汽車排氣系統(tǒng)低速轟鳴問(wèn)題研究

孟剛

（佛吉亞排氣控制技術(shù)開(kāi)發(fā)（上海）有限公司　上海　201107）

汽車排氣系統(tǒng)低速轟鳴問(wèn)題研究

孟剛

（佛吉亞排氣控制技術(shù)開(kāi)發(fā)（上海）有限公司上海201107）

本文首先介紹了在車輛2檔降速滑行的工況下進(jìn)行排氣尾管噪聲測(cè)試過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)3 600rpm-3 700rpm轉(zhuǎn)速范圍之間，車內(nèi)出現(xiàn)轟鳴噪聲的問(wèn)題。通過(guò)分析判斷轟鳴聲是由于排氣尾管噪聲出現(xiàn)了峰值，以及分析了尾管轟鳴產(chǎn)生的機(jī)理，提出了兩種改善設(shè)計(jì)的思路。依據(jù)兩種思路提出了不同的解決方案，并且通過(guò)傳遞損失的模擬分析找出最有效的方案進(jìn)行整車尾管噪聲測(cè)試，最終通過(guò)在排氣尾管上增加一個(gè)赫姆霍茲共振腔，消除了排氣尾管產(chǎn)生的轟鳴聲。

滑行；轟鳴聲；傳遞損失；赫姆霍茲

孟剛

畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)任佛吉亞排氣控制技術(shù)開(kāi)發(fā)（上海）有限公司排氣系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要研究方向：排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，商用車排放后處理技術(shù)。

1　前言

近年來(lái)中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的汽車產(chǎn)銷國(guó)家，2013年銷量突破2 000萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2014年全年銷量將會(huì)突破2 400 萬(wàn)輛。隨著汽車的快速普及，消費(fèi)者對(duì)汽車的品質(zhì)要求不斷提高，其中車內(nèi)駕乘的舒適性越來(lái)越受到終端用戶的重視。在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)上，同檔次車型在常規(guī)性能方面的綜合“性價(jià)比”越來(lái)越接近較高水平。因此，提高車輛的駕乘舒適性成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，而其中整車NVH 占據(jù)主要地位。整車NVH 不僅是影響車輛舒適性的重要因素，而且也是評(píng)價(jià)其質(zhì)量品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。其中排氣尾管噪聲作為整車NVH的主要貢獻(xiàn)之一也越來(lái)越受到汽車制造廠商的重視，各汽車制造廠商對(duì)排氣尾管的噪聲指標(biāo)要求越來(lái)越苛刻。

本文分析了某款車內(nèi)低速轟鳴噪音的來(lái)源，對(duì)排氣尾管轟鳴的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討，提出了消除尾管轟鳴的解決方案。并且通過(guò)模擬分析與整車尾管噪聲試驗(yàn)相結(jié)合的方法，消除了排氣尾管產(chǎn)生的轟鳴，提升了車內(nèi)NVH的舒適性。

2　問(wèn)題描述

進(jìn)行整車噪聲評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，車輛在變速器2檔下，從轉(zhuǎn)速6 000rpm降低到1 000rpm的滑行過(guò)程中，車內(nèi)第二排中間座位右耳位置明顯感覺(jué)有轟鳴聲。同時(shí)從排氣尾管噪聲的頻譜圖中可以看出120Hz左右處有峰值，排氣尾管噪聲2階測(cè)試的結(jié)果顯示噪聲水平超出目標(biāo)值10dB左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 600rpm-3 700rpm左右（下圖1和圖2）。

3　原因分析

3.1噪聲源識(shí)別

車內(nèi)噪聲的影響因素很多，根據(jù)發(fā)生機(jī)理和傳播途徑可將車內(nèi)噪聲分為固體聲傳播和空氣聲傳播。本文遇到的車內(nèi)轟鳴噪聲是在測(cè)試排氣尾管噪聲的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)冷端結(jié)構(gòu)和排氣尾管階次噪聲曲線（圖2）的分析，經(jīng)過(guò)公司專家組的討論和經(jīng)驗(yàn)判斷，最終確定車內(nèi)轟鳴產(chǎn)生的來(lái)源是排氣系統(tǒng)的排氣尾管。

