研究人员针对发动机排气消声器进行了大量研究。长安大学的王越[5]对消声器的声学性能进行了有限元仿真分析，结果表明，去除排气尾管上的穿孔结构而采用扩张腔中增加吸声材料结构，能有效降低中频带的消声量；昆明理工大学的习文辉[6]对排气消声器的结构参数进行了研究，结果表明，排气消声器的扩张腔长度和扩张比均能对排气消声效果产生明显影响；上海应用技术学院的周志浩[7]对柴油机排气消声器的结构参数和声学性能进行了研究，结果表明，不同插入管方式消声器的内部气流再生噪声对排气速度较为敏感且敏感程度各不相同；吉林大学的马家义[8]对车辆排气消声器的工作性能进行了研究，结果表明，利用算机仿真技术在现代消声器设计上进行应用可以有效缩短消声器的设计时间和成本。
在对陕汽F3000自卸车和X3000自卸车进行测试时，发现后处理噪声太大，后处理系统对排气的消声能力明显不够。本文以F3000自卸车和X3000自卸车为研究对象，通过给消声器进行尾管加长优化，以解决该两款自卸车后处理噪声异常问题，研究结果可为柴油机排气消声器的优化提供理论依据和现实参考。
2 试验方法
以F3000自卸车和X3000自卸车为研究对象，对比测量两款自卸车在驾驶室和排气消声器尾端两侧的三阶噪声、六阶噪声和九阶噪声情况，因自卸车为商用车，带挡加速实现起来较为困难，因而将试验工况定义为空挡加速，加速时长为60 s。图1所示为在自卸车驾驶室左侧安装噪声接收传感器，图2所示为排气消声器后500 mm处呈45°角安装噪声接收传感器，F3000自卸车与X3000自卸车的测量方式一致。
在两款自卸车排气消声器末端进行尾管加长，依然测量驾驶室左侧与离尾管末端500 mm处呈45°角两处的噪声情况。图3所示为加长尾管后的试验图。
3 试验结果
3.1 原消声器结果分析
图4所示为F3000和X3000两款自卸车在不同转速下的0A噪声对比情况。由图中可以看出：a.两款自卸车的驾驶室内和尾管OA噪声整体差不多，两个后处理噪声水平相当，主观评价两个后处理噪声品质相当，对F3000和X3000排气消声器的外观结构进行检查无异常，说明该排气消声器无质量问题；b.随着转速的增大，两款自卸车驾驶室内和尾管的OA噪声均呈现不断上升趋势，其中，驾驶室内的OA噪声峰值接近80 dBA，尾管后500 mm处的OA噪声峰值接近100 dBA，这主要是因为转速增加导致排气流速加快，一方面是高频噪声增加，另一方面是高流速排气会增加噪声再生。
噪声的阶次与转速和频率之间有对应关系，计算阶次的公式为：
[f=KR60（Hz）]
式中，f为频率；K为阶次；R为转速[9]。
图5所示为F3000和X3000两款自卸车在不同转速下排气尾管500 mm处呈45°角测量的阶次噪声对比情况。由图5可以看出：两款自卸车排气尾管500 mm处的三阶、六阶和九阶噪声水平基本相当，其中，三阶噪声和九阶噪声均随着发动机转速的升高而呈现上升趋势，而两款自卸车的排气尾管处六阶噪声基本不随发动机转速的上升而升高。
3.2 优化前后OA噪声结果对比
图6所示为F3000和X3000两款自卸车经过尾管加长处理后的不同转速下0A噪声对比情况。由图中可以看出：a.F3000自卸车经过尾管加长后，在各转速下的尾管后500 mm处的OA噪声均出现显著下降，降幅最多可达0%左右；驾驶室内的OA噪声在低转速时与原方案无明显差异，转速升高至1 200 r/min后，加装尾管后的噪声相比于原方案出现明显下降；b.X3000自卸车经过尾管加长后，在各转速下的尾管后500 mm处OA噪声及驾驶室内OA噪声均呈现明显下降，其中，尾管后500 mm处的OA噪声下降明显，最大降幅达到13%左右，而驾驶室内的OA噪声降幅偏小。
3.3 优化前后阶次噪声结果对比
