如果有人問我：你喜歡超跑的原因是什么？速度與激情，應(yīng)該是最直接的回答了。賽道上疾馳的超跑，伴隨著血脈賁張的聲浪，讓無數(shù)少年深陷其中不能自拔。本期《講堂》就給大家“掰扯”一下，“激情”過后，那些你不知道的事。

2018-19賽季FE電動方程式汽車大賽中國站于3月份在三亞落幕。速度方面，F(xiàn)E賽車絲毫不遜于F1，對比給觀眾帶來的激情，F(xiàn)E似乎遜色了很多。

這其中最主要的區(qū)別是二者的動力源不同。FE賽車全部采用純電機(jī)驅(qū)動，自然也就聽不到發(fā)動機(jī)的咆哮聲，從聽覺享受的角度來看，未免使比賽失去了一定的觀賞性。

如果你覺得這些賽車離我們?nèi)粘５纳畋容^遠(yuǎn)的話，行走在北京或上海的街頭，各種各樣的超跑還是非常常見的。未見其車，先聞其聲的場景已成為了日常。

或許你會問，好好的汽車，為什么一定要發(fā)出咆哮的聲浪呢？安靜一點(diǎn)豈不是更好？

☆超跑為什么這么“浪”？

從產(chǎn)品定位的角度來看，首先，超跑夸張的造型彰顯其運(yùn)動基因。廠家不僅要讓你看的見，還得讓你聽得見，咆哮的聲浪，則是力量感最直觀的表現(xiàn)；其次，對于消費(fèi)者而言，聲浪，是滿足消費(fèi)者心理需求的一個重要因素。當(dāng)你開著超跑炸街的時候，你想要全世界的人都知道你的存在。炫酷和逼格，是消費(fèi)者所希望擁有的，而聲浪的存在恰恰滿足了消費(fèi)者的這一需求；此外，從蘭博基尼到法拉利等眾多跑車，車型不同，發(fā)動機(jī)類型不同，聲浪的效果是不一樣的。在標(biāo)簽盛行的今天，聲音也需要標(biāo)簽，而不同的聲浪效果則標(biāo)榜著不同的汽車品牌。

另一方面，也是由超跑特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的。采用發(fā)動機(jī)中置、后置的超跑，其排氣管道的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的前置后驅(qū)車不同，其排氣長度變短，排氣阻力變小，如果拆掉消音器，將有利于減少發(fā)動機(jī)功率的損失，這正是一輛大功率、大扭矩的超跑所需要的。這樣做帶來的好處就是發(fā)動機(jī)的聲音變得很大，再經(jīng)過廠家的專門聲音調(diào)教，發(fā)動機(jī)則會發(fā)出令人亢奮的聲浪（具體原理后文會詳細(xì)講解）。因此，其本身的結(jié)構(gòu)特性也決定了超跑一定要“浪”。

法拉利LaFerrari中采用的V12發(fā)動機(jī)及排氣系統(tǒng)

可能有朋友會講，我十幾萬的車改個排氣一樣改出超跑的感覺！事實(shí)真的這么簡單嗎？為了弄清這個問題，首先要從排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)說起。

☆排氣系統(tǒng)知多少？

單排氣系統(tǒng)示意圖

以單排氣系統(tǒng)為例，發(fā)動機(jī)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，廢氣經(jīng)過排氣歧管進(jìn)入排氣系統(tǒng)。通常排氣管是分段的，這是為了在排氣系統(tǒng)中間安裝不同的部件。雖然排氣系統(tǒng)有單排單出、單排雙出、雙排單出、雙排雙出的區(qū)別，但是它們的主要組成部分都離不開幾大件：排氣歧管、排氣管、傳感器、三元催化轉(zhuǎn)化器、消音器、排氣尾管。

