تصميم كاتم الصوت ، على الرغم من أنه يبدو أنه يقوم بالكثير من العمل في قمع مثل هذا الصوت القوي للمحرك ، إلا أنه في الواقع بسيط للغاية: داخل كاتم الصوت ستجد مجموعة بسيطة مخادعة من الأنابيب ذات الثقوب المحفورة فيها. يتم ترتيب هذه الأنابيب ، جنبًا إلى جنب مع الغرف الخاصة ، في الواقع مثل آلة موسيقية مضبوطة بدقة ، والتي اليوم لا تخفف المحرك فحسب ، بل تخلق أيضًا صوتًا خاصًا يرضي أذن العديد من عشاق السيارات ، خاصة عند استخدامها في السيارات الرياضية.
كاتم صوت كوتاواي
وبالتالي ، تم تصميم كاتمات الصوت لتعكس الموجات الصوتية التي ينتجها المحرك بطريقة تلغي (الأمواج) نفسها جزئيًا. تستخدم كاتمات الصوت تقنية رقيقة بما يكفي لقمع هذه الضوضاء. فكيف تم إعداد كاتم الصوت؟ دعونا نفهم ذلك! لكن علينا أولاً أن نتعلم المزيد عن فيزياء الصوت.
موقع كاتم الصوت في السيارة بالنسبة لنظام العادم بأكمله
حول الصوت
تتولد الموجات الصوتية من نبضات ذات ضغط هواء مرتفع ومنخفض بالتناوب في أسطوانات المحرك. تشق هذه النبضات طريقها عبر الهواء بسرعة الصوت. يتم إنشاء هذه النبضات في المحرك في الوقت الذي يفتح فيه صمام العادم ويدخل المزيج المتفجر من الوقود والهواء عند الضغط العالي فجأة إلى نظام العادم. الجزيئات في هذا الغاز تتصادم مع جزيئات في الأنبوب تحت ضغط منخفض. هذه ، بدورها ، تصطدم بالجزيئات الموجودة أسفل الأنبوب ، مما ينتج عنه هذا الصوت. وهكذا ، فإن الموجة الصوتية تشق طريقها إلى أسفل نظام العادم (أو بالأحرى ، من الأمام إلى الخلف) أسرع بكثير من خروج غازات العادم منه.
عندما تصل نبضات الضغط هذه إلى أذنك ، فإنها تعمل على طبلة الأذن ، مما يؤدي إلى اهتزازها. ويفسر دماغك حركة الغشاء هذه على أنها صوت. تحدد سمتان رئيسيتان للموجة كيف ندرك مثل هذا الصوت:
- تردد الموجة الصوتية - تردد الموجة الأعلى يعني ببساطة أن ضغط الهواء يتقلب بشكل أسرع. كلما كان المحرك يعمل بشكل أسرع ، زادت النغمة التي نسمعها (فكر في أزيز سيارات الفورمولا 1 أو الدراجات الرياضية التي تسير بسرعة عالية). الاهتزازات البطيئة تبدو أقل في النغمة (الصوت الأكثر تميزًا تصدره المحركات ، محركات هارلي ديفيدسون للدراجات النارية عند التباطؤ أو بسرعات منخفضة).
- مستوى ضغط الهواء - تحدد سعة الموجة مدى ارتفاع الصوت. الموجات الصوتية ذات السعات الكبيرة لحركة طبلة الأذن لديها ضغط أكبر ، ونحن نسجل هذا الإحساس على أنه حجم أكبر من الضوضاء.
ولكن اتضح أنه من الممكن الجمع بين موجتين صوتيتين أو أكثر معًا والحصول على صوت أصغر (!). دعونا نرى كيف يعمل ، باستخدام مثال جهاز كاتم الصوت!
