基于虛擬計算的汽車排氣系統聲學性能研究

董禾卿　李桂琴

【摘 要】針對某車型排氣系統消聲器的開發設計受到發動機及整車資源的限制，難以在規定時限內達到噪聲目標要求的問題，文章采用數值仿真方法進行先期方案評估，利用邊界條件建立系統聲學仿真模型，使用一維計算流體力學的有限體積法進行模擬分析，并通過試驗驗證方法的有效性和實用性。此方法能夠實現排氣系統消聲器的提前開發，減少項目后期試驗頻次，并為開發排氣系統消聲器提供一種新的方法。

【關鍵詞】排氣系統；消聲器；設計；仿真

【中圖分類號】U467.493 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0066-03

0 引言

隨著汽車產業的迅猛發展，汽車數量日益增多造成的噪聲污染，已經嚴重影響人們的日常生活。如何降低汽車噪聲逐漸引起人們的重視。國外學者Dmitry M.Stadnik[1]使用邊界元法研究三通穿孔管，國內學者張揚[2]等使用有限元法研究排氣系統聲學性能快速預測方法。為了搶占市場，如今新車型開發時間越來越短，僅憑經驗及簡單的計算公式來計算消聲器性能的辦法已經跟不上現代項目開發節奏，為此各種聲學仿真軟件應運而生。本文使用基于計算流體力學的有限體積法軟件GT-power，對排氣系統的聲學性能進行仿真計算，以期達到排氣系統消聲器預開發的目的，從而提供一條產品開發的新途徑。

1 排氣系統的模型建立

本文采用3D軟件進行建模，基于汽車企業提供的底盤邊界數據及動靜態包絡條件。

排氣系統傳統設計方法是對一款新車進行排氣系統開發，往往要經過設計、試制、試驗、改進設計、試制、試驗等二次或多次循環的過程，反復修改、完善設計后才能定型投產，設計周期長，消耗大。

1.1 聲學仿真模型

由于本車型只有排氣冷端為全新開發項目，發動機仿真模型、排氣熱端仿真模型、進氣系統仿真模型均由汽車企業提供。使用仿真軟件GT-power建模，整個聲學仿真模型如圖1所示。

1.2 排氣系統仿真模型

排氣系統仿真模型主要由管路和消聲器組成。管路的參數設置比較簡單，主要有以下4個參數。

（1）管徑（內壁）：影響背壓[3]，管徑越大，背壓越低。增加管徑可以降低氣流流速，從而降低高頻噪聲。

（2）管子直線段長度。

（3）彎管的折彎半徑及中心線長度。

（4）彎管的折彎角度：折彎角度越大，甚至大于90°時，一方面氣流通過不順暢，排氣系統背壓增高；另一方面氣流會沖擊管壁，甚至影響氣流流動均勻性的湍流，影響發動機性能并增加高頻噪聲。

1.3 消聲器仿真模型

設計開發初始，由汽車底盤邊界極限得出消聲器的最大輪廓，消音容積決定了尾管噪聲的整體水平，體積越大，效果越好。所以，一般情況下使用經驗公式：消聲器體積/發動機功率>0.25。

某車型消聲器聲學模型建模方案如圖2所示。

2 計算結果及分析

主要考量指標為階次噪聲[4]和尾管噪聲[5]。

2.1 階次噪聲

發動機的聲音是由一系列階次聲音組成。1個四缸發動機的發火階次是第二階，諧頻階次為四階、六階等。1個六缸發動機的發火階次是第三階，諧頻階次為六階、九階等。聲音階次的調節主要靠進氣系統和排氣系統的設計。

2.2 尾管噪聲

尾管噪聲一般用聲壓級來評判。尾管口的噪聲與發動機轉速有關。一般來說，轉速在3 500 r/min以下，發動機燃燒產生的階次噪聲占主要成分；在3 500 r/min以上，氣流高頻噪聲占主要成分；中心頻率一般在500 Hz以上。低轉速下的噪聲頻率比較低，而摩擦噪聲的頻率較高，頻帶也比較寬。

一般汽車企業在項目開發初期就給定一個聲學目標值，如圖3的虛線所示。初始方案在鎖定消聲器輪廓后，2～3種方案并行，先找到消音結構較優的方案，通過仿真結果，觀察階次噪聲及尾管噪聲曲線與預設目標的差距。

由圖3可知，所有的仿真方案均未能完全滿足客戶的條件，包括在非常高的背壓下，整體沒有太大變化。其中，中消聲器A+后消聲器1方案綜合最佳。以最佳的第1組方案為藍本，繪制相關零件圖紙，并進行加工制造，準備試驗測試驗證。

3 試驗及結果驗證

3.1 試驗設備及參數設置

試驗及設備采用轉轂實驗室與麥克風。試驗在配備整車的情況下，評判更為直觀有效的尾管噪聲。

在整車轉轂實驗室，某車型為前驅2.0排量車型。前輪放置在轉轂上，后輪位置鎖定，麥克風放置在距尾管45°的500 mm處。參考標準為GB 1495—2002《汽車加速行使車外噪聲限值及測量方法》。

測試過程：①室溫，Order bandwidth=0.5，frequency resolution=1 Hz；②預熱車5 min，轉速為4 000 r/min；③三檔全油門（1 300～6 000 r/min）。

3.2 試驗結果分析

由圖4可知，仿真數據與實測數據吻合度較好。在最關注的低轉速下，仿真數據的趨勢與實測基本一致。

4 結語

本文通過GT-power軟件進行虛擬仿真計算，得出尾管噪聲較好的消聲器方案；經過試驗驗證，仿真結果與試驗結果吻合度較好，為企業開拓了新的項目開發手段。

通過仿真得出，排氣系統背壓大小和尾管噪聲整體效果無明顯關聯；通過試驗得出，虛擬計算方法得出的結果與試驗結果相比誤差較小，此方法適用于消聲器無發動機及整車情況下的前期方案開發。

參 考 文 獻

[1]Dmitry M.Stadnik，Alexander A.Igolkin，Victor Y.Sv-

erbilov，Kirill M.Afanasev.The Muffler Performance Effect on Pressure Reducing Valve Dynamics[J].Procedia Engineering，2017，176.

[2]張楊，鄧兆祥，溫逸云.汽車排氣系統聲學性能快速預測方法的研究[J].汽車工程，2018，40（2）：170-173，

191.

[3]陳琪，蘭鳳崇，陳吉清，等.汽車排氣消聲器聲學性能改進研究[J].機械設計與制造，2018（4）：172-175.

[4]吳杰，王明亮，羅玉濤.采用橫流穿孔管消聲器的車輛尾管怠速噪聲優化[J].汽車技術，2017（5）：24-29.

[5]肖生浩，劉志恩，顏伏伍，等.基于階次設計的汽車排氣噪聲品質運動感調校[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016，44（10）：53-58.

[責任編輯：鐘聲賢]