其中，排氣歧管的作用是把發(fā)動機(jī)排氣過程中的廢氣引入排氣系統(tǒng)；三元催化轉(zhuǎn)化器的作用是把排氣中的CO、HC、NOx三種有害氣體轉(zhuǎn)化為二氧化碳、氮?dú)狻錃庖约八葻o害氣體，這也是稱之為三元催化轉(zhuǎn)化器的原因。

三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)示意圖

消音器的主要作用就是對于排氣聲音進(jìn)行控制，正是有了它的存在，汽車排氣聲音才符合法規(guī)的要求。因此，排氣系統(tǒng)的主要功能除了降低噪音以外，還要滿足廢氣處理的要求。

廢氣處理可以通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。那么，消聲功能是如何實(shí)現(xiàn)的呢？管道的長度、粗細(xì)又是由什么決定的呢？為了弄清楚這些問題，還要搞明白排氣聲音是如何形成的。

☆排氣噪聲是如何產(chǎn)生的？

排氣聲主要包含四部分：空氣噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦噪聲和輻射噪聲。

空氣噪聲是指發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的壓力波，在排氣管道中傳播形成空氣噪聲。管道中，這股氣流是穩(wěn)定的。排氣系統(tǒng)中的聲學(xué)設(shè)計，就是針對這類噪聲；沖擊噪聲是指排氣管道中不穩(wěn)定的氣流對管道進(jìn)行沖擊形成沖擊噪聲。如果排氣歧管彎曲度弧度過小，發(fā)動機(jī)氣流會對其進(jìn)行強(qiáng)烈的沖擊，發(fā)出“砰、砰、砰”的沖擊聲；輻射噪聲主要是指發(fā)動機(jī)及氣流沖擊引起結(jié)構(gòu)振動輻射的噪聲，因此排氣系統(tǒng)與車身的懸吊減振結(jié)構(gòu)雖然看起來并不起眼，但也需要精心設(shè)計才能起到減振降噪的效果；氣流摩擦噪聲：當(dāng)管道中氣體流速很高時與管壁之間產(chǎn)生摩擦，發(fā)出巨大的噪聲。摩擦噪聲（不穩(wěn)定氣流）和空氣噪聲（穩(wěn)定氣流）二者組成尾管噪聲。而且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，摩擦噪聲越大。這也是裝有高功率發(fā)動機(jī)的性能車可以炸街的原因之一。

對于需要符合國家噪聲法規(guī)的汽車而言，我們希望噪聲越小越好，這就要求在排氣管道的設(shè)計階段，管道截面積不能太大，如果太大的話，氣體流動阻力變小，噪聲會變大。為了便于理解這個問題，這里給大家引入個概念：排氣系統(tǒng)背壓。

☆排氣系統(tǒng)背壓？

所謂排氣系統(tǒng)背壓，是指排氣歧管出口處的壓力與大氣壓之間的差值。而發(fā)動機(jī)的功率損失（這里指發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速時的損失）與背壓值存在直接的關(guān)系，二者的關(guān)系可以通過大量的測試數(shù)據(jù)處理得到，下面這張圖即為排氣系統(tǒng)平均背壓與發(fā)動機(jī)功率的關(guān)系。

排氣系統(tǒng)平均背壓與發(fā)動機(jī)功率的關(guān)系

其中，橫坐標(biāo)為排氣背壓，縱坐標(biāo)表示發(fā)動機(jī)輸出功率所占比例。從上面這張圖可以看到：

1）發(fā)動機(jī)的功率和排氣背壓呈線性相關(guān)。

2）背壓越大，發(fā)動機(jī)功率損失越大，即發(fā)動機(jī)功率損失越大。因此，超跑為了追求發(fā)動機(jī)功率輸出，通過調(diào)整排氣系統(tǒng)在排氣過程中的阻力，比如增加排氣管道的截面積，將排氣管做的很粗，來減小排氣阻力，提升功率輸出。當(dāng)然，這樣做還可以帶來另外一個好處，發(fā)動機(jī)排氣聲音很大，再輔以聲音調(diào)教，就可以輸出完美的聲浪。

