消聲器設計參數的組合評估及正交優化

呼大力

摘要：目前水污染、空氣污染以及噪音污染已經嚴重阻礙了社會的發展，人們生活水平的提高，汽車的生產量也在逐年上升，汽車發動機的噪音給人們的生活帶來很大的干擾，為了減少排氣系統產生的噪音，開始在汽車上安裝消音器。本文將介紹不同參數對消聲器的影響，分析消聲器的正交優化設計。

關鍵詞：消聲器設計參數；組合評估；正交優化

文章主要從參數對消聲器的影響及正交設計的相關內容這兩方面內容入手，消聲器設計中的參數主要有孔徑、穿孔管壁的厚度、進氣管的長度等等。正交設計依據正交實驗來確定最終的參數，所以第二部分的內容主要是介紹正交實驗的相關內容。

1.各種設計參數對消聲器的影響

（1）孔徑

消聲器的孔徑也會相應到排氣系統的消音效果，在研究孔徑參數時應該保持穿孔管管徑、進氣管長度以及排氣管長度不變，按照不同的情況來改變孔徑參數。根據相關研究數據可以得出消聲器的傳遞損失也隨著孔徑的增加而增加，但是并不是說大孔徑的消聲器的消音效果比較好，孔徑應該控制在一定的范圍，這樣才能真正發揮消聲器的作用。

（2）穿孔管壁的厚度

穿孔共振的參數都會給排氣消聲器的功效造成影響，其中最明顯的就是穿孔管壁的厚度。消聲器的性能與穿孔管壁的厚度成反比，管壁厚度越大，傳遞損失就越小，聲波進入穿孔中會消耗較多的能量。消聲器在設計的過程中會適當地減小穿孔管壁的厚度，來提高消聲器的性能。

（3）進氣管的長度

消聲器的性能主要受到進氣管插入長度的影響，插入的長度越長，傳遞損失也越小。綜合相關數據的研究發現40毫米的插入長度最為合適，大部分聲頻內插入40毫米的進氣管都會取得很好的消音效果。要想獲得最佳的消音效果，應該將進氣管的插入長度確定為40毫米。

（4）排氣管的插入長度

不同排氣管的插入長度對消聲器的影響程度也不一樣，30毫米的插入長度能夠消耗更多的能量，其他長度的消音效果并沒有很大的區別。不同的排氣插入長度在不同環境下的消音效果也有所不同，但是聲音在傳遞過程中損失的能力具有一定的規律。為了更好發揮消聲器的作用，一般會選擇30毫米的插入長度。

2.消聲器正交優化設計

2.1正交實驗的優劣勢以及基本步驟

2.1.1正交實驗的優劣勢

正交試驗的優勢是能夠利用部分實驗得出最終的實驗結果，縮短了實驗的時間。例如可以通過進出口異軸對消聲器的影響對消聲器的結構進行分析，利用仿真技術得出實驗結果，最終確定最優的設計方案。這種實驗方式相比較傳統的實驗而言，成本更低實驗周期更短，還能對不同類型的發動機以及噪音進行分析，相應調整消聲器的設計參數，保證設計的質量。但是這種方式不能對所有的消音器實驗方式進行檢測，只能依靠部分實驗結果來得出最后的設計方案。

2.1.2正交試驗的基本步驟正交設計首先需要對消聲器的各項參數進行實驗，只有根據實驗結果來確定最終的參數才能保證消聲器的質量。這個表主要是實驗消聲器的各項性能。

消聲器正交試驗主要分為正交試驗方案的設計、正交試驗方案的實施以及實驗結果的驗證。首先正交試驗方案的設計主要包括設計目的以及正交試驗表的選擇，正交試驗設計之前一定要對消聲器的設計目的有明確的認識，消聲器的噪聲特征一定要與發動機的噪聲特征一致，根據消聲器的相關參數來確定實驗的對象。根據消聲器的影響因素和水平來確定正交表，消聲器的影響因素和水平一定要與正交表一致；其次是消聲器正交試驗一定要嚴格按照正交表上的實驗進行，通過實驗得出傳遞損失和功率損失，在實驗中應該及時將實驗得出的結果填寫到正交表上，為下階段的結果驗證提供依據；最后是正交試驗結果的分析，分析方式可以分為計算分析和直接分析兩種，計算分析能夠對消聲器的影響因素進行排序，確定消聲器的設計方案，各因素對消聲器性能的影響程度，最后找到各影響因素的關系以及變化規律，計算分析方式能夠保證仿真實驗與物理實驗結果的一致性。直接分析法可以對仿真實驗與物理實驗的結果進行分析和研究，得出消聲器指標的優劣勢，還能將聲音特征與空氣動力指標結合在一起，最終確定優化設計方案。

2.2 設計參數的確定汽車排氣消聲器主要受到旁邊腔、雙層管外管直徑以及雙層管外管穿孔的直徑等等，在設計消聲器之前，應該這些因素進行分析和研究，根據分析的結果進行正交實驗確定最優的設計方案。旁邊腔結構和雙層管外管穿孔直徑對消聲器的影響不是特別大，在正交實驗中可以忽略，如果有需要可以直接加入到實驗中。進出口異軸結構可以減少消聲器在汽車底盤占據的控制，而且能夠很好控制低頻與中頻的噪音。所以為了保證正交實驗結果的科學性，將進出口異軸、雙層管外管穿孔率、雙層管外管直徑以及雙層管外管穿孔直徑作為實驗的主要參數，不同長度的進出口異軸，對于雙層管外管穿孔率的影響，了解四種不同參數之間的關系，根據最后的實驗結果制定相應的設計方案。

2.3發動機和消聲器的耦合設計

發動機消聲器的耦合設計中考慮的不僅僅是消聲器的性能，還需要考慮發動機的功率耗損、插入耗損、排氣差等等，根據這些因素來確定正交實驗，這樣才能保證設計的科學合理。將之前制定的消聲器設計方案與汽車的發動機模型進行耦合設計，計算實驗得出的結果。不同的消聲器設計方案對于發動機的影響也有區別，仿真實驗得出的結果主要是發動機的限定功率以及限定轉速得來，在確定最佳的方案時會采用計算分析和直接分析兩種，兩種不用的分析方式具有自己各自的優勢，在發動機消聲器耦合設計中，直接分析的方式確定的優化方案的消聲效果更好。

3.總結

綜上所述，為了保證設計方案的科學性和合理性，在確定設計參數的組合之前應該進行相應的實驗，正交優化能夠大大減少仿真實驗的次數，最短的時間內確定最優的參數組合。設計參數組合的質量得到保證才能保證消聲器的功效，將排氣系統制造的噪音控制在合適的范圍，為汽車行業今后的發展創造有利的條件。

4.參考文獻：

[1]胡先鋒.消聲器設計參數的組合評估及正交優化[D].浙江大學，2013.

[2]黃一桃.汽車排氣消聲器性能分析及優化[D].重慶理工大學，2013.

[3]林森泉，連成堃.基于GT-power的消聲器優化設計[J].廈門大學學報（自然科學版），2013（3）

[4]趙楠楠.發動機排氣系統優化設計及應用分析[D].武漢理工大學，2012.