آشنایی با عملکرد منبع اگزوز خودرو

در اواخر قرن هجدهم ، زمانی که اولین اتومبیل ها در جاده ها و شهرها به حرکت در می آمدند بیشتر مردم آن ها را وسایلی زشت ، پرسر و صدا و آزاردهنده می دانستند . اما حدود دوازده سال بعد از ساخت اولین خودرو توسط کارل بنز ، در سال 1897 دو مخترع امریکایی به نام های Milton O.Reeves و Marshal O.Reeves اختراعی را ثبت کردند که گسترش استفاده از اتومبیل ها بدون آن ممکن نبود و از آن زمان جزء جدانشدنی تمام خودروهاست :

Muffler یا Silencer به معنی صداخفه کن که ما آن را با نام منبع اگزوز یا انباره اگزوز می شناسیم ، یکی از اجزای اصلی سیستم اگزوز خودروست که بیشترین نقش را در کاهش صدای اتومبیل داراست.

 

به طور دقیق تر منظور از کاهش صدا ، کاهش سطح فشار صدا ( sound pressure level ) یا تراز شدت صوت ( sound intensity level ) بوده که با واحد دسی بل ( dB ) سنجیده می شود .  صدای یک موتور درون سوز مورد استفاده در خودروهای رایج ، بدون نصب سیستم اگزوز بیش از 110 dB است ، یعنی تنها 20 dB کمتر از آستانه درد گوش انسان . لطفاً توجه کنید :

  • صدای تیک تاک ساعت در حد 20 dB است .
  • صدای شلیک گلوله در حد 140 dB است .
  • آستانه ناراحتی گوش انسان 120 dB و آستانه درد آن برابر با 130 dB است.

انرژی بسیار زیاد گازهای خروجی ناشی از انفجار درون سیلندرها دلیل ایجاد این سطح صدای بالاست . این گازها با دمای بیش از 700˚C منیفولد خروجی موتور را ترک می کنند .

سیستم اگزوز به چند طریق مختلف این صدای غیر قابل تحمل ( و خطرناک ! ) را به یک صدای لذتبخش تبدیل می کند . اولین موضوعی که باید به آن توجه کرد این است که انبساط تدریجی گازهای خروجی – یعنی یک افزایش حجم در مسیر آن ها – باعث کاهش فشار و دمای آن ها و در نتیجه کاهش سطح فشار صدا می شود . اما این اصلاً کافی نیست و در انواع مافلرها از قواعد دیگری هم برای کاهش صدا استفاده شده که در ادامه به معرفی آن ها می پردازیم .

 

 مافلرهای واکنشی ( Reactive Mufflers )

در این مافلرها کاهش تراز شدت صوت بر اساس قوانین فیزیک امواج و اصل تداخل امواج صورت می گیرد .

برای آشنایی با عملکرد این نوع مافلر ابتدا چند مفهوم فیزیکی یادآوری می شود :

صدا

در فیزیک صدا ارتعاش ذرات یک محیط الاستیک ( تغییر شکل پذیر ) گاز ، مایع یا جامد است . صدا در هوا زمانی ایجاد می شود که یک منبع صدا مولکول های هوای چسبیده به خود را به نوسان وادار می کند . این مولکول ها حرکت را به مولکول های مجاور خود منتقل می کنند و به همین ترتیب این انتقال انرژی به شکل یک تغییر فشار در لایه های مولکولی هوا ادامه می یابد .  بنابراین صدا یک موج مکانیکی است .

هرچه انرژی موج بیشتر باشد دامنه ی آن بزرگ تر است . دامنه ی موج صدا بلندی صدا را تعیین می کند . امواج صدا با دامنه ی بلندتر پرده ی گوش انسان را بیشتر حرکت می دهند و صدای بلندتری شنیده می شود .

 

اصل برهم نهی ( Superposition Principle )

اصل برهم نهی بیان می کند پاسخ سیستم به دو یا چند محرک که به طور هم زمان به آن اعمال می شوند برابر است با جمع جبری پاسخ سیستم به هریک از محرک ها در حالی که به تنهایی اعمال شوند .

اصل بر هم نهی در مورد سیستم های دارای معادلات خطی صدق می کند که امواج فابل توصیف با معادله ی موج کلاسیک از جمله موج صدا از این دسته هستند .

 

تداخل امواج ( Wave Superposition )

اگر دو موج ( یا بیشتر ) به طور هم زمان در یک نقطه از فضا وجود داشته باشند ، بر اساس اصل برهم نهی می توان گفت در این نقطه موجی با دامنه ی حاصل از برهم نهی دامنه های این دو موج وجود خواهد داشت .

بسته به میزان اختلاف فاز این امواج دامنه ی حاصل از بر هم نهی می تواند بزرگ تر از هریک از دامنه ها باشد که در این حالت ما یک تداخل سازنده ( constructive superposition ) داریم . در مقابل اگر دامنه ی حاصل از برهم نهی کوچک تر باشد ما یک تداخل مخرب ( destructive superposition ) خواهیم داشت .


