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跑车的声浪,可远不止换个排气管,拆掉消声器那么简单

图片:Arturo Hurtado / CC BY

汽车声浪的主要决定因素有哪些?

Sleepy Lin,is chrono-impaired.

声浪是很复杂的问题,很多人对声浪的理解局限在排气管,排气管确实可以影响声浪,但毕竟不是声浪的起源。为什么大家都喜欢通过改排气管来获取不一样的声浪,因为它最好改最直接。有些声音我们叫做噪音是因为不悦耳…音量更大的噪音本质上还是噪音。

先补充一部分关于声音的内容吧。

大家都晓得声音是振动造成的,但定义一个声音,大体上可以由音高、响度、音色三个参数来描述。

频率主要影响音高; 振幅主要影响响度;频谱和时域主要影响音色。三者之间也会相互影响,图里的线越粗则效果越强。

声压用来评价一个声音的大小,以 1000Hz 的纯音为准,人耳将将能够感知的声压 2X10e-5 Pa,难以忍受的声压为 20Pa。然而我们平常所说的分贝,并不是声压的直接体现,而是“声音的能量”,0dB 是这个频率以能够引起人类听觉的最小声音来度量的,往后每增加 10dB,能量增强十倍,响度则增加一倍。

振幅和频率尽管分别是响度和音调的决定性因素,但也存在着微妙的关系,因为人耳主观上存在着特殊性,在 2000Hz~4000Hz 的区间特别敏感,甚至于仅仅需要 -7dB 就可以引起听觉,在低频、高频的区域,则需要几十 dB 才能有所察觉,所以为了以“人耳”为标准对声音的大小进行评价,就有了“响度”的概念。

如果两个声音的音调和响度一样,就需要凭借音色来区分两者。决定音色的主要是振动的时域及声音的频谱(Sound envelope and Frequency spectrum)。Frequency spectrum 描述的是声音能量的分布。

为什么要使用频谱来描述一个声音呢,因为声音通常都不会是一个单纯的频率,而是几个频率的叠加,如果我们固定一根线的两端,然后给它一个激励,线上就会出现各种各样的波,波长等于线长度的,波长等于线长度的一半,1/3,1/4 等等,这些波叠加起来就是我们看到的振动。声音也一样,这些声音的谐振频率一般是某个频率的倍数,最低的那个频率我们称为基频。而“同时激活几个有倍频关系的声音”,与“把这几个声音的波形叠加成一个波形,然后演奏这个波形”,也是不一样的,前者是几个声音的共鸣,后者则是一个比较特别的单音,也可以理解为“音色特别”。

Sound envelope 描述的是振动随时间变化的情况。 通常来说,一个简单的击打造成的 envelope 包含四个过程,Attack 即物体由静止到振幅迅速增大的过程,Decay 即振动逐渐稳定的过程,Sustain 是振动稳定的持续期,Release 是能量耗散不足以保持振动,振幅逐渐减小的过程,很多乐器的振动具有这样的特点,听起来是比较顺畅的,但如果击打是连续的,1 秒 30 次以内人耳大体上可以辨别,超过这个限值越多,听起来就越像是一个连续的声音了。

如果我们将一个声音记录下来,反向播放它会发现这是另一个声音,但它的频谱却是一样的,原本随时间逐渐消逝的尾音变成了陡然下降的状态。也就是说,envelope 对音色的影响不比 spectrum 小。今天刚好也在能不能通俗的讲解下傅立叶分析和小波分析之间的关系? - 咚懂咚懂咚的回答也看到这个描述。

至于其他比如多普勒效应等等可以加给声音的特效,都是会影响到声音的品质的,不多赘述了。

略多废话, Engine Part.

以前在 为什么乘用车的发动机声音能做得很安静? - Sleepy Lin 的回答 写了一些内容… 车身部分对声音有影响,但对舒适性的考量更多一些,发动机毕竟大心脏,是声浪真正的来源。

发动机的声音大体可以分为燃烧噪声、机械噪声以及空气动力噪声。如果按照各个声源对总噪声的贡献来看,燃烧噪声和排气噪声是最多的,其次才是各个机械部件的噪声、风噪、进气噪声等等。最核心的还是点火,因为点火才有爆发才有对外输出,此外曲轴通过附件轮系等等将自身的运动传递给各零部件,所以不论是哪个地方的噪音,归根结底都会和点火频率产生关联。

以四缸机为例,曲轴每转两圈,每个气缸只完成了一个循环,对于气缸来说,也就是“0.5Hz”,但因为四个气缸都完成了一个周期,对于发动机来说就是”2Hz”了,如果对六缸、八缸等等发动机做这样一个简单的计算就可以得到下面这样图。

为什么随着气缸数的增加,随着转速的提升,音调总体来说是增加的,这就很明显啦。

但点火频率无法完全决定音色。

Firing is the mother who give birth to the sound wave, but somehow we kids are rebel.

