跑車的聲浪，可遠不止換個排氣管，拆掉消聲器那麼簡單

06-07

汽車聲浪的主要決定因素有哪些？

Sleepy Lin，is chrono-impaired.

聲浪是很複雜的問題，很多人對聲浪的理解局限在排氣管，排氣管確實可以影響聲浪，但畢竟不是聲浪的起源。為什麼大家都喜歡通過改排氣管來獲取不一樣的聲浪，因為它最好改最直接。有些聲音我們叫做噪音是因為不悅耳…音量更大的噪音本質上還是噪音。

先補充一部分關於聲音的內容吧。

大家都曉得聲音是振動造成的，但定義一個聲音，大體上可以由音高、響度、音色三個參數來描述。

頻率主要影響音高；振幅主要影響響度；頻譜和時域主要影響音色。三者之間也會相互影響，圖裡的線越粗則效果越強。

聲壓用來評價一個聲音的大小，以 1000Hz 的純音為準，人耳將將能夠感知的聲壓 2X10e-5 Pa，難以忍受的聲壓為 20Pa。然而我們平常所說的分貝，並不是聲壓的直接體現，而是「聲音的能量」，0dB 是這個頻率以能夠引起人類聽覺的最小聲音來度量的，往後每增加 10dB，能量增強十倍，響度則增加一倍。

振幅和頻率儘管分別是響度和音調的決定性因素，但也存在著微妙的關係，因為人耳主觀上存在著特殊性，在 2000Hz~4000Hz 的區間特別敏感，甚至於僅僅需要 -7dB 就可以引起聽覺，在低頻、高頻的區域，則需要幾十 dB 才能有所察覺，所以為了以「人耳」為標準對聲音的大小進行評價，就有了「響度」的概念。

如果兩個聲音的音調和響度一樣，就需要憑藉音色來區分兩者。決定音色的主要是振動的時域及聲音的頻譜（Sound envelope and Frequency spectrum）。Frequency spectrum 描述的是聲音能量的分布。

為什麼要使用頻譜來描述一個聲音呢，因為聲音通常都不會是一個單純的頻率，而是幾個頻率的疊加，如果我們固定一根線的兩端，然後給它一個激勵，線上就會出現各種各樣的波，波長等於線長度的，波長等於線長度的一半，1/3,1/4 等等，這些波疊加起來就是我們看到的振動。聲音也一樣，這些聲音的諧振頻率一般是某個頻率的倍數，最低的那個頻率我們稱為基頻。而「同時激活幾個有倍頻關係的聲音」，與「把這幾個聲音的波形疊加成一個波形，然後演奏這個波形」，也是不一樣的，前者是幾個聲音的共鳴，後者則是一個比較特別的單音，也可以理解為「音色特別」。

Sound envelope 描述的是振動隨時間變化的情況。通常來說，一個簡單的擊打造成的 envelope 包含四個過程，Attack 即物體由靜止到振幅迅速增大的過程，Decay 即振動逐漸穩定的過程，Sustain 是振動穩定的持續期，Release 是能量耗散不足以保持振動，振幅逐漸減小的過程，很多樂器的振動具有這樣的特點，聽起來是比較順暢的，但如果擊打是連續的，1 秒 30 次以內人耳大體上可以辨別，超過這個限值越多，聽起來就越像是一個連續的聲音了。

如果我們將一個聲音記錄下來，反向播放它會發現這是另一個聲音，但它的頻譜卻是一樣的，原本隨時間逐漸消逝的尾音變成了陡然下降的狀態。也就是說，envelope 對音色的影響不比 spectrum 小。今天剛好也在能不能通俗的講解下傅立葉分析和小波分析之間的關係？ - 咚懂咚懂咚的回答也看到這個描述。

至於其他比如多普勒效應等等可以加給聲音的特效，都是會影響到聲音的品質的，不多贅述了。

略多廢話， Engine Part.