所以，在日常的改裝中，如果單純的追求聲浪的效果，可以直接對排氣尾管進(jìn)行改裝，此時對于發(fā)動機(jī)功率不會有太大的影響，因?yàn)榇藭r相當(dāng)于只改變了聲音效果。當(dāng)然，還可以針對排氣中段、歧管等進(jìn)行改進(jìn)，這就需要同時考慮成本和動力輸出效果了。這里需要注意的一點(diǎn)就是，對于低轉(zhuǎn)速區(qū)域，如果排氣背壓過小，這不利于廢氣的排出，這也是為什么在進(jìn)行排氣管改裝時，如果一味的追求高轉(zhuǎn)速性能，會損失低轉(zhuǎn)速動力性的原因。因此，對排氣進(jìn)行改裝的同時，要適當(dāng)考慮低轉(zhuǎn)速的動力性要求。

與性能車不同的是，日常的豪華品牌對靜謐的追求可謂達(dá)到了極致。那么，前文分析的排氣噪聲是如何被處理掉的呢？

☆消音器，到底如何消音？

這自然離不開排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——消音器?；蛟S有讀者朋友覺得這個東西很簡單，大聲音進(jìn)去，小聲音出來。其實(shí)細(xì)究下來，里面的門道還真是不少。

一般來講，傳統(tǒng)的被動式消音器可以分為阻性消聲器、抗性消聲器和復(fù)合消聲器。

所謂阻性消聲器，簡單理解就是利用吸聲材料（如纖維材料）將噪聲的能量吸收掉，轉(zhuǎn)化成熱能，從而達(dá)到消聲的目的。這種消聲器主要是吸收高頻的寬帶噪聲。吸聲材料一般是安放在消聲器里面。其吸聲效果取決于材料的結(jié)構(gòu)、孔洞直徑以及材料的密度等。

阻性消聲器示意圖

所謂抗性消聲器，簡單理解為利用聲音的反射，進(jìn)行能量的相互抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消聲的功能。抗性消聲器在汽車排氣消聲中應(yīng)用比較廣泛。而抗性消聲器可以分為擴(kuò)張消聲器和旁支管消聲器。

擴(kuò)張消聲器的原理就是利用截面的突然變化，使得聲學(xué)能量在由小腔室進(jìn)入大腔室之后，一部分聲波反射回來，實(shí)現(xiàn)能量的衰減，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消聲。

擴(kuò)張消聲器原理

圖中藍(lán)色虛線代表入射聲波，紅色代表反射聲波。面積發(fā)生變化，部分聲波反射回來，削減噪聲能量。這里實(shí)際上有一大堆公式可以進(jìn)行說明，但是考慮到大家閱讀的便利性，公式就不給大家列出了，感興趣的朋友可以自行查閱相關(guān)資料。

常見的旁支管消聲器主要是赫姆霍茲消聲器。在上一期《講堂》中，有提及到這個概念，但是并沒有展開細(xì)講，這里給大家做下解釋。

赫姆霍茲消聲器原理圖

赫姆霍茲消聲器的原理類似于振動領(lǐng)域的動力吸振器。通過在主干道上利用連接管路B與空腔A連接在一起構(gòu)成。當(dāng)氣體經(jīng)過赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)時，一部分氣體經(jīng)過B進(jìn)入A中。此時，由于空氣的可壓縮性，A中的氣體相當(dāng)于右圖中的彈簧k，B中的氣柱相當(dāng)于右圖中的質(zhì)量塊m，有了彈簧和質(zhì)量，就構(gòu)成了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，并且可以計算這個系統(tǒng)的固有頻率。這個頻率與赫姆霍茲消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，此處不進(jìn)行展開。當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣的波動頻率與該固有頻率接近時，引起B(yǎng)中氣體共振，消耗部分能量。因此，該類消聲器可以針對特定頻率范圍內(nèi)的排氣噪聲進(jìn)行衰減。明白了這個原理，也就能理解日常生活中我們見到的汽車排氣管中會有各種“奇奇怪怪”的“旁路結(jié)構(gòu)”了。