别忘了前面提到的谐振频率问题,在为什么 V10 发动机逐渐消失,而 V8 和 V12 没有? - Sleepy Lin 的回答以及学习发动机四行程有什么用? - Sleepy Lin 的回答的问题里曾经写过往复惯性力的一些比较基础性的内容,不够完整但这里也不打算继续往下深入了,总之气缸内发生了一系列复杂的反应,各种力产生了对应不同阶次的频率,下面这张图是对一台八缸机的采集数据进行 FFT 处理后的结果。

标注的峰值为主点火阶次 64.6HZ,可以很容易反推得到转速是 969rpm。后面的几个波峰基本上在倍数位置,就是更高的一些阶次了。300Hz 左右的地方有一片波峰,是发生了共振的区域(这台机器的排气管发生了共振),在设计的过程中,零部件的固有频率都是要求不与各个谐振频率发生重合的,最简单的就是提升模态,让固有频率高于主要的几个阶次频率。共振会造成更大的振动,提升噪声的水平,但这种噪声绝对不是我们想要的声浪。共振的问题也不仅仅是噪声而已。

各个阶次的谐振频率叠加在一起,就形成了特别的音色。

可是相同气缸的发动机可能排量不一样,排量一样的,缸径或者冲程是不一样的,还有压缩比可能是不一样的,燃烧过程是不一样的,爆发压力是不一样的,结构件受限于布置与种种原因是不一样的,放大到整机、整车上,千百个零部件,它们都有各自不同阶次的模态,形成的基本上是一个独有的组合,所以即便点火频率一样,能量分布是不一样的,这世界上也很难找到两种音色相同的机型。

下面几张图可以做个比较。

比较亮的黄色是声压级比较大的区域。Corvette 和 Ferrari 458 用的都是 V8 发动机,有好几个阶次频率的声压级都比较大,谐振频率的组合形成了比较悦耳的声浪,但 Corvette 声压级最高的区域明显比法拉利低一些,意味着法拉利有几个高阶次的频率能量较大,音调整体会变得更高。Avalon 和 Porsche 911 Carrera S 都是六缸机,Avalon 各个频率的声压级都比较低,NVH 做的太好……而 Porsche 911 Carrera S 声压级最高的区域在低频段,高阶次区域声压级都很低,这是六缸机比八缸机更平顺的表现,没有太多不平衡力的困扰。

关于燃烧噪声…自然是和燃烧过程密不可分的,缸内气压不断的变化,影响这个过程的因素就多了去了…如何喷油,如何进排气,如何点火,实际上在设计一台发动机时,调校这些参数是非常非常痛苦的一件事情。

燃烧噪声和机械噪声两者并不太好区分,是因为燃烧最终也是通过缸壁传递到环境的。当然最主要的一个过程还是迅速燃烧爆发的那个过程,整体的噪声也就和压力的增长率、最高压力的大小、时长有关系。

燃烧噪声的频谱大致是下图这样的,低频区间体现的主要是最高爆发压力,最高爆发压力越高,低频的峰值就越高;中频区间体现的主要是燃烧的放热率,如果放热越迅速,中频区间就越平坦;高频区间体现的是燃烧开始时缸内局部压力的上升。气缸压力的频谱在低频段是线谱,几个特定频率上有峰值,这些频率也就是点火频率的谐振频率了。

下图描述的是一台柴油机。

不论是什么工况,低频段的能级都比高频段更高(偏暖色),而且曲轴转角覆盖的范围更广,也就是持续的时间更长。图中上与下的区别在于喷油时间,喷油时间推迟以后,整个图形往右偏移,意味着声音的发出时刻的推移,这是因为最高爆发压力点随着点火时间推迟而推迟。最左两幅以及最右两幅图的对比可以看到,负荷减小噪声则减弱。

图比较小请见谅。

这几张图则是喷油时刻的影响(ATDC 即 After Top Dead Center),随着着火时间的推迟,负荷的减小,声强级减弱。当然着火时间太晚对燃烧也会有不好的影响,是存在一个最佳的时刻的。

燃烧噪声是在缸内形成的,但是还需要经过一系列的结构件才可以传递到环境里,所以缸体缸盖等等零部件的状态,对噪声影响一样是很大的。通常这些结构件有个衰减特性,气压冲击结构件,传递到外部形成的能量已经不如缸内那么大了,这就是衰减。衰减特性和固有频率一样是天生定型的,所以转速、负荷等等都不会对这个特性造成什么变化。衰减特性不同,燃烧过程不同,叠加起来就是不一样的噪声。