以前在為什麼乘用車的發動機聲音能做得很安靜？ - Sleepy Lin 的回答寫了一些內容… 車身部分對聲音有影響，但對舒適性的考量更多一些，發動機畢竟大心臟，是聲浪真正的來源。

發動機的聲音大體可以分為燃燒雜訊、機械雜訊以及空氣動力雜訊。如果按照各個聲源對總雜訊的貢獻來看，燃燒雜訊和排氣雜訊是最多的，其次才是各個機械部件的雜訊、風噪、進氣雜訊等等。最核心的還是點火，因為點火才有爆發才有對外輸出，此外曲軸通過附件輪系等等將自身的運動傳遞給各零部件，所以不論是哪個地方的噪音，歸根結底都會和點火頻率產生關聯。

以四缸機為例，曲軸每轉兩圈，每個氣缸只完成了一個循環，對於氣缸來說，也就是「0.5Hz」，但因為四個氣缸都完成了一個周期，對於發動機來說就是」2Hz」了，如果對六缸、八缸等等發動機做這樣一個簡單的計算就可以得到下面這樣圖。

為什麼隨著氣缸數的增加，隨著轉速的提升，音調總體來說是增加的，這就很明顯啦。

但點火頻率無法完全決定音色。

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

別忘了前面提到的諧振頻率問題，在為什麼 V10 發動機逐漸消失，而 V8 和 V12 沒有? - Sleepy Lin 的回答以及學習發動機四行程有什麼用？ - Sleepy Lin 的回答的問題里曾經寫過往複慣性力的一些比較基礎性的內容，不夠完整但這裡也不打算繼續往下深入了，總之氣缸內發生了一系列複雜的反應，各種力產生了對應不同階次的頻率，下面這張圖是對一台八缸機的採集數據進行 FFT 處理後的結果。

標註的峰值為主點火階次 64.6HZ，可以很容易反推得到轉速是 969rpm。後面的幾個波峰基本上在倍數位置，就是更高的一些階次了。300Hz 左右的地方有一片波峰，是發生了共振的區域（這台機器的排氣管發生了共振），在設計的過程中，零部件的固有頻率都是要求不與各個諧振頻率發生重合的，最簡單的就是提升模態，讓固有頻率高於主要的幾個階次頻率。共振會造成更大的振動，提升雜訊的水平，但這種雜訊絕對不是我們想要的聲浪。共振的問題也不僅僅是雜訊而已。

各個階次的諧振頻率疊加在一起，就形成了特別的音色。

可是相同氣缸的發動機可能排量不一樣，排量一樣的，缸徑或者衝程是不一樣的，還有壓縮比可能是不一樣的，燃燒過程是不一樣的，爆發壓力是不一樣的，結構件受限於布置與種種原因是不一樣的，放大到整機、整車上，千百個零部件，它們都有各自不同階次的模態，形成的基本上是一個獨有的組合，所以即便點火頻率一樣，能量分布是不一樣的，這世界上也很難找到兩種音色相同的機型。

下面幾張圖可以做個比較。

比較亮的黃色是聲壓級比較大的區域。Corvette 和 Ferrari 458 用的都是 V8 發動機，有好幾個階次頻率的聲壓級都比較大，諧振頻率的組合形成了比較悅耳的聲浪，但 Corvette 聲壓級最高的區域明顯比法拉利低一些，意味著法拉利有幾個高階次的頻率能量較大，音調整體會變得更高。Avalon 和 Porsche 911 Carrera S 都是六缸機，Avalon 各個頻率的聲壓級都比較低，NVH 做的太好……而 Porsche 911 Carrera S 聲壓級最高的區域在低頻段，高階次區域聲壓級都很低，這是六缸機比八缸機更平順的表現，沒有太多不平衡力的困擾。

關於燃燒雜訊…自然是和燃燒過程密不可分的，缸內氣壓不斷的變化，影響這個過程的因素就多了去了…如何噴油，如何進排氣，如何點火，實際上在設計一台發動機時，調校這些參數是非常非常痛苦的一件事情。

燃燒雜訊和機械雜訊兩者並不太好區分，是因為燃燒最終也是通過缸壁傳遞到環境的。當然最主要的一個過程還是迅速燃燒爆發的那個過程，整體的雜訊也就和壓力的增長率、最高壓力的大小、時長有關係。

燃燒雜訊的頻譜大致是下圖這樣的，低頻區間體現的主要是最高爆發壓力，最高爆發壓力越高，低頻的峰值就越高；中頻區間體現的主要是燃燒的放熱率，如果放熱越迅速，中頻區間就越平坦；高頻區間體現的是燃燒開始時缸內局部壓力的上升。氣缸壓力的頻譜在低頻段是線譜，幾個特定頻率上有峰值，這些頻率也就是點火頻率的諧振頻率了。

下圖描述的是一台柴油機。

不論是什麼工況，低頻段的能級都比高頻段更高（偏暖色），而且曲軸轉角覆蓋的範圍更廣，也就是持續的時間更長。圖中上與下的區別在於噴油時間，噴油時間推遲以後，整個圖形往右偏移，意味著聲音的發出時刻的推移，這是因為最高爆發壓力點隨著點火時間推遲而推遲。最左兩幅以及最右兩幅圖的對比可以看到，負荷減小雜訊則減弱。

