基于GT-Power的汽車排氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

徐一心，尹小燕，嚴(yán)才寶，張鵬飛

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，樂山 614004；2.上海天納克研發(fā)中心，上海 201814）

0 引言

車輛NVH性能是影響乘坐舒適性的主要因素之一，其中排氣系統(tǒng)的噪聲水平對整車NVH性能有重要影響。在排氣系統(tǒng)中，消聲器是主要的消聲元件[1,2]，可以通過設(shè)計不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來降低排氣中常見的低頻階次、駐波、殼體輻射等噪聲問題。從而提高車內(nèi)乘客的聽覺舒適性，尤其在常見的怠速、加減速等工況效果更為明顯。

隨著仿真計算精度和效率的日益提高，仿真軟件也普遍應(yīng)用于車輛開發(fā)設(shè)計中。排氣聲學(xué)仿真軟件較多，其中常用的GT-Power是一維聲學(xué)仿真軟件，利用此類軟件可在無實驗資源的開發(fā)前期快速評估尾管聲學(xué)噪聲級。目前在消聲器研究方面已取得不少成果，侯獻(xiàn)軍等使用GT-Power軟件對某款車型的尾管聲學(xué)和不同消聲器插入損失進(jìn)行了深入分析[3]。張晉源采用相同一維聲學(xué)軟件并結(jié)合DOE方法對某消聲器進(jìn)行了傳損分析[4]。程勝明利用GT-Power和Virtual Lab對某乘用車主消聲器在中高頻段的消聲特性進(jìn)行探究，并提出了改進(jìn)方案[5]。邊杰等采用GT-Power進(jìn)行仿真計算，得出了不同消音器參數(shù)對尾管輻射噪聲的影響[6]。林勝等通過GT-Power對某車型的排氣階次轟鳴聲進(jìn)行了優(yōu)化[7]。張旭東等通過試驗結(jié)果驗證了GT-Power中建立的玉柴某柴油機(jī)消聲器仿真模型，并對消聲器端蓋進(jìn)行了優(yōu)化[8]。劉德輝等采用GT-Power對全柴490柴油機(jī)消聲器建立仿真模型并通過試驗驗證，并且使用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[9]。隨著研究的不斷深入和軟件的更新，仿真對實驗結(jié)果可預(yù)測性越來越高，但是如何減少計算時間、提高效率仍然是制約仿真計算發(fā)展的一個重要因素[10]。

高效率的前期排氣聲學(xué)開發(fā)不僅可以快速評估現(xiàn)有排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否能滿足客戶要求，還可以給整車NVH提供重要的參考信息。本文以某款車型為研究對象，運(yùn)用GT-Power仿真計算和聲學(xué)測試對排氣尾管噪聲進(jìn)行深入分析。同時采用質(zhì)量流量模型等效現(xiàn)有發(fā)動機(jī)GT-Power模型，加速仿真計算，提高效率。

1 研究理論

1.1 排氣噪聲頻率及總聲壓級

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)的廢氣隨排氣口間歇地開閉而周期性地噴射到氣管內(nèi)，因此產(chǎn)生的排氣噪聲為周期性的，其主要頻率成分f1為：

式(1)中：k——發(fā)動機(jī)的氣缸數(shù)

n1——發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)r/min

e——發(fā)動機(jī)的沖程數(shù)

汽車發(fā)動機(jī)排氣噪聲的強(qiáng)度與發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、氣缸內(nèi)氣體壓力大小等因素有關(guān)，并隨發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化而變化。一般發(fā)動機(jī)排氣噪聲的總聲壓級可用下式估算：