裝有霍姆赫茲消聲器的排氣系統(tǒng)

當(dāng)然，除了阻性和抗性消聲器，還有一種就是復(fù)合結(jié)構(gòu)消聲器。該類型的消聲器是綜合了上述兩種消聲器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更寬頻范圍內(nèi)的排氣噪聲降噪。

復(fù)合消聲器示意圖

復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)圖

復(fù)合消聲器中，霍姆赫茲消聲器一般用于低頻消聲，范圍一般在40-200Hz，多孔管消聲用于中頻消聲，作用范圍為100-500Hz，再加上外側(cè)的吸聲材料構(gòu)成的阻性消聲器，一般用于500Hz以上的高頻消聲。綜合上述頻段，該類消聲器基本可以滿足所有頻段的要求。這也是應(yīng)用非常廣泛的消聲器結(jié)構(gòu)。

豐田采用的復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)圖

裝有復(fù)合消聲器的排氣系統(tǒng)示意圖

裝有復(fù)合消聲器的排氣系統(tǒng)實(shí)物圖

前文分析了發(fā)動機(jī)排氣噪聲的產(chǎn)生、原理以及消音原理。接下來，就給大家講下，目前主流品牌的性能車“聲浪”到底是如何調(diào)教出來的。

☆聲浪是如何調(diào)教出來的？

削減消聲器作用：對于超跑而言，其發(fā)動機(jī)功率一般都比較大。因此其發(fā)動機(jī)排氣噪聲本身就會比一般的家用汽車要大。為了使排氣聲浪更加悅耳，工程師會對消音器進(jìn)行調(diào)整以及適當(dāng)?shù)南魅跗湎糇饔?，這種方法帶來兩個好處：第一，可以減少發(fā)動機(jī)功率損失，滿足大功率要求；第二，可以使特定頻段的發(fā)動機(jī)聲音凸顯出來，更加符合人耳的聽覺要求，即，讓聲浪聽起來更加悅耳。

設(shè)計管路結(jié)構(gòu)：對于下圖的Y型排氣系統(tǒng)，與排氣歧管相連的左右兩側(cè)的排氣管長度也決定了排氣的聲浪效果。對于轎車來說，盡可能使二者的長度相等，這樣排氣聲中的發(fā)火階次及諧頻（以四沖程六缸機(jī)為例，其發(fā)火階次為3階，諧頻為6、9、12……等階次），半階及其他整階次的成分比較低，這是大多數(shù)人喜歡的音質(zhì)。因?yàn)檫@種階次可以讓乘客感到舒適和和諧。而對于超跑的聲浪調(diào)教則不同，工程師可以通過改變兩根排氣管長度關(guān)系，使半階聲音成分凸顯出來，這種聲音效果就是我們聽到的“激情”的聲浪。

Y型管排氣系統(tǒng)

安裝排氣旁通閥：由于部分超跑采用了渦輪增壓，使得一部分廢氣沒有直接經(jīng)排氣系統(tǒng)排出，而是用于進(jìn)氣增壓，因此，這在一定程度上會影響聲浪的效果。為了解決這個問題，工程師在排氣系統(tǒng)中安裝了排氣旁通閥(Exhaust Bypass Valve)，這是一個位于排氣歧管后，渦輪增壓器之前的旁路閥，由機(jī)械或電子控制閥門的開合。這樣做的好處就是在低轉(zhuǎn)速下，可以關(guān)閉閥門，保證動力性。高轉(zhuǎn)速下，打開閥門，保證馬力的同時，獲得悅耳的聲浪。

