胖友们大家好，好久不见。传统零部件供应商夹缝中生存，今年搬砖实在太不容易了，所以我就一直没更新。嗯，快被这个给自己找的烂借口说服了呢。
倒是在职业发展上有件让我特别兴奋的事情，我不用安于一隅只做零部件，今后的可以研究整车的NVH了。那么就用汽车声学专栏的这一篇作为上一份工作的小结吧。今天我们就来说说消声器有啥好玩的。
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上回书说道阻性消声器。简单通过图1.复习一下:
阻性消声器就是利用多孔材料对声能量的吸收（材料内散溢+通过）特性，从而达成中高频噪声的声压级下降的消声器。
若假设一列入射声波的声功率在同种介质中没有损失, 那么我们不难发现，入射声功率Pe=反射声功率Pr + 被吸收声功率Pa之和。既然中高频可以交给阻性消声器通过吸收特性来应付，在为了不择手段达成主机厂爸爸的声压级目标曲线过程中，我们花的主要精力其实在该如何设计能够去抵消反射声功率Pr的抗性消声器上。
这听起来就一点儿也不好玩儿了。（听说此处适合上个价值给自己戴个高帽子：我坐在消声室里的一切的不好玩儿都是为了能让你们开车的适合耳朵舒舒服服啊）
所以说了半天，抗性消声器是啥玩儿？先甩结论，请看下图。
抗性消声器的本质是，在声波因为阻抗变化而部分反射的过程中与后续的入射波叠加，在特定的频率进行谐振，如果设计得当就能使得通过该抗性消声器的声波在频谱上变平缓，声通过功率减小。
我们知道，声波会反射的原因是因为声阻抗突然发生改变，例如在图1.1中所示，在声波传递途径中遭遇另一种材料，或是突然的开口面积变大或变小。大多数的抗性消声器就是这一类情况。问题来了，如何通过某个物理量来判断一个消声器的消声能力强弱呢？
（前方枯燥声学概念预警）在图3.中我以一个扩张腔消声器为例：
下面请大家跟我一起想象一个动作：游泳时用嘴换气。
形象地来说，换气的过程和消声器内声波的反射现象有类似的地方。如图中王者基多拉，哦不是，王者菲尔普斯张开嘴，在他一次呼吸循环内，吸气与吐气的气体体积之间存在差异，因为直接进入肺组织到达肺泡的气体才是吸入过程里最终通过的氧气，这些氧气的物质的量在一定程度上，反映了菲神的肺在单次循环内消耗氧气的能力。
而声入射功率Pe和通过消声器到末端的声通过功率Pt之差，则类似地反映了消声器的消除噪声能力。
由于描述声学物理量时我们习惯使用对数, 称为原物理量的级（感谢伟大的亚历山大·贝尔，对就发明电话那哥们儿）我们首先将声入射功率Pe和声通过功率Pt的对数相减:
经过高中生做错了就要被数学老师怼到叫家长来的上述一系列运算，我们看到，因为当声能量在消声器内的传递过程中发生了损失，因此形象地把这个R称作传递损失（Transmission Loss），它就可以用于客观且定量描述该消声器的消声能力了。
我们再回到这个扩张腔消声器，说了老半天，这玩意儿在哪儿呀？
上图是奥迪S5 Coupe 3.0 TFSI的发动机，红框内是它的空滤的壳体，没有错，脏空气管和干净空气管内连着的就是一个扩张腔消声器。关于进气系统的排布我并不想额外花篇幅展开，感兴趣的朋友请移步看我以前的一个回答：
都说发动机是汽车的心脏，那么进气系统就是呼吸道。声学工程师就像是内科大夫，发动机会打呼噜我不得治治？
“那么问题来了，你这些消声器该往哪儿加，怎么加？能给我根声压级目标曲线吗？做过奥迪的项目吗，他们怎么定义的啊？”
但凡遇到这个情况我就想问一句，“这位病人你挂号了吗就来门诊？研发费用都没付定点信也没给就想套话？”当然现实中并不存在这么怼客户的供应商- -下面我想花一定的篇幅来介绍如何将消声器集成入进气系统当中，不涉及know-how, 旨在科普。
首先，成熟的OEM客户会给供应商发来的数份音频文件和需求（输入），在经过FFT转入频域后与发动机转速耦合，并在同一画面中plot后，我们就能获得一张类似下面的声压级-转速曲线。
以一台4缸机为例，因为其点火阶次为2阶，所以可以看到发动机噪声的主要成分是2阶噪声。靠近5500rpm时，4阶噪声就作为原噪声的主要贡献部分。
由于高阶次所对应的泰勒展开项前的系数越来越小，所以一般来说就不在乎2倍主阶次以上更高阶的噪声了。关于发动机阶次的详细解释请移步参考拙作：
图里的红色虚线为噪声目标曲线，最终的优化目的就是将发动机噪声降低到这根曲线以下。怎么做呢？很显然，控制2阶和4阶的发动机噪声就可以优化发动机进气噪声了。以退为进，我们首先关注2阶噪声。
2阶噪声与目标之间存在差值，先把转速根据以下公式转换成频率，其中i为阶次
那只需要做做减法就能把这条曲线算出来了。
如果把图放大看，你会发现点与点之间其实是离散的，也就是说X轴其实以某固定步长*展开。因此也可以离散地处理每个点，然后插值出一条新的曲线，成为2阶噪声和目标噪声的“差”。重新拟合后得到了这样的一根曲线。
