Konstrukcja tłumika, choć wydaje się, że ma dużo pracy przy tłumieniu tak mocnego dźwięku silnika, jest w rzeczywistości dość prosta: wewnątrz tłumika znajdziesz zwodniczo prosty zestaw rurek z wywierconymi w nich otworami. Rury te, wraz ze specjalnymi komorami, są właściwie ułożone jak precyzyjnie nastrojony instrument muzyczny, który dziś nie tylko tłumi silnik, ale także wydaje specjalny dźwięk, który jest przyjemny dla ucha wielu entuzjastów motoryzacji, zwłaszcza gdy jest używany w samochodach sportowych.
Wycięty tłumik
Tak więc tłumiki są zaprojektowane tak, aby odbijały fale dźwiękowe wytwarzane przez silnik w taki sposób, że one (fale) częściowo się znoszą. Tłumiki wykorzystują technologię, która jest wystarczająco cienka, aby stłumić ten hałas. Jak więc ustawia się tłumik? Rozwiążmy to! Ale najpierw musimy dowiedzieć się trochę więcej o fizyce dźwięku.
Położenie tłumika w samochodzie względem całego układu wydechowego
O dźwięku
Fale dźwiękowe są generowane z impulsów naprzemiennego wysokiego i niskiego ciśnienia powietrza w cylindrach silnika. Impulsy te przemieszczają się w powietrzu z prędkością dźwięku. Impulsy te powstają w silniku w momencie, gdy otwiera się zawór wydechowy i wybuchowa mieszanka paliwa i powietrza pod wysokim ciśnieniem nagle dostaje się do układu wydechowego. Cząsteczki w tym gazie zderzają się z cząsteczkami w rurze, które znajdują się pod niższym ciśnieniem. Te z kolei zderzają się z cząsteczkami znajdującymi się dalej w rurze, co powoduje powstanie tego dźwięku. W ten sposób fala dźwiękowa przemieszcza się w dół układu wydechowego (a raczej od przodu do tyłu) znacznie szybciej niż spaliny z niego wychodzą.
Kiedy te impulsy ciśnienia docierają do ucha, działają na błonę bębenkową, powodując jej wibracje. A twój mózg interpretuje ten ruch błony jako dźwięk. Dwie główne cechy fali decydują o tym, jak odbieramy taki dźwięk:
- Częstotliwość fali dźwiękowej - wyższa częstotliwość fali oznacza po prostu, że ciśnienie powietrza zmienia się szybciej. Im szybciej pracuje silnik, tym wyższy dźwięk słyszymy (pomyśl o szumie samochodów Formuły 1 lub motocykli sportowych przejeżdżających z dużą prędkością). Wolniejsze wibracje mają niższy ton (najbardziej charakterystyczny dźwięk wydaje silnik, silnik motocykla Harley Davidson na biegu jałowym lub przy niskich obrotach).
- Poziom ciśnienia powietrza — Amplituda fali określa, jak głośny będzie dźwięk. Fale dźwiękowe o dużych amplitudach ruchu naszych błon bębenkowych mają większe ciśnienie, a my rejestrujemy to odczucie jako większą głośność hałasu.
Okazuje się jednak, że można połączyć ze sobą dwie lub więcej fal dźwiękowych i uzyskać (!) mniejszy dźwięk. Zobaczmy, jak to działa na przykładzie urządzenia z tłumikiem!
Główną cechą naszego postrzegania fal dźwiękowych jest to, że powstający hałas w naszym uchu jest w rzeczywistości sumą wszystkich fal dźwiękowych, które docierają do błony bębenkowej w jednej jednostce czasu. Na przykład, jeśli słuchasz dowolnej piosenki Metalliki, możesz usłyszeć perkusję i trzy gitary grające w tym samym czasie jako jedną połączoną muzykę, ale jeśli słuchasz takiej piosenki, możesz usłyszeć kilka różnych źródeł dźwięku (z wyjątkiem aby odróżnić grę na perkusji od gry na gitarze basowej) - fale ciśnienia akustycznego docierające do błony bębenkowej są sumowane, dzięki czemu błona bębenkowa odczuwa tylko jedno ciśnienie w danym momencie.
A teraz praktyczna część urządzenia tłumiącego pod względem tłumienia dźwięku: faktem jest, że można wytworzyć falę dźwiękową, która jest dokładnie przeciwna do innej identycznej fali, i to jest właśnie podstawa redukcji hałasu - po prostu dwie identyczne fale albo zagłuszają się nawzajem, albo tworzą falę o dwukrotnie większej amplitudzie. Spójrz na animację poniżej. Fala dochodząca z góry i fala pośrodku to czyste równe tony. Jeśli te dwie fale są zgodne - to znaczy, jeśli nakładają się na siebie z tą samą częstotliwością - wtedy tworzą jedną falę, ale z dwukrotnie większą amplitudą. W nauce nazywa się to konstruktywną interferencją. Ale jeśli nakładają się one na siebie w przeciwnych fazach, kiedy najniższy punkt amplitudy pierwszej fali w jednym czasie zbiega się z najwyższym punktem amplitudy drugiej fali, to po prostu znoszą się one do zera . I to się już nazywa destrukcyjną ingerencją. Podczas gdy pierwsza fala osiąga maksymalne ciśnienie, druga fala osiąga swoje minimum. Jeśli obie te fale uderzą w błonę bębenkową w tym samym czasie, nic nie usłyszysz, ponieważ te dwie fale zawsze się znoszą.