排氣旁通閥工作原理

聲浪傳導(dǎo)：為了進(jìn)一步提高駕駛員的駕駛體驗(yàn)，保時捷和福特等采用在進(jìn)氣歧管上加裝聲浪導(dǎo)管的形式，并將其引入駕駛室，使得部分聲浪傳導(dǎo)到駕駛室內(nèi)，充分刺激著駕駛者的神經(jīng)。原理是將一根特制的聲浪導(dǎo)管與進(jìn)氣歧管相連，通過一種混合材料制作的撥片與發(fā)動機(jī)吸入的空氣一起共振，產(chǎn)生聲浪增強(qiáng)的效果。當(dāng)駕駛員深踩下油門時，聲浪導(dǎo)管會自動開啟，此時發(fā)動機(jī)艙的聲浪會被放大并傳到駕駛艙內(nèi)，產(chǎn)生悅耳的轟鳴聲。同理，當(dāng)正常行駛時，聲浪導(dǎo)管將處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動機(jī)的噪聲自然也會被隔離。當(dāng)然，這種設(shè)計更傾向于“自嗨”，因?yàn)樵隈{駛室外部可能感受不到這么明顯的效果。為了滿足聲浪的需求，工程師們真是煞費(fèi)苦心~

☆聲浪也能“造假”？

所謂耳聽為虛，眼見為實(shí)。對于聲浪其實(shí)也一樣。上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與調(diào)整多多少少存在一定的困難，且存在一定的成本問題。而聲浪模擬器則避免了這些問題。通過模擬超跑的聲浪，相關(guān)的廠家開發(fā)了對應(yīng)的聲浪模擬系統(tǒng)。大眾汽車2011年在高爾夫GTI上安裝了模擬發(fā)動機(jī)聲浪的Soundaktor系統(tǒng)，它的聲浪是由安裝在防火墻上的揚(yáng)聲器發(fā)出的，目的是為了改善駕駛員的駕駛體驗(yàn)。

當(dāng)然，寶馬也沒閑著，開發(fā)了一套叫做Active Sound的系統(tǒng)，原理跟這個差不多。這套系統(tǒng)在i8上用的相當(dāng)炫酷，你能想象一個搭載三缸機(jī)的混動i8能發(fā)出超跑的聲浪？與聲浪傳導(dǎo)不同的是，裝了5個揚(yáng)聲器的i8，不僅駕駛室內(nèi)部很嗨，通過布置6號揚(yáng)聲器，外部一樣也很嗨。

BMW i8 Active Sound 系統(tǒng)，2,3,7,8為內(nèi)部揚(yáng)聲器；6為外部揚(yáng)聲器

可能有讀者會覺得這么做是自欺欺人。確實(shí)，由模擬的聲浪再逼真，它也是假的。心里多少還是有些芥蒂的。但是，隨著電動汽車的發(fā)展，為了追求更好的駕駛體驗(yàn)，對這種聲浪模擬的需求似乎是更多了。

☆新的時代，新的挑戰(zhàn)

此外，電動化時代的到來，對NVH工程師們也提出了新的要求。

一方面，從安全角度的考慮，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車由于有發(fā)動機(jī)的存在，駕駛員不用擔(dān)心行人聽不到汽車的聲音。因此，電動汽車的主動發(fā)聲，已經(jīng)被明確規(guī)定在相關(guān)的法律法規(guī)中了。如何更好的起到提醒行人的作用，是需要解決的一個問題。

另一方面，沒有了發(fā)動機(jī)的掩蔽效應(yīng)，駕駛室內(nèi)其他的噪聲變得更加突出，空調(diào)噪聲、齒輪噪聲、電機(jī)的高頻噪聲、路噪等等。如何屏蔽掉這些煩人的噪聲，如何對駕駛室內(nèi)的聲品質(zhì)進(jìn)行合理的調(diào)教，對于NVH開發(fā)來說，并不是件簡單的事情。

本文作者為踢車幫 楊帆