某載貨汽車排氣消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析＊

杜華蓉 李舜酩 程春 潘高元 朱彥祺

（南京航空航天大學(xué),南京 210016）

主題詞：載貨汽車 消聲器 傳遞損失 功率損失比

1 前言

隨著國家對汽車噪聲要求[1]的日益提高，降噪已經(jīng)成為汽車廠家亟待解決的問題。車輛主要噪聲源是排氣噪聲，而降低排氣噪聲最主要、最有效的處理方式是采用排氣消聲器[2]。為設(shè)計性能優(yōu)良的消聲器，需要采用有效方法分析其消聲性能[3]。通常當(dāng)噪聲頻率低于消聲器平面波截止頻率時，可采用基于一維平面波理論的傳遞矩陣法來分析消聲器的性能；而當(dāng)噪聲頻率高于平面波截止頻率、消聲器內(nèi)部出現(xiàn)高階波時，則需要使用三維有限元方法進(jìn)行分析[4-6]。

本文以某型載貨汽車發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)為研究對象，對原消聲器進(jìn)行聲學(xué)測試，基于試驗結(jié)果提出兩種消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并利用三維有限元法對兩種優(yōu)化方案的消聲器消聲性能進(jìn)行了對比分析，對消聲效果優(yōu)良的優(yōu)化方案進(jìn)行了插入損失測試以及功率損失測試。

2 原消聲器性能分析

2.1 消聲器性能評價指標(biāo)

消聲器性能評價指標(biāo)主要包括聲學(xué)性能評價指標(biāo)和空氣動力學(xué)性能評價指標(biāo)。

聲學(xué)性能評價指標(biāo)主要包括插入損失、傳遞損失。插入損失IL是指安裝消聲器前后，在某測點測量得到的聲功率級之差；傳遞損失TL是指入口處的入射聲功率級與出口處的透射聲功率級之差。插入損失和傳遞損失表達(dá)式分別為[7]：

式中，LW1、LW2分別為安裝消聲器前、后某測點的聲功率級；W1、W2分別為安裝消聲器前、后某測點的聲功率；LWi、LWt分別為入射聲功率級與透射聲功率級；Wi、Wt分別表示入射聲功率與透射聲功率。

插入損失與聲源反映了消聲器實際消聲效果，與外界條件有關(guān)；傳遞損失反應(yīng)消聲器消聲能力，與外界條件無關(guān)，只與消聲器本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。

空氣動力學(xué)指標(biāo)主要包括壓力損失、功率損失比。壓力損失是指穩(wěn)定氣流通過消聲器時所造成的進(jìn)口與出口兩端面之間的壓力降。功率損失比表示標(biāo)定工況下空管和帶消聲器兩種狀態(tài)下發(fā)動機(jī)功率的差值與空管狀態(tài)下發(fā)動機(jī)功率比值的百分比[8]。

通常情況下插入損失與功率損失比通過試驗測試分析得到，消聲器的傳遞損失與壓力損失利用軟件仿真分析計算得到。

2.2 消聲器聲學(xué)試驗

在柴油機(jī)臺架上進(jìn)行消聲器聲學(xué)試驗，測試設(shè)備采用LMS公司的Test.Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，聲學(xué)傳感器采用杭州愛華AWA14423型聲傳感器。試驗過程按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4760—1995《聲學(xué)消聲器測量方法》實施，測試環(huán)境噪聲為68.05 dB（A），風(fēng)速小于1.5 m/s。圖1為排氣消聲器聲學(xué)測試示意圖，試驗在發(fā)動機(jī)滿載狀態(tài)、轉(zhuǎn)速為900～2 200 r/min的范圍內(nèi)進(jìn)行間隔測量。

圖1 排氣消聲器聲學(xué)測試示意

2.2.1 消聲器聲學(xué)性能分析

原消聲器性能分析結(jié)果如圖2所示，由圖2 a可看出，原消聲器插入損失值為6～7.5 dB，安裝原消聲器后排氣噪聲降低，但降噪量較小，最大值為7.5 dB。由圖2b可看出，安裝消聲器后，發(fā)動機(jī)功率損失比較小，基本都在柴油機(jī)功率損失比要求（7%）[9]的范圍內(nèi)。

圖2 原消聲器性能分析結(jié)果

2.2.2 排氣頻譜分析

圖3為安裝消聲器前、后排氣噪聲頻譜圖，由圖3可看出，原消聲器在高頻段降噪明顯，但在中低頻段，尤其是在30～1500 Hz頻率范圍內(nèi)降噪效果較差，因此需要對原消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以降低低頻段內(nèi)的排氣噪聲。

圖3 安裝消聲器前、后排氣噪聲頻譜圖

3 消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

由于消聲器安裝空間的限制，消聲器的總體外形尺寸保持不變。消聲器進(jìn)口處與發(fā)動機(jī)排氣管連接，因此消聲器進(jìn)口管的直徑保持不變。消聲器的消聲量與腔數(shù)有關(guān)，消聲器腔數(shù)根據(jù)所要達(dá)到的消聲量分為三類，第一類的消聲量大于10 dB（A），這時消聲器最好選擇2～3腔；第二類的消聲量在15 dB（A）以上，這時最好選擇3～4腔；第三類的消聲量超過20 dB（A），這時消聲器應(yīng)大于4腔[10]。考慮消聲器實際消聲量，采用4腔式消聲器。根據(jù)消聲器排氣聲學(xué)試驗可知，排氣噪聲幅值頻率主要為400 Hz、600 Hz及800 Hz，可設(shè)計共振腔消除。因此針對消聲器優(yōu)化頻段，提出兩種消聲效果較好的消聲器優(yōu)化方案，圖4為原消聲器模型及兩種優(yōu)化方案的消聲器幾何模型。