Jak ułożony jest tłumik od środka?
Tłumik to zasadniczo zestaw rurek. Rury te są zaprojektowane do tworzenia odbić fal dźwiękowych, które interferują ze sobą i ostatecznie znoszą się nawzajem.
Spaliny i wraz z nimi fale dźwiękowe (choć jak już wiemy dużo wcześniej) dostają się do tłumika centralną rurą wydechową. Odbijają się od tylnej ścianki tłumika i odbijają się przez otwór w głównej części tłumika. Następnie przechodzą przez szereg otworów do innej komory, gdzie ponownie gasną i wychodzą przez ostatnią rurę, opuszczając tłumik.
Druga komora to tzw rezonator, która jest połączona z pierwszą komorą przez otwór. Rezonator zawiera pewną objętość powietrza i ma określoną długość, która jest obliczana z pedantyczną precyzją, aby uzyskać długość fali, która może skompensować określoną częstotliwość dźwięku. Jak to się stało? Przyjrzyjmy się bliżej tłumikowi...
Rezonator
Kiedy fala wchodzi do tłumika, jej część przechodzi przez otwór do drugiej komory, a druga część jest odbijana. Fala rozchodzi się w drugiej komorze, wchodzi na tylną ściankę tłumika, odbija się od niej i ponownie wychodzi tym samym otworem. Długość tej drugiej komory jest tak obliczona, że fala ta opuszcza rezonator dopiero po odbiciu następnej fali od zewnętrznej strony drugiej komory (wewnętrznej części pierwszej komory). W idealnym przypadku część fali dźwiękowej o wysokim ciśnieniu, która opuszcza drugą komorę, zostanie zniesiona przez część fali o niskim ciśnieniu, która odbija się od zewnętrznej ściany drugiej komory, i to właśnie te dwie fale będą się wzajemnie znosić .
Poniższa animacja pokazuje, jak działa rezonator w uproszczonym tłumiku:
W rzeczywistości dźwięk silnika jest mieszanką różnych częstotliwości dźwięku, a ponieważ wiele z tych częstotliwości jest zależnych od prędkości obrotowej silnika, dźwięk prawie nigdy nie jest zawarty we właściwych zakresach częstotliwości, aby idealnie go stłumić. Rezonator jest zaprojektowany do pracy w najlepszym zakresie częstotliwości, w którym silnik generuje najwięcej hałasu, ale nawet jeśli częstotliwość jest inna, nadal będzie generować znaczną ilość destrukcyjnych zakłóceń.
W niektórych samochodach, zwłaszcza luksusowych, w których cicha praca jest kluczowa, w wydechu znajduje się jeszcze jeden element, który wygląda jak tłumik, ale nazywa się rezonator. To urządzenie działa jak rezonator komorowy w tłumiku – wymiary są tak obliczone, że stłumione fale wydają wtedy na wyjściu pewien „piękny” dźwięk, aby zaskoczyć i zachwycić innych, a właściwie osoby w kabinie takich samochodów .
Wewnątrz tłumika znajdują się inne funkcje, które pomagają obniżyć poziom dźwięku na różne sposoby. Korpus tłumika jest zwykle wykonany z trzech warstw: dwóch cienkich warstw metalu i jednej grubszej, lekko izolowanej warstwy między nimi. Dzięki temu tłumik może wchłonąć część impulsów ciśnienia. Dodatkowo rury wlotowe i wylotowe prowadzące do komory głównej są perforowane otworami. Pozwala to na wyeliminowanie tysięcy maleńkich impulsów ciśnienia w głównej komorze, które do pewnego stopnia „zjadają” się nawzajem, a ponadto są pochłaniane przez tłumik.
Wady tłumików i inne typy tłumików
Jedną z istotnych wad tłumika jest jego odporność na ciśnienie, jakie wywiera na niego silnik – ta cecha to tzw. ciśnienie zwrotne. Ze względu na wszystkie zwoje i dziury w tłumiku, wydech musi przejść długą drogę, aby ostatecznie wydostać się do otaczającej atmosfery. Opisane wyżej tłumiki wytwarzają na tyle duże przeciwciśnienie, że zabiera trochę mocy silnika, bo otwarty zawór cylindra pozwala na przepalenie, a paliwo wydostaje się w wyniku eksplozji w sąsiednich cylindrach, jak pamiętamy z artykułu o silniku operacja.
Istnieją inne rodzaje tłumików, które mogą zmniejszyć przeciwciśnienie. Jeden taki typ, czasami określany jako „ okno z podwójnymi szybami wykorzystuje tylko pochłanianie, a nie odbicie, aby zredukować dźwięk. W takim tłumiku rura wydechowa jest połączona bezpośrednio z rurą wydechową ssącą, która jest perforowana z otworami. Wokół tej rury nakładana jest warstwa izolacji szklanej, która pochłania część impulsów ciśnienia Izolacja otoczona jest warstwą stali.
Urządzenie tłumika - „zespół szklany”
Takie tłumiki mają również istotną wadę: wytwarzają znacznie mniejsze przeciwciśnienie, przez co tylko nieznacznie „zjadają” moc samochodu, ale nie obniżają poziomu dźwięku tak dobrze, jak konwencjonalne tłumiki.