汽車排氣消聲器性能研究及設計開發(fā)探究

田松 張哲明

摘要： 隨著工業(yè)制造水平的不斷提高，汽車制造業(yè)獲得了長足的發(fā)展，加之人們生活水平的提升，汽車保有量迅速增加，這些都為汽車工業(yè)的快速發(fā)展打下了堅實的基礎。但同時汽車噪音問題也開始備受關注，特別是隨著噪聲法規(guī)的日漸完善，汽車降噪處理的任務也更加繁重。在信息技術的推動下，利用軟件對噪聲進行仿真分析，能夠進一步優(yōu)化汽車消聲器設計。本文運用GT-Power軟件的仿真功能，對汽車排氣消聲器結構予以優(yōu)化設計。

Abstract： With the continuous improvement of industrial manufacturing level， the automobile manufacturing industry has achieved considerable development， coupled with the improvement of people's living standard， the rapid increase of car ownership， which has laid a solid foundation for the rapid development of the automobile industry. But at the same time， the problem of automobile noise also began to be concerned， especially with the improvement of noise regulations， the task of automobile noise reduction is also more onerous. Under the impetus of information technology， the simulation analysis of noise by software can further optimize the design of automobile muffler. This paper uses the simulation function of GT-Power software to optimize the design of automobile exhaust muffler structure.

關鍵詞： 汽車噪聲;排氣消聲器;聲學性能;設計開發(fā)

Key words： vehicle noise;exhaust muffler;acoustic performance;design and development

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0018-02

1? 汽車排氣噪聲產(chǎn)生原理和消聲器的機理研究

噪聲是汽車發(fā)動機運行中十分常見的一種故障現(xiàn)象，主要由于發(fā)動機氣缸內(nèi)部發(fā)生了急劇的高溫廢氣變化情況，強大的氣壓波迅速產(chǎn)出排放時，產(chǎn)生的巨大的聲音。根據(jù)噪聲的振幅、頻率和結構位置，可以劃分為基頻排氣噪聲、亥姆霍茲共振噪聲、廢氣噴注噪聲、排氣道內(nèi)避面的紊流噪聲、沖擊噪聲等。其中基頻排氣噪聲最為常見。因此，汽車排氣消聲器的設計研究就顯得尤為必要。當前消聲器可以細分為有源和無源兩種，相對而言，有源消聲器使用繁瑣，應用的范圍較小，而無源消聲器則有著較為廣泛的應用市場。

1.1 汽車排氣噪聲產(chǎn)生原理

汽車的發(fā)動機開始運行的時候，氣缸內(nèi)部將會產(chǎn)出高速和高溫的廢氣，這些廢氣經(jīng)由排氣口排出，將會形成低頻和周期性的噪聲，亦可以稱之為基頻排氣噪聲，也是汽車發(fā)動機最為主要的噪聲來源。其基頻和諧波的運算公

式為：fk=■

式中，k表示諧波的次數(shù);n表示發(fā)動機轉速，單位為r/min;z為發(fā)動機氣缸的數(shù)量;τ表示沖程系數(shù)，其中二沖程的τ值為1，四沖程的τ值為2。

1.2 汽車排氣消聲器的機理研究

為有效降低汽車發(fā)動機噪聲，可以在汽車氣動裝置的空氣流道上面安裝汽車消聲器。其原理在于借助聲波的作用，實現(xiàn)聲波之間的互相干擾，以此對聲音壓強進行降低，減少噪聲的發(fā)出，以此實現(xiàn)消聲目標。消聲器可以劃分為主動消聲器和無源消聲器。其中主動消聲器是發(fā)射出等同于噪聲振幅但是相位相反的聲波，以此對噪聲聲波進行干擾和抵消，從而實現(xiàn)降噪的目標。不過主動消聲器的使用相對較為復雜，應用不夠普及。無源消聲器則包括以下幾種：①抗性消聲器。該消聲器主要是對聲阻抗進行改變，其在管道界面產(chǎn)生反射和干擾作用，以此來對噪聲進行消除。該消聲器適用于中頻和低頻噪聲中。②阻性消聲器。該消聲器則是借助多孔吸音材料來對噪音進行消除。噪音進入到吸音材料中后，氣體和材料間進行摩擦作用，促使部分聲能轉化為熱能，從而消除部分噪音。該消聲器多用于中高頻噪音消除中。③阻抗復合消聲器。顧名思義，是將上述兩種消聲器進行有效的融入，以此實現(xiàn)更為廣闊的適用性。