圖4 優(yōu)化前、后消聲器幾何模型

如圖4b所示（優(yōu)化方案一），從消聲器排氣入口側(cè)開始，第一、二、三、四腔的長度依次為140 mm、70 mm、70 mm和70 mm。前三腔都是擴(kuò)張腔，其腔內(nèi)前置內(nèi)插管均為其腔長的1/2，后置內(nèi)插管均為各腔長的1/4，第四腔為共振腔。第一腔與第二腔之間通過3個直徑為30 mm的內(nèi)插管連接。根據(jù)共振頻率計算公式[11]，得到第一～第四腔內(nèi)插管穿孔直徑分別為8 mm、5 mm、7 mm、10 mm，各腔內(nèi)插管穿孔個數(shù)分別為18、4、4、36。

如圖4c所示（優(yōu)化方案二），消聲器各腔尺寸相同。第二、四腔為擴(kuò)張腔，其腔內(nèi)前置內(nèi)插管均為其腔長的1/2，后置內(nèi)插管均為各腔長的1/4，第一、三腔為共振腔。第一、三、四腔內(nèi)插管穿孔直徑分別為10 mm、10 mm、8 mm，穿孔個數(shù)為6、24、20。

3.2 消聲器流場分析

利用軟件Fluent進(jìn)行消聲器流場分析，消聲器進(jìn)口邊界條件選擇質(zhì)量流量，進(jìn)口溫度設(shè)置為575℃，出口邊界條件設(shè)為壓力出口，與外界壓力差為0。壁面材料為409L，平均散熱系數(shù)為11 333 W/（m2·K）。經(jīng)過Fluent流體仿真計算，排氣消聲器流體性能分析結(jié)果如表1所列。與原消聲器相比，優(yōu)化方案一的消聲器壓力損失與平均流速都減小，其中壓力損失減小了3.7%，平均流速減小了10.8%，最大流速增加14.96%；優(yōu)化方案二的消聲器壓力損失與最高流速都增大，其中壓力損失增大了2.16%，最高流速增加了30.68%，平均流速減小24.12%。

表1 消聲器流體性能對比

3.3 消聲器聲學(xué)性能分析

利用LMSvirtual.Lab軟件進(jìn)行聲學(xué)性能分析，流體材料定義為空氣，消聲器進(jìn)口邊界條件定義為單位聲功率，出口屬性定義為AML層，分析頻率為1～5 000 Hz，遞增步長為10 Hz。將計算得到的各優(yōu)化方案消聲器傳遞損失與原消聲器傳遞損失進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前、后消聲器傳遞損失對比結(jié)果

由圖5可看出，優(yōu)化方案一的消聲器在1 500 Hz以內(nèi)的寬頻范圍內(nèi)具有足夠的消聲量，特別是在400～1 500 Hz頻段內(nèi)消聲效果明顯，在目標(biāo)頻率為500 Hz、1 000 Hz時出現(xiàn)了共振峰，最大消聲量達(dá)到100 dB。與原消聲器相比，中低頻區(qū)域消聲量顯著提高，2 000～4 000 Hz之間的中高頻區(qū)域也保持了較高的消聲量，達(dá)到優(yōu)化目的。優(yōu)化方案二的消聲器在500～2 500 Hz的頻段內(nèi)消聲量增加，在500 Hz、1 000 Hz頻率處也出現(xiàn)了共振峰，最大消聲量為90 dB。經(jīng)對比分析，優(yōu)化方案一在低頻段尤其是500～1 000 Hz范圍內(nèi)消聲效果更好。

綜合考慮消聲器流體性能與消聲性能可知，優(yōu)化方案一的性能優(yōu)于優(yōu)化方案二，因此針對優(yōu)化方案一的消聲器進(jìn)行實物加工及試驗驗證。

4 試驗驗證

為了與原消聲器消聲性能進(jìn)行對比，在相同試驗條件下進(jìn)行優(yōu)化方案一消聲器排氣聲學(xué)試驗，分析優(yōu)化后消聲器的插入損失及功率損失比，結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知，優(yōu)化后的消聲器插入損失為8～14 dB，相對于原消聲器，優(yōu)化后消聲器插入損失都有所增加，優(yōu)化后的消聲器的消聲性能得到了明顯提高。由圖6b可知，優(yōu)化后的功率損失比在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400～2 000 r/min時有所增加，但都滿足功率損失比要求（7%）。

圖6 優(yōu)化前、后消聲器性能對比

5 結(jié)束語

針對某載貨汽車排氣消聲器在中低頻段降噪不明顯問題，基于試驗分析結(jié)果提出了兩種消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，利用三維有限元法對兩種方案的消聲器性能進(jìn)行了對比分析，對消聲效果優(yōu)良的方案進(jìn)行了插入損失測試及功率損失測試。測試結(jié)果表明，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為900～2 200 r/min時，優(yōu)化后的消聲器插入損失都有所增加，功率損失比都在柴油機(jī)功率損失比要求的范圍內(nèi)，說明消聲器的優(yōu)化方案有效，能夠降低整車噪聲，提高駕駛舒適性。