式(2)中：N——柴油發(fā)動機(jī)的功率，kW

Lp——總聲壓級，dB

1.2 發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)四端網(wǎng)絡(luò)等效模型

低頻噪聲由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)及沖程大小等來決定的，中頻噪聲則是基頻的高次諧波延伸造成的，而高頻噪聲則是由于排氣渦流、氣缸內(nèi)燃燒以及機(jī)件、管道振動造成的[11]。通常，發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)包括從聲源到尾管出口的全部結(jié)構(gòu)。圖1表示了包含排氣消聲器在內(nèi)的發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模型。如果消聲器的性能用四端網(wǎng)絡(luò)傳遞矩陣表示，則在尚未深入研究發(fā)動機(jī)聲源特性的前提下，常將其作為恒壓聲源或恒速聲源[12]。

圖1 四端網(wǎng)絡(luò)等效模型示意

2 仿真模型及數(shù)值計算

2.1 建立仿真模型初始條件及初步設(shè)計方案

本車型使用的是一款四缸汽油機(jī)，在GT-Power軟件中，首先根據(jù)整車廠提供的發(fā)動機(jī)模型和熱端參數(shù)建立初步仿真模型。然后建立排氣冷端模型，包括中消聲器、連接管管道、后消聲器、尾管等，同時設(shè)置它們的初始條件，如表1所示。

表1 排氣系統(tǒng)冷端模型參數(shù)值

背壓值是排氣系統(tǒng)設(shè)計時需要考量的重要參數(shù)之一，其反應(yīng)了發(fā)動機(jī)功率在經(jīng)過排氣系統(tǒng)時損失的功率。因此在消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須滿足整車廠的背壓要求，在流量為450kg/h、溫度為720℃時的冷端背壓不超過32kPa。根據(jù)該車型的發(fā)動機(jī)功率要求，排氣冷端的初步設(shè)計方案如圖2所示。中消聲器包括進(jìn)出氣管、兩塊擋板和一定量的玻璃纖維；后消聲器包含進(jìn)出氣管和兩塊打孔的擋板。這兩種設(shè)計是排氣中常見的設(shè)計方法，通常情況下可以兼顧背壓損失、尾管低頻階次和高頻氣流噪聲的要求。

圖2 消聲器結(jié)構(gòu)

2.2 發(fā)動機(jī)模型及質(zhì)量流量模型結(jié)果對比

在GEM 3D模塊中建立對應(yīng)的模型，離散后導(dǎo)入GT-Power仿真模型中。同時設(shè)置對應(yīng)的麥克風(fēng)信息，包括距離、計權(quán)級等。完整的仿真模型如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)GT-Power模型

聲學(xué)求解前，在GT-Power中先求解背壓值。在給定流量和溫度條件下，計算得到背壓值為27.2kPa，滿足客戶目標(biāo)。接著求解聲學(xué)結(jié)果，計算時間的長短和計算精度主要取決于整車廠提供的發(fā)動機(jī)模型。該模型求解時間較長，約8個小時，后期優(yōu)化的時間成本較高。根據(jù)發(fā)動機(jī)GT-Power模型計算得到發(fā)動機(jī)排氣歧管出氣端管道內(nèi)的1000～6000r/min每個轉(zhuǎn)速下的瞬態(tài)質(zhì)量流量和瞬態(tài)溫度等信息，建立瞬態(tài)質(zhì)量流量聲學(xué)模型，以替代發(fā)動機(jī)作為噪聲源，如圖4所示。其中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時的瞬態(tài)質(zhì)量流量曲線和瞬態(tài)溫度曲線如圖5所示。

圖4 質(zhì)量流量聲學(xué)GT-Power模型

圖5 1000r/min時的瞬態(tài)參數(shù)

采用質(zhì)量流量模型重新計算。發(fā)動機(jī)模型和質(zhì)量流量聲學(xué)模型結(jié)果對比如圖6所示。可以看出，在總聲壓級和階次聲壓級方面兩種仿真方法結(jié)果非常接近。然而質(zhì)量流量聲學(xué)模型計算只需25分鐘，求解時間大大縮短，提高了排氣聲學(xué)開發(fā)效率。