这根2阶的插入损失（Insertion Loss）的曲线规定了在对应频率下消声器需要有多少的消声量。负值则代表这个阶次下，在该频率系统并不需要特定的消声器来达到消声效果。
回到上文提到的另一个物理量，传递损失Transmission Loss. 传递损失是消声器实际的消声能力，而插入损失在这个例子里指的是系统要求消声器的消声能力。因此，前者应该要大于等于后者。（对我就是告诉你，甲方乙方的关系原来在零部件的世界里同样存在啊。）
我们可以用同样的办法得到4阶插入损失：
观察这两根插入损失，发现需要设计消声器的频率大概在70Hz, 120Hz和360Hz，这么低的频率基本就跟阻性消声器没啥事儿了。换而言之，这两根插入损失就是抗性消声器需要达成的目标。
不难发现，只要流程上没出什么问题，声学目标从刚开始拿到客户清晰的输入时就已经昭然若揭了。然而，并不是所有客户是这样成熟的。在这里请容我用段截取自真实内容的对话插科打诨一下。
客户：“听说你们能做消声器啊。”
我：“对，对，您说。”
客户：“你负责这块儿吧？我们柴油机有hǐn大的声学wìn题啊。”
我：“哦好，贵司目前做了哪些声学测试啊？”
客户：“啊？就是很吵啊，你们能做吗？”
我：“您有wav.文件吗？”
客户：“有手机录的，你先给听听，对了，你们能下周给个报价吗？”
我：“……那个，贵司定需求吗？给根目标曲线就行了。”
客户：“我们不会，不然干什么找你们啊？”
最后当客户提出目前没有给供应商的研发费预算，但可以把这部分费用摊进量产报价里时，坐在一边的销售是这样的表情：
回到抗性消声器的话题。目标既然明确了，那么滤除这些低频噪声就要设计抗性消声器。由于个别抗性消声器只在它的谐振频率或特定频率带宽内起作用，比如大名鼎鼎的Helmholtz消声器, 我们也通常以谐振器(Resonator)来称呼它们。
为人们所熟知的一般有这几种，
然而他们的消声能力不尽相同。我就先甩个结论吧。
其中宽频穿孔消声器的描述很扎眼，『只要你付得起模具费，45dB也不是问题』。它长这样：
不夸张地说，这玩意儿可以让一个五人工程师小组当一个团队副本，头疼整个项目周期。它是个麻烦制造者，和Helmholtz谐振器同根同源，达成的效果却让人惊艳。首先我们先简单聊聊单个Helmholtz谐振器。
在一个穿孔腔内，由于穿孔板存在一定的壁厚，穿孔就充当了单质量弹簧系统中的质量m，而内管和外管包围起的体积就成了一个空气弹簧c。
根据固有频率公式：
不难看出，因为一个单质量弹簧系统只有一个固有频率，所以单个Helmholtz谐振器也只能在它自己的固有频率上共振，并将经由它的声波在此非常窄的频段里进行降噪。
然鹅，如果我们在建模空间足够的前提下把数个相同或不同固有频率的Helmholtz谐振器进行串联:
那么这个新诞生的消声器是不是也就能达成宽频的消声效果呢？
又到了熟悉的无奖竞猜环节。对一个穿孔消声器进行仿真得到结果需要几步？
1. 打开Matlab
2. 看Munjal大神的消声器设计手册来敲代码 (传递函数写的我想跳美因河)
3. 出图
给予平面波方程的一维仿真，结果可以说是让人肥肠满意了。不仅宽频效果得到保证，传递损失的幅值也根据振动叠加的特性而大幅度上升。可惜这个东西不是我发明的= =它比我早出生了大概20年。
但接下来是正向开发过程里最让人头秃顶的过程了——试验和仿真的匹配。世界上并不存在这么皆大欢喜的事情。
于是我的老板生气了。
“哎呀，小伙子，你理论都整得明明白啊，可为什么按照你的设计做出来的穿孔消声器的样件的验证结果和仿真结果风马牛不相及啊？你去给我写份报告阐述原因！”
A 因为孔轴配合一个走上偏差一个走下偏差，导致两个穿孔消声器共享一个体积了
B 因为供应商把拔模斜度做大了
C 因为你不听我的话，说了让你换种别的焊接方式
D 因为做试验的老法师他是个傻X
这明明是失效模式分析，但是老板你为啥选D= =？写完了这个DFMEA，老板留下了这么一句话：
“小伙子你还是推倒重来吧，仿真别做了，跟做试验的说堵上一两个孔再试试？声学是玄学啊要相信自己的可能性。”
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至此声学专栏就暂时告一段落了。感谢各位的支持，你们的鼓励和肯定是我不停拖更的动力（手动狗头）
我从来不敢说自己能做明白NVH，好在可预见的几年还会继续和心爱的声学假人朝夕相处。
Engineering is an art of compromise. 知之甚少，无限进步。
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：Haochi
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