السمة الرئيسية لإدراكنا للموجات الصوتية هي أن الضوضاء الناتجة في أذننا هي في الواقع مجموع كل الموجات الصوتية التي تصل إلى طبلة الأذن في وحدة زمنية واحدة. إذا كنت تستمع إلى أي من أغاني Metallica ، على سبيل المثال ، فقد تسمع الطبول وثلاثة جيتار تعزف في نفس الوقت كموسيقى واحدة مدمجة ، ولكن إذا كنت تستمع إلى أي أغنية من هذا القبيل ، يمكنك سماع عدة مصادر صوتية مختلفة (باستثناء التمييز بين العزف على الطبول والجيتار الجهير) - يتم إضافة موجات ضغط الصوت التي تصل إلى طبلة الأذن معًا ، بحيث تشعر طبلة أذنك بضغط واحد فقط في أي وقت معين.
والآن الجزء العملي لجهاز كاتم الصوت فيما يتعلق بقمع الصوت: الحقيقة هي أنه من الممكن إنتاج موجة صوتية معاكسة مباشرة لموجة أخرى مماثلة ، وهذا هو بالضبط أساس تقليل الضوضاء - موجتان متطابقتان ببساطة إما أن يغرق كل منهما الآخر أو يشكل موجة بضعف السعة. ألق نظرة على الرسوم المتحركة أدناه. الموجة القادمة من الأعلى والموجة في الوسط هما نغمتان متساويتان تمامًا. إذا كانت هاتان الموجتان في انسجام - أي إذا تداخلتا مع بعضهما البعض على نفس التردد - فإنهما يشكلان موجة واحدة ، ولكن بضعف السعة. في العلم ، هذا يسمى التدخل البناء. ولكن ، إذا تم تركيبها على بعضها البعض في مراحل متعاكسة ، عندما تتطابق أدنى نقطة من سعة الموجة الأولى في وقت واحد مع أعلى نقطة في اتساع الموجة الثانية ، فإنها ببساطة تلغي بعضها البعض وصولاً إلى الصوت صفر . وهذا بالفعل يسمى التدخل المدمر. بينما تصل الموجة الأولى إلى أقصى ضغط لها ، تصل الموجة الثانية إلى أدنى مستوى لها. إذا ضربت هاتان الموجتان طبلة الأذن في نفس الوقت ، فلن تسمع شيئًا ، لأن هاتين الموجتين تلغيان بعضهما البعض دائمًا.
كيف يتم ترتيب كاتم الصوت من الداخل؟
كاتم الصوت هو في الأساس مجموعة من الأنابيب. تم تصميم هذه الأنابيب لإنشاء انعكاسات للموجات الصوتية التي تتداخل مع بعضها البعض وفي النهاية تلغي بعضها البعض.
غازات العادم والموجات الصوتية معها (على الرغم من ذلك ، كما نعلم بالفعل ، قبل ذلك بكثير) تدخل كاتم الصوت عبر أنبوب العادم المركزي. ترتد عن الجدار الخلفي لكاتم الصوت وتنعكس من خلال ثقب في الجزء الرئيسي من كاتم الصوت. ثم يمرون عبر سلسلة من الثقوب إلى حجرة أخرى ، حيث يتم إخمادهم مرة أخرى ويخرجون من خلال الأنبوب الأخير ، تاركين كاتم الصوت.
الغرفة الثانية تسمى مرنان، وهو متصل بالغرفة الأولى من خلال ثقب. يحتوي الرنان على حجم معين من الهواء وله طول معين ، يتم حسابه بدقة متحذلق للحصول على طول موجي يمكن أن يعوض عن تردد معين للصوت. كيف يحدث ذلك؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة على كاتم الصوت ...
مرنان
عندما تدخل الموجة إلى كاتم الصوت ، يستمر جزء منها في الانتقال إلى الغرفة الثانية عبر الفتحة ، وينعكس الجزء الآخر. تنتشر الموجة في الغرفة الثانية ، وتدخل الجدار الخلفي لكاتم الصوت ، وتنعكس منه ، ثم تخرج مرة أخرى من خلال نفس الفتحة. يتم حساب طول هذه الغرفة الثانية بحيث تترك هذه الموجة الرنان فقط بعد انعكاس الموجة التالية من خارج الغرفة الثانية (داخل الغرفة الأولى). من الناحية المثالية ، سيتم إلغاء جزء الموجة الصوتية عالية الضغط الذي يخرج من الغرفة الثانية بواسطة جزء من موجة الضغط المنخفض التي ترتد عن الجدار الخارجي للغرفة الثانية ، وهاتان الموجتان هما اللتان ستوازنان بعضهما البعض.