圖比較小請見諒。

這幾張圖則是噴油時刻的影響（ATDC 即 After Top Dead Center），隨著著火時間的推遲，負荷的減小，聲強級減弱。當然著火時間太晚對燃燒也會有不好的影響，是存在一個最佳的時刻的。

燃燒雜訊是在缸內形成的，但是還需要經過一系列的結構件才可以傳遞到環境里，所以缸體缸蓋等等零部件的狀態，對雜訊影響一樣是很大的。通常這些結構件有個衰減特性，氣壓衝擊結構件，傳遞到外部形成的能量已經不如缸內那麼大了，這就是衰減。衰減特性和固有頻率一樣是天生定型的，所以轉速、負荷等等都不會對這個特性造成什麼變化。衰減特性不同，燃燒過程不同，疊加起來就是不一樣的雜訊。

下圖是比較典型的衰減特性，因為零件的固有頻率一般處於中頻區間，所以在 1000~4000Hz 的區間衰減特別小，但是在低、高頻段衰減就很可觀。

機械雜訊的來源比較多，這部分雜訊最容易出現異響。

冷卻噴嘴潤滑不足活塞敲擊噠噠噠，皮帶輪的共振嘯叫，配氣機構，正時系統等等。實際上發動機的進排氣雜訊是可以通過諧振腔、消聲器來控制的，燃燒雜訊是可以在熱力學開發的過程里得到控制的，但是機械雜訊往往在整個機型開發的過程乃至量產以後，都很難解決，一方面因為問題處多，一方面因為聲源難找 —— 沒錯有時你能聽到但你真的找不到在哪，即便找到了，也可能不會有一個完美的解決方案。

這類噪音也很有特點，通常出現在怠速、急加減速、以及高速運轉的時候。

關於這類噪音的描述，簡直用盡了人類目前已有的擬聲詞。

噠噠噠。突突突。噔噔蹬。梆梆梆。嗡嗡嗡。隆隆隆。啷啷啷。

太難了。

不過話說回來，這類噪音多是和零部件的設計相關的，零部件的關鍵參數做一些調整，雜訊也會相應的有改變，以活塞為例就有下圖這個樣子。

至於都有什麼些聲源什麼些機理什麼些控制手段，就不展開了，這是一門玄學呵呵呵。

好了好了，最後提一提排氣管，進氣雜訊影響也很大，不過不展開了最近比較忙…個把月沒玩遊戲手略癢…

一開始已經說到了，排氣管最容易改裝，也是改造聲浪最有效的辦法，對於發動機本體而言，要去重新定製零件等於重新開始一台發動機的設計，點火、噴油的參數儘管影響雜訊但通常這些關鍵參數對動力、經濟性的考慮更多，不太容易去從降噪的角度去考慮。

排氣作為發動機四個衝程之一，它的噪音也和本體離不開關係。

使用什麼樣的消聲器，得從發動機本體出發進行設計，反之如果希望改造聲浪，也可以從選擇不同的消聲器開始。

以前在汽車排氣雙邊雙出、單邊雙出、單邊單出除了外觀上的差異還有哪些不同？ - Sleepy Lin 的回答是提過一些的，重複的內容就不提啦。

空氣在管道中流動，自身攜帶能量引起自身振動造成的聲音，流量一定的時候，管徑越大，氣流越穩定，聲音越小，單純從聲學角度來設計排氣管的話，考慮的就是這部分的雜訊了。此外，由於排氣門不停開閉，會造成周期性不穩定的空氣流動，這部分氣流在管道截面積突變，或者彎管的地方會形成衝擊，導致雜訊；另外，空氣和管道壁面摩擦也會形成雜訊。還有一種叫做輻射雜訊，振動體與流體接觸的時候會推動流體，而產生聲音，麥克風就是這種例子。排氣系統由於發動機、車體振動給的激勵，會導致整個結構振動，還有氣流的脈衝波動，會形成這種雜訊。在排氣尾管部分產生的雜訊，主要包括兩種。一種是前面提到的這種穩定氣流形成的動力雜訊，另一種是不穩定氣流形成的摩擦雜訊。低轉速氣流流速慢的時候，前者為主，高轉速氣流流速快的時候以後者為主。

假如一台發動機的排氣管沒有消聲器，隨著負荷增加（下圖分別是 25%、50%、75%、100% 的負荷曲線），噪音的增強非常顯著，低頻段（實際是主點火階次頻段）是聲強級比較高的地方。