3.2Booming產(chǎn)生的機(jī)理

排氣尾管噪聲是一種脈動(dòng)噪聲，聲音以平面波在管道中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)尾管時(shí)氣流就產(chǎn)生脈動(dòng)噪聲。管道聲學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)消音器的容積足夠大的時(shí)候，消音器與尾管的交界面可以近似地處理為開(kāi)口管端，尾管可以看作是具有“開(kāi)口-開(kāi)口”的邊界條件（圖3）。

考慮到聲波從尾管出口周圍環(huán)境聲阻抗實(shí)際不為零，修正后的尾管長(zhǎng)度與共振頻率的關(guān)系式為

L— 尾管長(zhǎng)度

fp— 尾管的共振頻率

Din— 尾管內(nèi)徑

n =1，2，3…時(shí)，分別對(duì)應(yīng)尾管第1階、第2階、第3階、…階次頻率

c — 聲速

t — 尾管出口氣體溫度

根據(jù)整車試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尾管出口氣體溫度大約200℃。尾管內(nèi)徑Ф63mm，長(zhǎng)度1 814 mm，由公式1和2可以推導(dǎo)出現(xiàn)有設(shè)計(jì)的尾管共振頻率約為118.6 Hz，與整車實(shí)測(cè)結(jié)果120 Hz比較相近。因此進(jìn)一步確認(rèn)了該排氣系統(tǒng)轟鳴聲產(chǎn)生的原因是由于排氣與尾管產(chǎn)生共振而引起的。

4　方案改善

4.1原始設(shè)計(jì)

該排氣系統(tǒng)冷端總成主要包括：a、前消聲器總成，b、后消聲器總成，c、排氣尾管。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4所示：

4.1方案改進(jìn)及模擬結(jié)果

4.1.1 方案改進(jìn)思路

通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)轟鳴聲的頻率值和轟鳴產(chǎn)生的機(jī)理分析，本文提供了解決該問(wèn)題的兩種思路。思路一：改變尾管長(zhǎng)度。在管徑一定的條件下，排氣尾管的共振頻率取決于尾管的長(zhǎng)度和聲波的速度。在一定的試驗(yàn)工況條件下，尾管內(nèi)排氣溫度變化幅度不大，可以認(rèn)為聲度是確定的，因此通過(guò)改變尾管長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)尾管與氣體的共振頻率。思路二：增加赫姆霍茲消聲器。由于該轟鳴聲的頻率在120Hz左右，屬于特定頻率的噪音，因此可以考慮在排氣系統(tǒng)的冷端增加一個(gè)赫姆霍茲消聲器來(lái)消除這一特定頻率的噪聲。如圖5 所示，赫姆霍茲消聲器是一種歷史悠久的消聲器，由一個(gè)消聲容器和一根短管組成，短管與主管連接。圖中V是赫姆霍茲消聲器的容積，Dc和LC分別是連接管的截面積和長(zhǎng)度。赫姆霍茲消聲器的消音原理是，入射波在主管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)消聲器時(shí)，一部分被反射回來(lái)，另一部分分成兩個(gè)分路。一路進(jìn)入容器或者推動(dòng)容器內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，另一路繼續(xù)在主管內(nèi)傳播，形成投射波。由于管道交界面處的阻抗發(fā)生變化，從而達(dá)到消聲目的。由赫姆霍茲消聲器的共振頻率的計(jì)算公式（公式3）可以得出，只要設(shè)定合適的容積V，連接管的長(zhǎng)度Lc和 連接管的直徑Sc，就可以得出特定頻率 ：

4.1.2方案描述

根據(jù)上文描述的改進(jìn)思路，在不影響整車邊界的前提下，提出了四種改進(jìn)方案。方案A，保持原始設(shè)計(jì)的尾管直徑Ф65 mm不變，把尾管長(zhǎng)度由1 814 mm縮短到1 675mm。方案B，保持原始設(shè)計(jì)的尾管直徑Ф65 mm和長(zhǎng)度1 814 mm不變，在尾管上增加容積為1 L 的諧振腔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7。方案C，保持原始設(shè)計(jì)的尾管直徑Ф65 mm，尾管長(zhǎng)度縮短到1 675 mm，同時(shí)在尾管上增加容積1L的諧振腔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7所示。方案D，保持原始設(shè)計(jì)的尾管直徑和長(zhǎng)度，在尾管上增加一個(gè)赫姆霍茲消聲器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖6和圖8所示：

