超跑的排气声为什么这么“浪”?

原标题:超跑的排气声为什么这么“浪”?

如果有人问我:你喜欢超跑的原因是什么?速度与激情,应该是最直接的回答了。赛道上疾驰的超跑,伴随着血脉贲张的声浪,让无数少年深陷其中不能自拔。本期《讲堂》就给大家“掰扯”一下,“激情”过后,那些你不知道的事。

2018-19赛季FE电动方程式汽车大赛中国站于3月份在三亚落幕。速度方面,FE赛车丝毫不逊于F1,对比给观众带来的激情,FE似乎逊色了很多。

这其中最主要的区别是二者的动力源不同。FE赛车全部采用纯电机驱动,自然也就听不到发动机的咆哮声,从听觉享受的角度来看,未免使比赛失去了一定的观赏性。

如果你觉得这些赛车离我们日常的生活比较远的话,行走在北京或上海的街头,各种各样的超跑还是非常常见的。未见其车,先闻其声的场景已成为了日常。

或许你会问,好好的汽车,为什么一定要发出咆哮的声浪呢?安静一点岂不是更好?

☆超跑为什么这么“浪”?

从产品定位的角度来看,首先,超跑夸张的造型彰显其运动基因。厂家不仅要让你看的见,还得让你听得见,咆哮的声浪,则是力量感最直观的表现;其次,对于消费者而言,声浪,是满足消费者心理需求的一个重要因素。当你开着超跑炸街的时候,你想要全世界的人都知道你的存在。炫酷和逼格,是消费者所希望拥有的,而声浪的存在恰恰满足了消费者的这一需求;此外,从兰博基尼到法拉利等众多跑车,车型不同,发动机类型不同,声浪的效果是不一样的。在标签盛行的今天,声音也需要标签,而不同的声浪效果则标榜着不同的汽车品牌。

另一方面,也是由超跑特殊的机械结构决定的。采用发动机中置、后置的超跑,其排气管道的结构与传统的前置后驱车不同,其排气长度变短,排气阻力变小,如果拆掉消音器,将有利于减少发动机功率的损失,这正是一辆大功率、大扭矩的超跑所需要的。这样做带来的好处就是发动机的声音变得很大,再经过厂家的专门声音调教,发动机则会发出令人亢奋的声浪(具体原理后文会详细讲解)。因此,其本身的结构特性也决定了超跑一定要“浪”。

法拉利LaFerrari中采用的V12发动机及排气系统

可能有朋友会讲,我十几万的车改个排气一样改出超跑的感觉!事实真的这么简单吗?为了弄清这个问题,首先要从排气系统的结构说起。

☆排气系统知多少?

单排气系统示意图

以单排气系统为例,发动机曲轴运转的过程中,废气经过排气歧管进入排气系统。通常排气管是分段的,这是为了在排气系统中间安装不同的部件。虽然排气系统有单排单出、单排双出、双排单出、双排双出的区别,但是它们的主要组成部分都离不开几大件:排气歧管、排气管、传感器、三元催化转化器、消音器、排气尾管。

其中,排气歧管的作用是把发动机排气过程中的废气引入排气系统;三元催化转化器的作用是把排气中的CO、HC、NOx三种有害气体转化为二氧化碳、氮气、氢气以及水等无害气体,这也是称之为三元催化转化器的原因。

三元催化转化器结构示意图

消音器的主要作用就是对于排气声音进行控制,正是有了它的存在,汽车排气声音才符合法规的要求。因此,排气系统的主要功能除了降低噪音以外,还要满足废气处理的要求。

废气处理可以通过化学反应实现。那么,消声功能是如何实现的呢?管道的长度、粗细又是由什么决定的呢?为了弄清楚这些问题,还要搞明白排气声音是如何形成的。

☆排气噪声是如何产生的?

排气声主要包含四部分:空气噪声、冲击噪声、气流摩擦噪声和辐射噪声。

空气噪声是指发动机工作时产生的压力波,在排气管道中传播形成空气噪声。管道中,这股气流是稳定的。排气系统中的声学设计,就是针对这类噪声;冲击噪声是指排气管道中不稳定的气流对管道进行冲击形成冲击噪声。如果排气歧管弯曲度弧度过小,发动机气流会对其进行强烈的冲击,发出“砰、砰、砰”的冲击声;辐射噪声主要是指发动机及气流冲击引起结构振动辐射的噪声,因此排气系统与车身的悬吊减振结构虽然看起来并不起眼,但也需要精心设计才能起到减振降噪的效果;气流摩擦噪声:当管道中气体流速很高时与管壁之间产生摩擦,发出巨大的噪声。摩擦噪声(不稳定气流)和空气噪声(稳定气流)二者组成尾管噪声。而且发动机转速越高,摩擦噪声越大。这也是装有高功率发动机的性能车可以炸街的原因之一。

对于需要符合国家噪声法规的汽车而言,我们希望噪声越小越好,这就要求在排气管道的设计阶段,管道截面积不能太大,如果太大的话,气体流动阻力变小,噪声会变大。为了便于理解这个问题,这里给大家引入个概念:排气系统背压。

☆排气系统背压?