يوضح الرسم المتحرك أدناه كيف يعمل الرنان في كاتم صوت مبسط:
في الواقع ، صوت المحرك عبارة عن مزيج من ترددات صوتية مختلفة ، وبما أن العديد من هذه الترددات تعتمد على سرعة المحرك ، فإن الصوت لا يتم تضمينه تقريبًا في نطاقات التردد الصحيحة لكتم الصوت بشكل مثالي. تم تصميم الرنان ليعمل في أفضل نطاق تردد حيث يصدر المحرك أكبر قدر من الضوضاء ، ولكن حتى إذا كان التردد مختلفًا ، فسيظل ينتج قدرًا كبيرًا من التداخل المدمر.
بعض السيارات ، خاصة السيارات الفاخرة حيث يكون التشغيل الهادئ ميزة أساسية ، وهناك مكون آخر في العادم يشبه كاتم الصوت ولكنه يسمى مرنان. يعمل هذا الجهاز مثل مرنان الغرفة في كاتم الصوت - يتم حساب الأبعاد بحيث تنتج الموجات المكتومة صوتًا "جميلًا" معينًا عند الإخراج من أجل مفاجأة وإسعاد الآخرين ، وفي الواقع ، الأشخاص الموجودون في مقصورة هذه السيارات .
هناك ميزات أخرى داخل كاتم الصوت تساعده على تقليل مستويات الصوت بطرق مختلفة. يتكون جسم كاتم الصوت عادة من ثلاث طبقات: طبقتان رفيعتان من المعدن وطبقة سميكة معزولة قليلاً بينهما. هذا يسمح لكاتم الصوت بامتصاص بعض نبضات الضغط. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أنابيب المدخل والمخرج المؤدية إلى الغرفة الرئيسية مثقبة بفتحات. هذا يسمح بإلغاء آلاف نبضات الضغط الصغيرة في الغرفة الرئيسية ، "تأكل" بعضها البعض إلى حد ما بالإضافة إلى امتصاصها في كاتم الصوت.
عيوب كاتم الصوت وأنواع أخرى من كواتم الصوت
من أهم عيوب كاتم الصوت مقاومته للضغط الذي يمارسه عليه المحرك - تسمى هذه الخاصية الضغط الخلفي. بسبب كل الالتواءات والثقوب في كاتم الصوت ، يجب أن يقطع العادم شوطًا طويلاً للهروب في النهاية إلى الغلاف الجوي المحيط. تنتج كاتمات الصوت الموضحة أعلاه ضغطًا خلفيًا مرتفعًا بدرجة كافية تستهلك بعض طاقة المحرك ، لأن الصمام المفتوح للأسطوانة يسمح بالحرق ، ويخرج الوقود بسبب الانفجار في الأسطوانات المجاورة ، كما نتذكر من المقالة المتعلقة بالمحرك عملية.
هناك أنواع أخرى من كاتمات الصوت يمكنها تقليل الضغط الخلفي. أحد هذه الأنواع ، يشار إليه أحيانًا باسم " نافذة زجاجية مزدوجة"، يستخدم الامتصاص فقط ، وليس الانعكاس ، لتقليل الصوت. في كاتم الصوت هذا ، يتم توصيل أنبوب العادم مباشرة بأنبوب عادم السحب ، المثقوب بفتحات. يتم تطبيق طبقة من الزجاج العازل حول هذا الأنبوب ، والذي يمتص جزءًا من نبضات الضغط العازل محاط بطبقة فولاذية.
جهاز كاتم الصوت - "وحدة زجاجية"
هذه الكواتم لها أيضًا عيب كبير: فهي تنتج ضغطًا خلفيًا أقل بكثير ، وبالتالي "تأكل" قوة السيارة بشكل طفيف ، لكنها لا تقلل مستوى الصوت مثل كاتمات الصوت التقليدية.