Designing Sound

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Cars
Crankshaft
Connecting rod
Cylinder block
Pivot
Piston
Piston ring
Chamber
Air
Fuel vapour
Valves
Spark plug
open
closed
closed closed closed closed closed open
Intake stroke Compression stroke Ignition (power) stroke Exhaust stroke
Exhaust
Figure 45.1
The internal combustion engine.
characterised as a rectified and truncated sinusoidal wave coupled to a resonant
cavity. In a four-cylinder engine we will hear four of these on staggered phases.
Other Sources
The engine sound dominates in terms of intensity, but in addition to the other
components like fans, cams, gears, and drive shafts, the second-loudest source
of sound in a moving vehicle is the friction of its tyres on the ground. Rubber
has strange transphase properties much studied by mechanical engineers and
transport scientists; it squirms, squeals, and emits interesting patterns of noise
that depend on temperature, speed, and load.
Exhaust
A two-stroke engine works a little differently, which is interesting to men-
tion here because of how this difference affects the sound. It uses the exhaust
impedance in a much more sophisticated way. Unlike a four-stroke engine that
drives exhaust pulses into the pipe, a two-stroke uses the exhaust like a tuned
system to blow back through the cylinder, flush out remaining exhaust gas, and
induct fresh air/fuel mixture in, by taking advantage of a standing wave that
is deliberately amplified. This is achieved with a trapezoid-shaped expansion
cavity between the engine and the tailpipe.
The exhaust design shown in figure 45.2 makes a big difference to our engine
sound. Explosion of one or two litres of compressed petrol and air certainly
makes a big bang. You can hear this if an engine “backfires,” if the exhaust
valve remains open by accident. But since the aim is to turn this into motion in
as efficiently as possible we may take the piston to be a near-perfect damper.
A properly working 5kW petrol engine operating at 1800
RP M
obtains only
5 percent to 10 percent efficiency, so a portion of the remaining energy that
doesn’t end up as heat must produce sound. Otherwise, exhaust gas is expelled

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