所谓排气系统背压,是指排气歧管出口处的压力与大气压之间的差值。而发动机的功率损失(这里指发动机最大转速时的损失)与背压值存在直接的关系,二者的关系可以通过大量的测试数据处理得到,下面这张图即为排气系统平均背压与发动机功率的关系。

排气系统平均背压与发动机功率的关系

其中,横坐标为排气背压,纵坐标表示发动机输出功率所占比例。从上面这张图可以看到:

1)发动机的功率和排气背压呈线性相关。

2)背压越大,发动机功率损失越大,即发动机功率损失越大。因此,超跑为了追求发动机功率输出,通过调整排气系统在排气过程中的阻力,比如增加排气管道的截面积,将排气管做的很粗,来减小排气阻力,提升功率输出。当然,这样做还可以带来另外一个好处,发动机排气声音很大,再辅以声音调教,就可以输出完美的声浪。

所以,在日常的改装中,如果单纯的追求声浪的效果,可以直接对排气尾管进行改装,此时对于发动机功率不会有太大的影响,因为此时相当于只改变了声音效果。当然,还可以针对排气中段、歧管等进行改进,这就需要同时考虑成本和动力输出效果了。这里需要注意的一点就是,对于低转速区域,如果排气背压过小,这不利于废气的排出,这也是为什么在进行排气管改装时,如果一味的追求高转速性能,会损失低转速动力性的原因。因此,对排气进行改装的同时,要适当考虑低转速的动力性要求。

与性能车不同的是,日常的豪华品牌对静谧的追求可谓达到了极致。那么,前文分析的排气噪声是如何被处理掉的呢?

☆消音器,到底如何消音?

这自然离不开排气系统的关键部件——消音器。或许有读者朋友觉得这个东西很简单,大声音进去,小声音出来。其实细究下来,里面的门道还真是不少。

一般来讲,传统的被动式消音器可以分为阻性消声器、抗性消声器和复合消声器。

所谓阻性消声器,简单理解就是利用吸声材料(如纤维材料)将噪声的能量吸收掉,转化成热能,从而达到消声的目的。这种消声器主要是吸收高频的宽带噪声。吸声材料一般是安放在消声器里面。其吸声效果取决于材料的结构、孔洞直径以及材料的密度等。

阻性消声器示意图

所谓抗性消声器,简单理解为利用声音的反射,进行能量的相互抵消,进而实现消声的功能。抗性消声器在汽车排气消声中应用比较广泛。而抗性消声器可以分为扩张消声器和旁支管消声器。

扩张消声器的原理就是利用截面的突然变化,使得声学能量在由小腔室进入大腔室之后,一部分声波反射回来,实现能量的衰减,进而实现消声。

扩张消声器原理

图中蓝色虚线代表入射声波,红色代表反射声波。面积发生变化,部分声波反射回来,削减噪声能量。这里实际上有一大堆公式可以进行说明,但是考虑到大家阅读的便利性,公式就不给大家列出了,感兴趣的朋友可以自行查阅相关资料。

常见的旁支管消声器主要是赫姆霍兹消声器。在上一期《讲堂》中,有提及到这个概念,但是并没有展开细讲,这里给大家做下解释。

赫姆霍兹消声器原理图

赫姆霍兹消声器的原理类似于振动领域的动力吸振器。通过在主干道上利用连接管路B与空腔A连接在一起构成。当气体经过赫姆霍兹共振结构时,一部分气体经过B进入A中。此时,由于空气的可压缩性,A中的气体相当于右图中的弹簧k,B中的气柱相当于右图中的质量块m,有了弹簧和质量,就构成了弹簧质量系统,并且可以计算这个系统的固有频率。这个频率与赫姆霍兹消声器的结构参数有关,此处不进行展开。当发动机排气的波动频率与该固有频率接近时,引起B中气体共振,消耗部分能量。因此,该类消声器可以针对特定频率范围内的排气噪声进行衰减。明白了这个原理,也就能理解日常生活中我们见到的汽车排气管中会有各种“奇奇怪怪”的“旁路结构”了。

装有霍姆赫兹消声器的排气系统

当然,除了阻性和抗性消声器,还有一种就是复合结构消声器。该类型的消声器是综合了上述两种消声器的特点,实现更宽频范围内的排气噪声降噪。

复合消声器示意图

复合消声器结构图

复合消声器中,霍姆赫兹消声器一般用于低频消声,范围一般在40-200Hz,多孔管消声用于中频消声,作用范围为100-500Hz,再加上外侧的吸声材料构成的阻性消声器,一般用于500Hz以上的高频消声。综合上述频段,该类消声器基本可以满足所有频段的要求。这也是应用非常广泛的消声器结构。

丰田采用的复合消声器结构图

装有复合消声器的排气系统示意图

装有复合消声器的排气系统实物图

前文分析了发动机排气噪声的产生、原理以及消音原理。接下来,就给大家讲下,目前主流品牌的性能车“声浪”到底是如何调教出来的。

☆声浪是如何调教出来的?

