汽車排氣系統消聲器改進設計研究

陳軍　李玉良

【摘 要】消聲器作為汽車排氣系統的重要組成部件，對其結構進行改進設計可有效降低排氣噪聲。首先測量怠速工況排氣口輻射噪聲，獲得設計改進數據；基于GT-power建立消聲器傳遞損失仿真分析模型，進行聲學、壓力損失分析數值模擬，并分析結構和設計參數對消聲器聲學性能的影響。通過消聲器傳遞損失試驗，對試驗結果進行驗證，優化后的結構和設計參數滿足發動機性能要求。

【關鍵詞】消聲器；傳遞損失；噪聲；聲學性能

中圖分類號： U464.134.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.008

噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）反映汽車行駛過程中的平穩性，其性能影響汽車用戶乘坐的舒適度[1]。目前汽車普遍存在怠速工況和車內噪聲偏大等問題，排氣系統的設計涉及流體、振動和聲學等學科，依賴大量的仿真與實驗。

通過對排氣系統的結構進行優化，使得聲學性能符合要求，可有效提高汽車用戶乘坐的舒適度。Young采用有限元分析評價消聲元件的聲學性能[2]；Tanaka采用邊界元對消聲器進行聲學計算[3]；Kumar通過發動機的時域仿真，評價排氣系統的聲源特性[4]；Pobedin研究并建立客車車內噪聲的數學模型，提出噪聲的概率計算方法[5]。

本文基于GT-power建立消聲器傳遞損失仿真分析模型，進行聲學、壓力損失分析數值模擬，分析相關結構參數對消聲器聲學性能的影響。通過消聲器傳遞損失試驗，對試驗結果進行驗證。

1 消音器結構及參數設計

本問研究的是阻抗復合式消音器，因為既含有吸音材料，又在結構上具備抗性消音器的特點。根據設計經驗，前消聲器內部連接管穿孔數目為18x15x3.5mm，厚度為1.2mm，消音器結構形狀的不同會影響擴張比某阻抗復合式，設計指標是降噪30db。發動機參數如下：發動機缸數為6缸，轉速為2100r/min，沖程數為4，由此可得基頻為105Hz。前消聲器參數：內部連接管穿孔數目為18x15x3.5mm，厚度為1.2mm。

2 消聲器性能測試、數據分析及仿真

2.1 怠速工況的測試噪聲控制

圖1 駕駛員右耳聲壓級曲線

關閉車窗、空調及多媒體，測試發動機從啟動狀態到怠速階段再到空調開啟時，車內噪聲及排氣尾管噪聲值。其中從發動機啟動后的20s測試啟動噪聲；怠速噪聲在中間階段測試，時長為15s；之后的5-20s測試空調開啟狀態下的怠速噪聲。試驗臺上，3擋加速，從最低穩定轉速開始加速到發動機額定轉速，記錄下車內及排氣尾管的噪聲值。發動機轉速穩定后，掛空擋并測試發動機轉速從1000r/min～6000r/min時的噪聲值。將發動機轉速穩定在4500r/min，松開油門，測試轉速從4500r/min到怠速階段時的噪聲。圖1為1檔油門，2.0階車內噪聲，駕駛員右耳處的聲壓級曲線。

曲線反映，排氣噪聲源包括：材料、設計、模態響應，消聲器調音，發動機震動/聲音輸出。同時，測試車的狀態對噪聲也有很大影響（車門密封條，聲學包裹，發動機傳遞路徑等）。

2.2 數據分析及改進

測試過程：1）工況：發動機怠速；2）空調和風扇狀態：AC Off ，Fan Off；3）麥克風位置：參照GB/T 14365；4）4種測量狀態下排氣尾管長度：原始尾管、尾管延長20cm、尾管延長50cm、尾管延長70cm；5）排氣管口與延長管采用軟管連接。測試的結果如下：其中圖2為輻射噪聲的頻譜圖；圖3怠速狀態下發動機的轉速圖。

圖2 輻射噪聲頻譜圖

圖3 怠速狀態下發動機的轉速圖

結果分析診斷：RPM=700，11.67Hz；No.of Cylinders=4；No.of Strokes=4。關鍵頻率：23.33Hz，1st firing frequency；46.67Hz，1st Harmonic of the firing frequency。

2.3 試驗結果驗證

過渡段采用規則錐形，在后處理算法中考慮規則錐形的傳遞矩陣，利用數值方法精確的減去適配段的影響，獲得消聲器的準確聲學性能。為了測量排氣系統背壓，基于圖a的消聲器傳遞損失原理和QC/T631等標準進行臺架試驗，其中系統由3部分組成：數據采集分析系統、信號產生系統和消聲器。信號分析系統包括電腦、數據采集與分析軟件及阻抗管；信號產生系統由電腦和揚聲器組成。圖b為與消聲器傳遞損失試驗原理對應的實驗現場。

圖a 試驗原理

圖b 試驗現場

圖4 消聲器傳遞損失實驗原理與現場

圖5為測得的主消聲器傳遞損失變化曲線，其中左側為無流動，而右側為不同流速的傳遞損失測試結果。

圖5 主消聲器傳遞損失變化曲線

結果顯示，排氣系統背壓隨發動機轉速升高而升高，發動機轉速到達額定值時，優化后排氣系統背壓明顯小于原排氣系統背壓，結果滿足性能指標。而后消是引起排氣系統背壓變化的最主要原因。排氣系統內部氣流流動遇到截面發生突變時，氣流速度將發生急劇變化，原來流體流動狀態也隨之受到很大的干擾，渦流現象明顯，進而將消耗消音器內部能量。基于數值模擬結果，對排氣系統進行如下改進：排氣內徑更改，擋板距端蓋的距離更改，并進一步優化內部結構。

3 結論

本文建立排氣系統消聲器輻射噪聲測試方法以及消聲器傳遞損失測試方法，基于GT-Power構建傳遞損失計算機仿真分析模型，通過對比試驗提高仿真的準確度。采用逆推發動機聲源的經驗方法，測試獲得無發動機聲源特性下的發動機聲源特性；通過內部流動傳遞矩陣測試，獲得排氣系統在不同發動機轉速下的聲學特性。試驗與數值仿真表明：優化后的排氣系統背壓明顯小于原排氣系統背壓，優化后的結構和參數設計滿足發動機性能指標。

【參考文獻】

[1]林勝.基于GT-Power優化排氣系統階次轟鳴噪聲[J].汽車實用技術，2017，24：110-112.

CFD Simulation[J]，Materials Today：Proceedings，2018，5：8471–8479.

[2]Guilherme S.Papini etc.Hybrid approach to noise control of industrial exhaust systems[J]，Applied Acoustics，2017，125：102–112.

[3]Jingxiang Lin，Shengdun Zhao.Optimization of valve opening process for the suppression of impulse exhaust noise[J]，Journal of Sound and Vibration，2017，389：24–40.

[4]K.M.Kumar，M.L.Munjal.Direct estimation and experimental validation of the acoustic source characteristics of two-cylinder naturally aspirated diesel engine exhaust system[J]，Applied Acoustics，2018，135：70–84.

[5]A.V.Pobedin etc.Computational Probabilistic Evaluation Of Passenger Cars Noise Level[J]，Procedia Engineering，2017，206：1558–1563.