2? 基本消聲單元的性能以及消聲器的設計方法

2.1 基本消聲單元的性能分析

對于消聲器設備而言，消聲器單元是其最為基本的組成部分?？茖W開展消聲器單元數(shù)據(jù)分析，能夠更好的明確不同的結構形式對于消聲器的具體影響，為后續(xù)開展消聲器設計研究體用基礎數(shù)據(jù)。本文則借助仿真軟件，開展了擴張式消聲器的數(shù)據(jù)計算研究，該消聲器屬于抗性消聲器的一種，其原理在于利用管道界面的改變，來干擾和影響管道內(nèi)部的噪聲傳遞頻率，從而降低噪音。

就目前來看，最為常見的擴張式消聲器主要為簡單的擴張腔。

當sin（kL）=1時，消聲量最大，相應頻率稱為中心頻率，表達為：fc=■·■

當sin（kL）=0時，消聲量等于零，相應頻率稱為通過頻率，表達為：fi=■·■

本次研究對象選取的擴張腔結構為：進出口的管徑分別為50mm，擴張腔的直徑為150mm，腔體的長度為200mm。

①擴張比及腔體長度的影響。

a）擴張比越大，消聲量越大。

fH=1.22■

式中，c為聲速，m/s;D為擴張腔的特征尺寸，對于圓截面，D為直徑，對于其它形狀，D=S（S為截面積），m。

b）伴隨著不斷增加的腔體長度，上限的頻率保持不

變，整體的波形朝向零點的方向壓縮。

②擴張腔截面形狀的影響。

通過分析可知，在低頻區(qū)域，不同形狀所產(chǎn)生的傳遞損失曲線幾乎重合，也就是說，腔體形狀幾乎不會對低頻產(chǎn)生影響。正方形和圓形界面，所產(chǎn)生的聲學特性幾乎一致，僅僅區(qū)別為：上限頻率較高的為圓形界面，上限頻率前的消聲量較高的為正方形。橢圓形的截面形狀的上限頻率，從較高頻率朝向低頻區(qū)域傾斜，且拱形峰值也呈下降趨勢。超過上限頻率后，該形狀依然可以實現(xiàn)一定的消聲能力。

③出入管偏置的影響。

關于出入管偏置的情況可以細分為以下兩種類型：第一，出入管的一端出現(xiàn)偏置。固定入口位置，偏置出口管20mm、40mm?；蛘吖潭ǔ隹谖恢?，偏置入口管20mm、40mm。以此來分析一端出現(xiàn)偏置的情況下，對于聲學的具體影響。結果可知，出口或者入口偏置相同距離，其對于聲波的影響是完全相同的。當上限頻率確定為2700Hz時，在此之前，消聲量幾乎產(chǎn)生改變，也就是說，偏置情況對于中低頻的影響是極小的。但是在上限頻率之后，偏置的距離越大，其對于消聲的影響越大。也就是說，在實際設計消聲器時，可以適當?shù)牟扇∫欢似玫那闆r，特別是對于高頻噪音的消除具有重要作用。第二，兩端出入口同時進行偏置。按照25mm、50mm、75mm的距離進行出入口兩端的同時偏置。結果可知，同樣是對低頻段無影響。而對于中高頻段而言，本例中為1000-2700Hz頻段，偏置的距離越大，反而降低了消聲性能。而進入到高頻階段，偏置距離越大，消聲性能卻越好。

2.2 消聲器的設計方法

消聲器的結構原理主要包括氣流結構、傳熱結構、振動結構和發(fā)動機性能。消聲器利用這些結構來消音，這些結構有一定程度的復雜性。消聲器的設計方法有很多，比較傳統(tǒng)的方法主要是理論分析、實驗驗證和設計驗證。排氣系統(tǒng)的外形越簡單，相關理論和設計就越成熟。然而，雖然該方法已經(jīng)成熟，但更多的是基于理論層面，缺乏實踐驗證。目前，隨著科學技術的進步和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車排氣系統(tǒng)消聲器的設計也逐漸發(fā)生了變化。主要表現(xiàn)在理論指導的結合和CAE設計與經(jīng)驗設計的結合。在進行設計工作時，工作人員利用計算機軟件的測試功能進行模擬和測試。本文的設計方法是基于GT-Power軟件的仿真分析功能。利用軟件仿真得到了消聲器的插入損耗和傳輸損耗，并根據(jù)這些參數(shù)對消聲器進行了優(yōu)化設計。