削减消声器作用:对于超跑而言,其发动机功率一般都比较大。因此其发动机排气噪声本身就会比一般的家用汽车要大。为了使排气声浪更加悦耳,工程师会对消音器进行调整以及适当的削弱其消音作用,这种方法带来两个好处:第一,可以减少发动机功率损失,满足大功率要求;第二,可以使特定频段的发动机声音凸显出来,更加符合人耳的听觉要求,即,让声浪听起来更加悦耳。

设计管路结构:对于下图的Y型排气系统,与排气歧管相连的左右两侧的排气管长度也决定了排气的声浪效果。对于轿车来说,尽可能使二者的长度相等,这样排气声中的发火阶次及谐频(以四冲程六缸机为例,其发火阶次为3阶,谐频为6、9、12……等阶次),半阶及其他整阶次的成分比较低,这是大多数人喜欢的音质。因为这种阶次可以让乘客感到舒适和和谐。而对于超跑的声浪调教则不同,工程师可以通过改变两根排气管长度关系,使半阶声音成分凸显出来,这种声音效果就是我们听到的“激情”的声浪。

Y型管排气系统

安装排气旁通阀:由于部分超跑采用了涡轮增压,使得一部分废气没有直接经排气系统排出,而是用于进气增压,因此,这在一定程度上会影响声浪的效果。为了解决这个问题,工程师在排气系统中安装了排气旁通阀(Exhaust Bypass Valve),这是一个位于排气歧管后,涡轮增压器之前的旁路阀,由机械或电子控制阀门的开合。这样做的好处就是在低转速下,可以关闭阀门,保证动力性。高转速下,打开阀门,保证马力的同时,获得悦耳的声浪。

排气旁通阀工作原理

声浪传导:为了进一步提高驾驶员的驾驶体验,保时捷和福特等采用在进气歧管上加装声浪导管的形式,并将其引入驾驶室,使得部分声浪传导到驾驶室内,充分刺激着驾驶者的神经。原理是将一根特制的声浪导管与进气歧管相连,通过一种混合材料制作的拨片与发动机吸入的空气一起共振,产生声浪增强的效果。当驾驶员深踩下油门时,声浪导管会自动开启,此时发动机舱的声浪会被放大并传到驾驶舱内,产生悦耳的轰鸣声。同理,当正常行驶时,声浪导管将处于关闭状态,发动机的噪声自然也会被隔离。当然,这种设计更倾向于“自嗨”,因为在驾驶室外部可能感受不到这么明显的效果。为了满足声浪的需求,工程师们真是煞费苦心~

☆声浪也能“造假”?

所谓耳听为虚,眼见为实。对于声浪其实也一样。上述结构的改进与调整多多少少存在一定的困难,且存在一定的成本问题。而声浪模拟器则避免了这些问题。通过模拟超跑的声浪,相关的厂家开发了对应的声浪模拟系统。大众汽车2011年在高尔夫GTI上安装了模拟发动机声浪的Soundaktor系统,它的声浪是由安装在防火墙上的扬声器发出的,目的是为了改善驾驶员的驾驶体验。

当然,宝马也没闲着,开发了一套叫做Active Sound的系统,原理跟这个差不多。这套系统在i8上用的相当炫酷,你能想象一个搭载三缸机的混动i8能发出超跑的声浪?与声浪传导不同的是,装了5个扬声器的i8,不仅驾驶室内部很嗨,通过布置6号扬声器,外部一样也很嗨。

BMW i8 Active Sound 系统,2,3,7,8为内部扬声器;6为外部扬声器

可能有读者会觉得这么做是自欺欺人。确实,由模拟的声浪再逼真,它也是假的。心里多少还是有些芥蒂的。但是,随着电动汽车的发展,为了追求更好的驾驶体验,对这种声浪模拟的需求似乎是更多了。

☆新的时代,新的挑战

此外,电动化时代的到来,对NVH工程师们也提出了新的要求。

一方面,从安全角度的考虑,传统的内燃机汽车由于有发动机的存在,驾驶员不用担心行人听不到汽车的声音。因此,电动汽车的主动发声,已经被明确规定在相关的法律法规中了。如何更好的起到提醒行人的作用,是需要解决的一个问题。

另一方面,没有了发动机的掩蔽效应,驾驶室内其他的噪声变得更加突出,空调噪声、齿轮噪声、电机的高频噪声、路噪等等。如何屏蔽掉这些烦人的噪声,如何对驾驶室内的声品质进行合理的调教,对于NVH开发来说,并不是件简单的事情。

本文作者为踢车帮 杨帆

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