4.2、模擬結(jié)果

為評(píng)估各方案的改進(jìn)效果，以及節(jié)省樣件制作的時(shí)間和成本，對(duì)各方案進(jìn)行了傳遞損失的模擬分析。通過(guò)模擬分析結(jié)果（圖9），在3 700 rpm轉(zhuǎn)速附近，方案A相對(duì)原始方案只降低1.5 dB，方案B相對(duì)原始方案只降低2 dB，方案C相對(duì)原始方案降低2 dB，方案D相對(duì)原始方案降低了15 dB。從模擬的結(jié)果來(lái)看，方案D即采用了赫姆霍茲消聲器的設(shè)計(jì)，可以大幅度降低3 700 rpm的噪聲值。

5　試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案D的效果，隨后做了樣件并在整車上重新進(jìn)行了2檔滑行測(cè)試。從尾管階次噪聲的測(cè)試結(jié)果（圖10）可以看出，方案D的測(cè)試結(jié)果明顯好于原始方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)3 700 rpm左右，2階排氣尾管噪聲峰值降低12 dB。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了某車排氣系統(tǒng)在2檔滑行過(guò)程中產(chǎn)生轟鳴的原因，提出了兩種解決問(wèn)題的思路，最終通過(guò)在排氣尾管上增加赫姆霍茲共振消聲器的方案解決了轟鳴問(wèn)題，為類似問(wèn)題提供了解決問(wèn)題的思路和分析方法。

［1］龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.6.

［2］嚴(yán)清梅，張佳偉，張娟娟，后軍亮，于洋.整車車內(nèi)NVH異響的識(shí)別及解決方案汽車技術(shù)，2009年增刊.

［3］李洪亮，程魁玉，顧燦松，何森東.某微車低速轟鳴聲的降噪設(shè)計(jì).LMS中國(guó)用戶大會(huì)會(huì)議論文集，2009.

［4］王志亮，劉波，王磊.轎車轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理與分析方法研究.噪聲與振動(dòng)控制，2008.4.

［5］比利時(shí)LMS國(guó)際公司北京代表處，LMS Test. Lab中文操作指南，2009.6.

［6］白俊偉，劉松偉.汽車排氣系統(tǒng)尾管設(shè)計(jì)指南.第七屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2010.

專家推薦

陳贛：

該論文論述了采用赫姆霍茲共振腔改變共振頻率從而達(dá)到降噪目的方法。這種增加一個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)從而降低整個(gè)主系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲幅值的方法在汽車上應(yīng)用比較廣泛，但本篇論文從主系統(tǒng)的共振頻率分析計(jì)算到赫姆霍茲共振腔的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了比較詳盡的闡述，是一篇在應(yīng)用赫姆霍茲共振腔解決排氣系統(tǒng)轟鳴聲方面具有參考價(jià)值的論文。

Investigation on Booming Noise in a Passenger Car Exhaust Tail Pipe at Low Vehicle Speed

MENG Gang
（Faurecia Emissions Control Technologies Development （Shang Hai）Co，.Ltd.， Shanghai， 201107，China）

This paper firstly describes that an issue of a booming noise in a vehicle at engine speed from 3500rpm-3700rpm was detected during exhaust system tail pipe noise measurement on the vehicle in the test condition of 2nd gear and coasting down. Subsequently， the source of the booming noise was identified as tailpipe of exhaust product， and mechanism of booming noise was analyzed. According to the analysis of root cause， two routes to solve the issue were presented， and variant proposals were proposed. And also found out the most effective proposal from transmission loss simulation to re-do exhaust tail pipe noise test on vehicle. In finally， the boom noise was eliminated by the way of adding a Helmholtz resonator on the tail pipe.

Coast Down； Booming Noise； Transmission Loss； Helmholtz Resonator

U467.3

A

1005-2550（2015）03-0044-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.009

2015-01-06