3? 汽車排氣消聲器的優(yōu)化設計思路

3.1 模型建立

3.1.1 發(fā)動機模型

GT-Power主要是利用一維流體架設模型來實現(xiàn)對發(fā)動機不同工況的模擬。發(fā)動機系統(tǒng)亦可以細分為不同的控制單元，且每一個單元還包括了眾多的交錯網(wǎng)格，這也是發(fā)動機得以運行的重要基礎。本文以某OEM發(fā)動機為例，構建基礎模型。

3.1.2 消聲器模型

本文利用工具來對消聲器結構進行描述，并離散為模型。最終在排氣系統(tǒng)仿真模型中進行該模型的添加。

3.2 消聲器的仿真計算

3.2.1 傳遞損失計算

耦合之前構建的兩個模型，對聲功率的差異進行計算，然后構建傳輸損耗仿真模型。設定完畢參數(shù)后，得到最終的仿真結果：后置消聲器于低頻范圍內(nèi)，性能更優(yōu);前置消聲器在高頻范圍內(nèi)，性能更優(yōu)。

3.2.2 插入損失計算

經(jīng)過分析可知，插入損失和聲源本身特性密切相關。因此需要連接發(fā)動機模型和消聲器，以此來對連接前后的噪聲進行分析。從分析結果可知，消聲器高頻部分能夠滿足需求，而低頻部分效果欠佳，這表明消聲效果不夠，還存在一定的優(yōu)化空間。

3.3 發(fā)動機消聲器的優(yōu)化設計

依據(jù)上述的計算結果可知，在進行消聲器優(yōu)化設計時，其內(nèi)徑需要超過0.051m。之前的排氣系統(tǒng)管道的內(nèi)徑經(jīng)測算，為0.054m，符合消聲器的流速要求。因此優(yōu)化設計時沿用該參數(shù)即可。針對抗性消聲單元而言，擴張比的大小直接決定了消聲量的大小，二者的關系如表1所示。同時，結合設計經(jīng)驗可知，消聲器的擴張比多曲江與最高的消聲目標。經(jīng)過計算可知，原先的排氣系統(tǒng)的擴張比為19.76，其對應的消聲量大致為19.9dB（A），幾乎和最高的消聲目標20.3dB（A）持平。因其他工況對于消聲量要求較低，不高于19dB（A）即可。因此可以繼續(xù)采用之前的主消擴張比，也就是按照原先0.045254m2的截面面積進行計算。在實際設計時，對消聲器的內(nèi)部管徑進行提升或者進行共振，以此實現(xiàn)最高消聲量的基本要求。

針對如上仿真分析識別的性能不足，優(yōu)化設計方法為：一是將設備的膨脹比進行增加，促使發(fā)動機消聲器性能提升;二是將高頻區(qū)域內(nèi)的消聲器的再生量進行改變，也就是對穿孔范圍進行擴大，降低穿孔的孔徑;三是后移消聲器右側的隔板50mm左右，以此來對消聲器的體積和密度進行適當?shù)脑黾?四是改變消聲器噴嘴為喇叭狀，以此來增加消聲器的消聲量。

3.4 優(yōu)化結果

優(yōu)化改進之后的消聲器，其傳輸損耗比原先的消聲器高2-5dB（A）左右。經(jīng)過上述措施優(yōu)化后，極大的改善了消聲器的整體性能，高頻區(qū)域消聲效果更優(yōu)，低頻范圍內(nèi)也滿足相關標準要求。

本文利用GT-Power軟件對排氣系統(tǒng)的傳遞損耗和插入損耗進行了分析，實現(xiàn)了對汽車排氣消聲器的優(yōu)化改進設計，有助于縮短設計時間，降低設計成本，期望能夠對同類課題提供一定的借鑒意義。

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