圖6 發(fā)動機(jī)模型和質(zhì)量流量聲學(xué)模型仿真對比

2.2 優(yōu)化模型的數(shù)值計算及結(jié)果對比

原后消聲器結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1800～3500r/min的二階噪聲略高于目標(biāo)值，不過與目標(biāo)值相比背壓值仍有余量。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，對后消進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)氣管增加了一個堵頭，出氣管增加了一個彎管和一個高頻管。優(yōu)化后的方案如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的后消聲器結(jié)構(gòu)

重新使用質(zhì)量流量聲學(xué)模型進(jìn)行計算，求解后的背壓值為30.6kPa，能夠滿足整車廠的要求。最后，得到優(yōu)化后和原方案的聲學(xué)結(jié)果對比如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，二階和四階聲壓級基本可以滿足聲學(xué)目標(biāo)。通常情況下，仿真和實測值之間略有差異，因此將原方案和優(yōu)化方案都制作樣件，通過實驗驗證。

圖8 原方案和優(yōu)化方案仿真對比

3 噪聲實驗及結(jié)果對比分析

在轉(zhuǎn)轂半消音室中進(jìn)行尾管噪聲實驗。在Dynotovie轉(zhuǎn)轂控制界面中輸入整車整備質(zhì)量1300kg及滑行阻力曲線的三個指數(shù)，分別為f0=140.8N，f1=-0.0362N·h/km，f2=0.0344N·h2/km2，并用LMS Test軟件進(jìn)行噪聲測試。在實驗車輛尾管45°的500mm處布置聲學(xué)自由場麥克風(fēng),如圖9所示。同時接入轉(zhuǎn)速信號、冷端背壓、冷端進(jìn)氣溫度等信號，將各個通道信息進(jìn)行輸入。接著對麥克風(fēng)靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，并設(shè)置好轉(zhuǎn)速觸發(fā)信號。在開始測試時，需進(jìn)行熱車，用以確保車輛為正常工作狀態(tài)。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，開始時多測試幾組，等到數(shù)據(jù)具有較高的一致性時，作為測試結(jié)果。

圖9 聲學(xué)測試麥克風(fēng)布置

最后原方案和優(yōu)化方案的實驗和仿真結(jié)果對比分別如圖10和圖11所示。可以看出，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，兩方案仿真和實驗結(jié)果在總聲壓級和階次聲學(xué)都比較接近，具有較高的參考意義，且優(yōu)化后的方案滿足聲學(xué)目標(biāo)。在高轉(zhuǎn)速區(qū)，兩方案的二階和四階聲壓級的仿真與實驗結(jié)果有一定的偏差。原因在于GT-Power是基于一維流體力學(xué)編寫，無法精確計算由三維流體產(chǎn)生的氣流噪聲。軟件中氣流噪聲是根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算的，所以和實驗結(jié)果有偏差，只做參考使用。兩方案的尾管聲學(xué)頻譜圖如圖12所示，從圖中可清晰看出在低轉(zhuǎn)速區(qū)階次噪聲為尾管主要噪聲，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)以氣流噪聲為主。

圖10 原方案仿真和實測數(shù)據(jù)對比

圖11 優(yōu)化方案仿真和實測數(shù)據(jù)對比

圖12 尾管噪聲Color map頻譜

4 結(jié)語

本文采用GT-Power仿真軟件和LMS.TEST軟件對某車型排氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行分析。并根據(jù)結(jié)果對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低了發(fā)動機(jī)階次和氣流噪聲。得出以下結(jié)論：

1）在低轉(zhuǎn)速區(qū)，GT-Power在排氣聲學(xué)仿真上具有較高的精度，可作為前期評判標(biāo)準(zhǔn)。在高轉(zhuǎn)速區(qū)，仿真結(jié)果趨勢和實驗接近，但在數(shù)值上存在偏差。

2）質(zhì)量流量聲學(xué)模型可以大幅度加快仿真計算速度，減少求解時間，提高排氣開發(fā)的效率。

3）需要綜合利用仿真和實驗各自的優(yōu)勢，才能高效的開發(fā)排氣聲學(xué)。