基于排氣聲品質(zhì)雙尾管排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

黃名宗，龐士明，林尚錦，劉淑玉，陸榮英，梁文海

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000;2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

排氣噪聲包括空氣動力噪聲、氣流沖擊噪聲、結(jié)構(gòu)輻射噪聲和氣流摩擦噪聲等，是汽車最主要的噪聲源[1]；往往比發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲(屏蔽排氣噪聲后)高10～15 dB(A)，其聲品質(zhì)直接影響整車的舒適性。排氣噪聲聲品質(zhì)是從產(chǎn)品開發(fā)角度提出的一個概念，除了跟聽者自身聽覺感受有關(guān)外，還跟產(chǎn)品本身緊密相關(guān)。聲品質(zhì)強(qiáng)調(diào)針對某個產(chǎn)品及其消費(fèi)的目標(biāo)群體，其聲音要足夠且適度，聽覺特性具有可識別性[2]；其客觀參量有響度、尖銳度、粗糙度，文獻(xiàn)[3]、[4]給出了相應(yīng)的計算方法；其主觀評價是通過耳朵去評價聲音的好壞，并且需多人評價以消除個體偏好的影響。

為滿足各類駕乘人員對車內(nèi)、外噪聲品質(zhì)的不同追求，研發(fā)制造具有獨(dú)特聲品質(zhì)的車型已是汽車噪聲、振動、舒適性(NVH)性能研究的主要方向。

1 問題描述

某車型在做整車主觀評價時發(fā)現(xiàn)，尾管口的怠速聲壓過高，且存在非常明顯壓迫耳膜感；加速時，排氣噪聲偏大，嚴(yán)重影響汽車舒適性，需優(yōu)化改進(jìn)。考慮到目標(biāo)車排氣系統(tǒng)熱端優(yōu)化空間小且成本高昂，決定只從排氣系統(tǒng)冷端做優(yōu)化。排氣系統(tǒng)冷端示意圖見圖1，該排氣系統(tǒng)為雙出尾口設(shè)計，其冷端主要結(jié)構(gòu)包括排氣管焊接總成、前消聲器總成及后消聲器總成。進(jìn)入整車半消室測得目標(biāo)車怠速工況的噪聲測試結(jié)果，如圖2、圖3所示，尾管口怠速噪聲為60.35 dB，比目標(biāo)值高出2.35 dB；全油門工況時，在2600～4000發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣噪聲OA值超出目標(biāo)曲線。

圖1 排氣系統(tǒng)布置圖

圖2 怠速尾管噪聲1/3倍頻程

圖3 初始方案尾管總聲壓及各階次曲線

2 原因分析

從1/3倍頻程圖在可以看出，18～35 Hz、47～90 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲對怠速噪聲超標(biāo)影響較大，需過濾或降低這部分噪聲。按工程經(jīng)驗(yàn)，通過加長尾管可有效解決低頻噪聲問題；根據(jù)管道聲學(xué)理論，空氣動力噪聲頻率可通過尾管的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，尾管長度和聲波頻率之間有如下關(guān)系[5]：

(1)

其中，f為聲波頻率，單位為Hz；L為尾管聲學(xué)長度，單位為mm；C為當(dāng)?shù)芈曀伲瑔挝粸閙/s。聲速計算公式如(2)式所示

(2)

其中，γ為比熱比，排氣噪聲在大氣中傳播，這里γ取值1.4；R為氣體常量，取值287 J/(kg·K)；T為氣體熱力學(xué)溫度，單位為K。

針對在2600～4000發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣噪聲OA值超出目標(biāo)曲線，可考慮通過增加排氣背壓以降低噪聲OA值，具體措施可通過增加消聲器隔熱數(shù)、減少隔板開孔數(shù)或減小消聲器內(nèi)管直徑實(shí)現(xiàn)；進(jìn)一步分析排氣噪聲的動態(tài)彩圖(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)：該轉(zhuǎn)速范圍下出現(xiàn)尾管氣流噪聲，750 Hz以上的噪聲對總聲壓貢獻(xiàn)較大，對付這部分中高頻噪聲，增加消聲棉是有效的解決方法。

圖4 初始方案尾管噪聲瀑布圖

3 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計前消聲器和后消聲器內(nèi)組件結(jié)構(gòu)，對前消聲器，將內(nèi)插管管徑減小為φ45 mm，其余結(jié)構(gòu)保持不變，前消聲器的共振腔主要針對中低頻噪聲，吸音棉主要針對高頻噪聲。

對后消聲器，左右兩個消聲器筒體為左右對稱結(jié)構(gòu)的內(nèi)裝式赫爾姆茲消聲器，利用兩塊隔板分隔成三個腔體，第一腔、第二腔為共振腔，第三腔為擴(kuò)張腔，氣流通過進(jìn)氣內(nèi)插管進(jìn)入擴(kuò)張腔，經(jīng)兩層隔板孔回到第一腔，最后通過出氣內(nèi)插管排出。在第一腔體的進(jìn)氣內(nèi)插管段布置三排小孔φ3 mm的小孔，第一隔板的穿孔數(shù)由初始方案的120個減少至100個，同時孔的直徑從φ3.5 mm減為φ3 mm；第二隔板的穿孔數(shù)不變，孔的直徑從φ3.5 mm減為φ3 mm；出氣內(nèi)插管管徑由φ50 mm改為φ45 mm，同時增長30 mm，并在出氣內(nèi)插管中段增加一個套管，內(nèi)部填充吸音棉；為進(jìn)一步提高中高頻消聲能力，第二個腔體內(nèi)填充100 g消音棉；設(shè)計完成后消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 消聲器優(yōu)化方案

4 試驗(yàn)測試

根據(jù)優(yōu)化方案制作排氣系統(tǒng)樣件并進(jìn)入整車半消試驗(yàn)室測試(圖6)，將測得結(jié)果與原方案作比較，如圖7、圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后排氣系統(tǒng)的加速噪聲與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，且均在噪聲目標(biāo)線以下，2000至4000轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，尾管氣流噪聲消失；新樣件搭載到發(fā)動機(jī)臺架進(jìn)行背壓測試，最大背壓為73.42 kPa，未超背壓限值75 kPa；尾管噪聲和壓力損失均滿足設(shè)計要求，同時壓迫耳膜感消失，順利通過整車主觀評價。

圖6 優(yōu)化方案樣件試驗(yàn)測試

圖7 發(fā)動機(jī)臺架背壓測試結(jié)果

圖8 優(yōu)化方案尾管總聲壓及各階次曲線

圖9 優(yōu)化方案尾管噪聲瀑布圖

5 結(jié)語

針對某車型怠速工況及加速工況的排氣聲品質(zhì)問題，合理優(yōu)化排氣消聲器結(jié)構(gòu)，順利解決問題，得到以下結(jié)論：

1)排氣背壓與排氣噪聲互為一對矛盾體，通過增加隔板數(shù)、減少隔板穿孔數(shù)、減少穿孔孔徑和管道管徑增加排氣背壓，2600～4000轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣噪聲最大降低了9 dB。

2)加長尾管可有效解決低頻壓耳噪聲，延長出氣內(nèi)管30 mm，壓迫耳膜感消失，優(yōu)化目標(biāo)車排氣噪聲聲品質(zhì)。

3)消聲器填充吸音棉可有效消除尾管氣流750 Hz以上的高頻噪聲。