消声降噪技术：7 抗性消声器—扩张式消声器

抗性消声器概述

抗性消声器(reactivesilencer,reactivemuffler)它是内燃机排气系统中广泛使用的消声装置，通常由几个具有不同声学特性的单元连接而成。当声波沿管道传播时，会在声学特性突变的界面上产生反射，部分声波会向声源反射，只有部分会继续向前传播，从而达到消声的目的。

抗性消声器的基本类型可分为膨胀型、共振型和干涉型。膨胀消声器主要通过管道截面的突然膨胀（或收缩）产生的反射；通过旁边的共振系统（有时也称为旁边的支管消声器）产生共振消声器；干涉消声器通过两个相干的声波相互抵消。实用的抗性消声器一般由上述基本消声器组成，如下图为典型的汽车排气消声器，是各种抗性消声原理的综合应用。

与电阻消声器相比，电阻消声器中的声音反射非常强。在设备消声器前后，从声源到消声器的声波可能会发生显著变化。因此，使用插入损失和声音传输损失来评估声音效应将会有所不同，而实际的插入损失往往低于声音传输损失。

除了消声器本身的结构外，还有许多内气流的温度、流量等因素密切相关，也与管道系统出口的辐射条件和噪声源的特性密切相关。因此，在实验室中测试的具有良好消声性能的消声器在现场使用时并不一定很好。例如，在抗性消声器理论中，首先提出了多段扩张室和侧支共振管中的声传播理论Davis等人，在实验室应用他们的理论和声音损失(TL)在测试和验证中获得了良好的一致性，但当他们有这一理论来设计直升机的消声器时，计算的传声损失是20dB，插入损失可以在实际安装后进行测试(IL)只有令人失望的10dB，后来的研究发现，消声器中的平均流是造成如此大差异的主要原因。

2、扩张式消声器的基本原理

当平面声波在刚性壁管道中传播时，部分声波在界面上反射，部分声波通过界面继续向前传播。根据管道中的声波在截面突变处反射的原理，设计了膨胀消声器。

2.一节扩张消声器

截面面积为S在1的管道中，连接长度为L，横截面面积突然增大S2的管道，就是简单的膨胀式消声器，这段较粗的管道通常称为膨胀室(膨胀管)。

图2单节扩张消声器

假设消声器进出管道的时间无限长。此时，可以忽略管道端口反射的声波。只有当声波在消声器中传播时，才能考虑截面积的突变x=0和x=L两个界面之间产生的声音反射。单节扩张式消声器的声强透射系数可通过声波通过中间层的推导结果获得：

（1）式中：

S1-进入，出管截面积；

S2-管截面面积扩大；

L——管道管长度；

k——波数。

单级扩张式消声器的传输损失取决于消声器传输损失的定义：

（2）式中：m——抗性消声器的膨胀比，m=S2/S1。

可以从上面看出，D与sin(kL)有关，由于sin(kL)它是频率的周期函数，可以看出消声量随频率而变化。kL=(2n+1)π/2时，sin²（kL）=1，D取得巨值：

（3）此时相应的频率为，λ

，也就是说，扩张室的长度L是相应频率1/4波长的奇数倍。

当时，sin(kL)=0，此时消声量为零，声波通过膨胀段而不衰减，其对应的频率称为通过频率。通过频率可以通过以下公式计算：

可以看出，消声器的长度L是通过频率时半波长的整数倍。

从上面的公式中，我们还可以看到管道截面收缩m倍或膨胀m倍，具有相同的消声效果。在工程中，为了降低气流阻力，经常使用膨胀管。膨胀率越大，传输损失越大。在下图中，我们给出了消声量随频率变化的曲线。

根据以上分析，单节扩张式消声器具有以下两个基本特点：

1).消声量Dm由扩张比m决定：

下图给出了不同扩张比m下的消声量曲线，可以看出，当扩张比m小时，Dm值相对较小；当m值增大时，Dm根据对数定律，近似值缓慢增加。如果要求消声器具有明显有效的消声量，则必须使m足够大。例如，如果需要Dm≥10dB，m值应控制在6以上。在实际问题上，m由于客观条件的限值不能太大，所以单节扩张式消声器的消声量是有限的。

2).消声器长度与频率特性之间的关系：

当消声量达到值时的频率和通过频率c/L成比例，即消声器的频率特性取决于消声器的长度L。长度L增大时，消声器的频率特性向低频方向移动，消声量不变。

2.2内插式和多节式扩张式消声器

单节扩展消声器的主要缺点是通过频率较多，通过频率的消声量为零，所有声波都将通过消声器，无法达到消声的目的。避免这种情况的方法是使用多个扩展室或内部插入管来设计不同的频率，以实现这些频率。

如下图所示，常见的插入管扩张式消声器可以通过频率原理解释为：

根据声压连续条件，可在截面I处获得：

在截面I的左侧，插入管和膨胀室可以看作是一个“闭管”当插入管深度时，系统L1等于1/4波长的奇数倍时，截面I处为“闭管”中驻波的声压波节，即A4+B4≈因此可得：

换句话说，几乎所有进入消声器端的声波都是反射的。如果我们拿走它，L1=L/2，那就可以了n=1，3，5…通过频率消除(扩张式消声器半波长奇数倍)。

插入管膨胀消声器

与此类似，根据截面II可获得声压连续条件：

在截面II在右侧，插入管和扩张室也可以看作是一个“闭管”当插入管深度时，系统L2等于1/4波长的奇数倍，在截面中II声压近似为零，即A3≈0，也就是说，消声器出口几乎没有声波传输。如果我们拿走它，L2=L1/2=L/4，那就可以了n=2，6，10…通过频率消除。

在下图中，对比图2中对应的单节膨胀管消声器和图5中具有相同膨胀比和膨胀管长度的双内插管消声器的声音损失。可以看出，双内插管消声器不仅通过上述频率获得峰值消声，而且还显著提供了整体消声量。

在实际工程中，为了进一步提高膨胀消声器的消声效果，通常采用多段膨胀消声器。消声器的每个扩张室通常采用不相等的长度，使其通过频率相互错开。例如，使一个部分具有消声量的频率正好是另一个部分的通过频率。这不仅提高了消声器的总量，而且大大提高了消声器的频率特性。

3、扩展消声器的实验研究

前面提到的Davis20世纪50年代，对扩张管消声器的性能进行了系统的理论和实验研究，后来被引用为NACA研究报告1192。Davis这项工作已成为汽车工业和工业中抗性消声器应用研究的基础。在实验研究中，他失去了77种不同的消声器(TL)对扩张管消声器的性能特点进行了测量，并与理论计算进行了比较分析。

3.1单节扩张管的实验研究和截止频率

图7左侧(a)图中显示了扩张比m从4到64的变化特性。结果清楚地表明，扩张比m越大，消声器的峰值消声量越大。除了4号消声器的700外，实验测量结果与理论计算基本一致Hz由于理论假设中的平面波条件不再满足上述频率。