下图是比较典型的衰减特性,因为零件的固有频率一般处于中频区间,所以在 1000~4000Hz 的区间衰减特别小,但是在低、高频段衰减就很可观。

机械噪声的来源比较多,这部分噪声最容易出现异响。

冷却喷嘴润滑不足活塞敲击哒哒哒,皮带轮的共振啸叫,配气机构,正时系统等等。实际上发动机的进排气噪声是可以通过谐振腔、消声器来控制的,燃烧噪声是可以在热力学开发的过程里得到控制的,但是机械噪声往往在整个机型开发的过程乃至量产以后,都很难解决,一方面因为问题处多,一方面因为声源难找 —— 没错有时你能听到但你真的找不到在哪,即便找到了,也可能不会有一个完美的解决方案。

这类噪音也很有特点,通常出现在怠速、急加减速、以及高速运转的时候。

关于这类噪音的描述,简直用尽了人类目前已有的拟声词。

哒哒哒。突突突。噔噔蹬。梆梆梆。嗡嗡嗡。隆隆隆。啷啷啷。

太难了。

不过话说回来,这类噪音多是和零部件的设计相关的,零部件的关键参数做一些调整,噪声也会相应的有改变,以活塞为例就有下图这个样子。

至于都有什么些声源什么些机理什么些控制手段,就不展开了,这是一门玄学呵呵呵。

好了好了,最后提一提排气管,进气噪声影响也很大,不过不展开了最近比较忙…个把月没玩游戏手略痒…

一开始已经说到了,排气管最容易改装,也是改造声浪最有效的办法,对于发动机本体而言,要去重新定制零件等于重新开始一台发动机的设计,点火、喷油的参数尽管影响噪声但通常这些关键参数对动力、经济性的考虑更多,不太容易去从降噪的角度去考虑。

排气作为发动机四个冲程之一,它的噪音也和本体离不开关系。

使用什么样的消声器,得从发动机本体出发进行设计,反之如果希望改造声浪,也可以从选择不同的消声器开始。

以前在汽车排气双边双出、单边双出、单边单出除了外观上的差异还有哪些不同? - Sleepy Lin 的回答是提过一些的,重复的内容就不提啦。

空气在管道中流动,自身携带能量引起自身振动造成的声音,流量一定的时候,管径越大,气流越稳定,声音越小,单纯从声学角度来设计排气管的话,考虑的就是这部分的噪声了。

此外,由于排气门不停开闭,会造成周期性不稳定的空气流动,这部分气流在管道截面积突变,或者弯管的地方会形成冲击,导致噪声;另外,空气和管道壁面摩擦也会形成噪声。

还有一种叫做辐射噪声,振动体与流体接触的时候会推动流体,而产生声音,麦克风就是这种例子。排气系统由于发动机、车体振动给的激励,会导致整个结构振动,还有气流的脉冲波动,会形成这种噪声。

在排气尾管部分产生的噪声,主要包括两种。

一种是前面提到的这种稳定气流形成的动力噪声,另一种是不稳定气流形成的摩擦噪声。低转速气流流速慢的时候,前者为主,高转速气流流速快的时候以后者为主。

假如一台发动机的排气管没有消声器,随着负荷增加(下图分别是 25%、50%、75%、100% 的负荷曲线),噪音的增强非常显著,低频段(实际是主点火阶次频段)是声强级比较高的地方。

如果说图里描述的是这台发动机在 1800RPM 时的情形,你们现在可以猜它有几个气缸。

一个比较典型的消音器结构。

在降噪的过程中,需要考虑的是发动机声强级比较显著的频段,不同的消声器的效果是不一样的(废话),比如消音器内有多少个消音单元,管道多长等等,消音效果都不一样,一般来说消音效果越好消音器本身的体积也越大。

区别更大的是种类与组合,阻性消音器比较常见,比较适合处理中低频,添加吸声材料的框型罐尽管在低频段没什么效果,作为辅助消音器消除高频段的噪声却非常实用,把这两者组合起来得到广阔的消音频段,极好。

下面左图就是普通的阻性消音器,右图则是组合式的消音器。

四条实线分别是几个特性不同的阻性消音器的消音效果,在 125~250Hz 的低频段效果最显著,虚线则是框型罐,在高频段的效果比较好。

结合好这两者的效果,就能在比较广泛的频段内得到良好的消音效果啦。

使用不同直径、不同长度、不同结构的排气管,消音的频段以及消音的程度是不一样的,最终体现的就是噪音的不同。

各位还记得最开始说的响度音调和音色么……

振动的强弱与响度,频率的高低与音调,谐频的重合与音色,就是这样形成声浪的。

可是决定声浪的因素太多了……确实不是换个排气管,拆掉消声器就能得到跑车的声浪,噪音之所以叫做噪音是因为它本质就是噪音,声音再大都是噪音,刻意去改变声音通常会引起发动机性能的变化,燃烧部分就不用说了,排气段影响背压,对动力性影响极大,排气管确实是一个捷径,但毕竟不是核心。

这里也仅是草草提了冰山一角,参考了很多内容就不一一提到了,有问题该删则删。

篇幅有限,坑太大就此结束,容我玩玩游戏…

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