تداخل مخرب در مورد دو موج صدا یعنی کاهش دامنه و در نتیجه کاهش بلندی صدا و این همان کاری است که در یک مافلر واکنشی انجام می شود .

این مافلرها می توانند دارای چند دیواره ی داخلی باشند و توسط آن ها به چند قسمت تقسیم شده باشند . با برخورد امواج صدای ورودی به دیواره ها ، بخشی از امواج صدای ورودی در جهت مخالف منعکس می شود . فاصله ی این دیواره ها از یکدیگر طوری در نظر گرفته شده که با تداخل مخرب امواج ورودی و امواج منعکس شده ، دامنه ی حاصل کاهش می یابد . این عمل بسته به طرح داخلی مافلر در دو یا چند محفظه تکرار می شود .

این فرایند به فرکانس امواج وابسته است و به دلیل تفاوت فرکانس موج صدا در دورهای مختلف کارکرد موتور مافلر نمی تواند در همه ی شرایط عملکرد ایده آل خود را داشته باشد ( در طراحی دورهای متوسط در نظر گرفته می شوند ). 

 

فشار برگشتی ( Back Pressure )

یکی از اثرات جانبی و نامطلوب وجود مافلر در مسیر گازهای خروجی ،  ایجاد فشار برگشتی است . در حقیقت رفت و برگشت گازها در مافلر باعث ایجاد فشاری مخالف فشار جریان خروجی اصلی می شود و مافلر مثل یک مانع مزاحم در مقابل جریان          آن هاست . این امر باعث کاهش بازده و اتلاف بخشی از توان موتور می شود که میزان آن با توجه به نوع خودرو و مشخصات موتور یکی از پارامترهای مهم در طراحی مافلر و سیستم اگزوز است .

  • مافلرهای جاذب ( Absorptive Mufflers )

در مافلرهای جاذب با تبدیل انرژی موج صوتی به گرما ، انرژی و دامنه ی موج و در نتیجه تراز شدت صدا کم می شود .

در مدل های معمول این نوع مافلر این کار با عبور جریان پر انرژی گازهای خروجی از درون یک لوله سوراخ دار که در میان مواد آکوستیک مثل پشم شیشه یا پشم سنگ قرار گرفته صورت می گیرد .

 

مزیت مهم این نوع مافلر ایجاد فشار برگشتی بسیار کم در مقایسه با مافلرهای واکنشی است ؛ اما علی رغم این مزیت مهم این مافلرها در فرکانس های پایین تاثیر کمی در کاهش صدا دارند و استفاده از آن ها به تنهایی برای یک خودرو سواری معمولی کافی نیست .

 

  • مافلرهای ترکیبی ( Reactive – Absorptive Mufflers )

در این نوع مافلر که در اکثر خودروها مورداستفاده است از هر دو خاصیت برای کاهش سطح فشار صدا استفاده می شود . بعضی از لوله های داخلی این مافلرها لوله های سوراخ دار هستند و اطراف آن ها با مواد عایق پر می شوند . به این ترتیب لوله های سوراخ دار درون مواد عایق مانند یک مافلر جاذب عمل می کنند و حداکثر کارایی حاصل می شود .علاوه بر این با بهره گیری از هردو روش عملکرد مافلر در دورهای مختلف بهبود می یابد .

 

الگوی استفاده از مافلرها و طراحی هریک از آن ها در خودروهای مختلف با توجه به پارامترهای متعددی مانند مشخصات موتور ، هزینه ، جانمایی اجزا ، استانداردها ، دوام ، کلاس ابعادی و سگمنت خودرو ، بازار هدف ، نوع استفاده از خودرو و … متفاوت است . برای مثال در یک خودرو لوکس میزان کاهش سطح صدا نسبت به فشار برگشتی اولویت دارد ، در یک خودرو اسپرت کاهش زیاد صدا مطلوب نیست ، نوع صدای خودرو مورد توجه قرار می گیرد و حداقل فشار برگشتی ( کمترین افت توان ) بیشترین اهمیت را دارد و در یک خودرو اقتصادی کمترین تاثیر منفی بر بازده و مصرف سوخت در کنار هزینه تولید اولویت پیدا می کند .

در خودروهای روز با استفاده از فناوری های موثر بر صدای موتور خودرو از جمله مافلر ها ، این صدا علاوه بر این که دارای شدت نامطلوبی نیست بلکه در بعضی از خودروها به عنوان یک ویژگی مهم و منحصر به فرد شناخته شده است و بخشی از هویت یک برند است ؛ صدایی که آقای Montezemolo  مدیر پیششن فراری ، به آن « موسیقی موتور » می گفت .

 

 

 

مراجع :

  • H.Daniel (2005),” General Design Principles for an Automotive Muffler, Day Design Pty Ltd
  • W. Herrin (2012), “Vibro-Acoustic Design in Mechanical Systems “, University of Kentucky
  • Michael Bannon (2015), “The Physics Behind Chamber Muffler Designs”, com
  • K.Nice, “How Mufflers Work”, howstuffworks.com