抗性消聲器概述

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

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管道截面的突然膨脹（或收縮）產(chǎn)生的反射；通過旁邊的共振系統(tǒng)（有時也稱為旁邊的支管消聲器）產(chǎn)生共振消聲器；干涉消聲器通過兩個相干的聲波相互抵消。實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用。

與電阻消聲器相比，電阻消聲器中的聲音反射非常強。在設備消聲器前后，從聲源到消聲器的聲波可能會發(fā)生顯著變化。因此，使用插入損失和聲音傳輸損失來評估聲音效應將會有所不同，而實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構外，還有許多內(nèi)氣流的溫度、流量等因素密切相關，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。因此，在實驗室中測試的具有良好消聲性能的消聲器在現(xiàn)場使用時并不一定很好。例如，在抗性消聲器理論中，首先提出了多段擴張室和側支共振管中的聲傳播理論Davis等人，在實驗室應用他們的理論和聲音損失(TL)在測試和驗證中獲得了良好的一致性，但當他們有這一理論來設計直升機的消聲器時，計算的傳聲損失是20dB，插入損失可以在實際安裝后進行測試(IL)只有令人失望的10dB，后來的研究發(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、擴張式消聲器的基本原理

當平面聲波在剛性壁管道中傳播時，部分聲波在界面上反射，部分聲波通過界面繼續(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，設計了膨脹消聲器。

2.一節(jié)擴張消聲器

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

圖2單節(jié)擴張消聲器

假設消聲器進出管道的時間無限長。此時，可以忽略管道端口反射的聲波。只有當聲波在消聲器中傳播時，才能考慮截面積的突變x=0和x=L兩個界面之間產(chǎn)生的聲音反射。單節(jié)擴張式消聲器的聲強透射系數(shù)可通過聲波通過中間層的推導結果獲得：

（1）式中：

S1-進入，出管截面積；

S2-管截面面積擴大；

L——管道管長度；

k——波數(shù)。

單級擴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，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，sin2（kL）=1，D取得巨值：

（3）此時相應的頻率為，λ

，也就是說，擴張室的長度L是相應頻率1/4波長的奇數(shù)倍。

當時，sin(kL)=0，此時消聲量為零，聲波通過膨脹段而不衰減，其對應的頻率稱為通過頻率。通過頻率可以通過以下公式計算：

可以看出，消聲器的長度L是通過頻率時半波長的整數(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)擴張式消聲器具有以下兩個基本特點：

1).消聲量Dm由擴張比m決定：

下圖給出了不同擴張比m下的消聲量曲線，可以看出，當擴張比m小時，Dm值相對較??；當m值增大時，Dm根據(jù)對數(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值應控制在6以上。在實際問題上，m由于客觀條件的限值不能太大，所以單節(jié)擴張式消聲器的消聲量是有限的。

2).消聲器長度與頻率特性之間的關系：

當消聲量達到值時的頻率和通過頻率c/L成比例，即消聲器的頻率特性取決于消聲器的長度L。長度L增大時，消聲器的頻率特性向低頻方向移動，消聲量不變。

2.2內(nèi)插式和多節(jié)式擴張式消聲器

單節(jié)擴展消聲器的主要缺點是通過頻率較多，通過頻率的消聲量為零，所有聲波都將通過消聲器，無法達到消聲的目的。避免這種情況的方法是使用多個擴展室或內(nèi)部插入管來設計不同的頻率，以實現(xiàn)這些頻率。

如下圖所示，常見的插入管擴張式消聲器可以通過頻率原理解釋為：

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，插入管和膨脹室可以看作是一個“閉管”當插入管深度時，系統(tǒng)L1等于1/4波長的奇數(shù)倍時，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，幾乎所有進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…通過頻率消除(擴張式消聲器半波長奇數(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，插入管和擴張室也可以看作是一個“閉管”當插入管深度時，系統(tǒng)L2等于1/4波長的奇數(shù)倍，在截面中II聲壓近似為零，即A3≈0，也就是說，消聲器出口幾乎沒有聲波傳輸。如果我們拿走它，L2=L1/2=L/4，那就可以了n=2，6，10…通過頻率消除。

在下圖中，對比圖2中對應的單節(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。

在實際工程中，為了進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。消聲器的每個擴張室通常采用不相等的長度，使其通過頻率相互錯開。例如，使一個部分具有消聲量的頻率正好是另一個部分的通過頻率。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、擴展消聲器的實驗研究

前面提到的Davis20世紀50年代，對擴張管消聲器的性能進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究，后來被引用為NACA研究報告1192。Davis這項工作已成為汽車工業(yè)和工業(yè)中抗性消聲器應用研究的基礎。在實驗研究中，他失去了77種不同的消聲器(TL)對擴張管消聲器的性能特點進行了測量，并與理論計算進行了比較分析。

3.1單節(jié)擴張管的實驗研究和截止頻率

圖7左側(a)圖中顯示了擴張比m從4到64的變化特性。結果清楚地表明，擴張比m越大，消聲器的峰值消聲量越大。除了4號消聲器的700外，實驗測量結果與理論計算基本一致Hz由于理論假設中的平面波條件不再滿足上述頻率。