图7所示为F3000和X3000两款自卸车经过尾管加长处理后的不同转速下排气尾管500 mm处呈45°角测量的阶次噪声对比情况。由图中可以看出：a.两款自卸车经过尾管加长后，排气尾管500 mm处的三阶和六阶噪声水平明显低于原方案，且三阶噪声随着转速增加降幅逐渐增大；b.F3000自卸车尾管加长后在低转速下的九阶噪声水平得到改善，在高转速时却无明显改善；而X3000自卸车尾管加长后在全转速下的九阶噪声并无明显改善。
3.4 瀑布图分析
噪声瀑布图用于观察消声尾管噪声能量大小[10]，通过观察噪声瀑布图，能够看出不同转速下，不同频率段的噪声特性，图8为F3000自卸车消声器尾管加长前后的辐射噪声瀑布图对比情况。从图8中可以看出，消声器箱体未加装尾管时，频率在5 000～12 000 Hz处与转速在900～1 500 r/min之间存在一个相对能量较强的高亮彩带，在该转速和频率范围内异响明显，在消声器箱体加装尾管后，该区域的高亮彩带明显变弱，仅在1 100～1 300 r/min转速间出现能量较弱的彩带，异响不明显。
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4 结语
以F3000自卸车和X3000自卸车作为研究对象，通过给消声器进行尾管加长优化，以解决该两款自卸车后处理噪声异常问题。
a.两款自卸车的驾驶室内和尾管OA噪声整体差不多，两个后处理噪声水平相当，主观评价两个后处理噪声品质相当，排气消声器无质量问题；排气尾管500 mm处的三阶、六阶和九阶噪声水平基本相当，且均随着发动机转速的升高而呈现上升趋势。
b.经尾管加长后，两款自卸车在各转速下的尾管后500 mm处OA噪声均出现显著下降；驾驶室内OA噪声相比于原方案出现明显下降；排气尾管500 mm处的三阶和六阶噪声水平明显低于原方案，且三阶噪声随着转速增加降幅逐渐增大，而F3000自卸车尾管加长后在高转速时却无明显改善。
c.原方案中频率在5 000～12 000 Hz处与转速在900～1 500 r/min之间存在一个相对能量较强的高亮彩带，在该转速和频率范围内异响明显，加长尾管后该区域的高亮彩带明显变弱，仅在1 100～1 300 r/min转速间出现能量较弱的彩带，异响不明显。
参考文献：
[1]侯荣，王武林小型柴油机的排放及控制技术[J]廊坊师范学院学报（自然科学版），2014，14（2）：41-43
[2]中国内燃机工业协会，《中国内燃机工业年鉴》编委会中国内燃机工业年鉴[M]上海：上海交通大学出版社，2012
[3]刘胜吉，曾瑾瑾，王建，等单缸柴油机一体式净化消声器设计与性能试验[J]农业工程学报，2016，32（9）：60-66
[4]赵开琦，江国和，王志刚一体式排气净化消声器消声性能分析[J]噪声与振动控制，2014，34（5）：219-223
[5]王越基于有限元法的消器性能分析[D]西安：长安大学，2015
[6]习文辉汽车排气消声器结构参数对消声性能的影响研究[D]昆明：昆明理工大学，2015
[7]周志浩柴油发动机排气消声器的设计及其性能分析[D]上海：上海应用技术学院，2015
[8]马家义消声器内部流畅声学特性研究[D]长春：吉林大学，2004
[9]毕嵘，刘正士，陆益民，等多穿孔板阻性消声器的声学特性研究[J]振动工程学报，2011，24（5）：568-572
[10]王武林，张旭东，冒兴峰，等筒式催化净化消声器声学性能试验与仿真分析[J]中国农机化学报，2018（6）：39-292
作者简介：
张旭东，男，1989年生，助理实验师，研究方向为内燃机排放噪声处理技术。
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