排氣系統消聲器微穿孔結構聲學性能研究

陸楠, 劉湃, 孫帥

(泛亞汽車技術中心有限公司, 上海 201208)

1 研究背景

汽車排氣系統位于車輛底部,連接發動機出氣端與大氣,主要作用是排放發動機產生的廢氣、凈化廢氣、降低噪聲。如圖1所示,汽車排氣系統主要零件包括法蘭、排氣連接管、撓性節、消聲器、吊鉤、橡膠吊耳、尾管等[1],其中消聲器是排氣系統重要組成部分之一,其主要作用是通過逐漸衰減排氣壓力的脈動使排氣能量耗散,從而降低排氣噪聲[2]。

圖1 某車型排氣系統結構示意圖

排氣消聲器按消聲特性主要包含抗性消聲器和阻性消聲器兩種基本消聲功能元件。抗性消聲器主要通過聲波的反射來降低噪聲聲功率,如通過內部管路、腔體隔板等組成膨脹腔、共振腔等消聲結構;阻性消聲器主要通過將高頻聲能量轉化為吸音材料的熱能來降低聲功率,如填充吸音材料玻璃纖維、設置高頻管結構等。實際消聲元件往往是兼顧多頻段聲學降噪需求的阻抗復合式消聲器[3]。

近年來,排放法規日趨嚴格。對高頻噪聲具有良好消聲效果的玻璃纖維,由于其制備過程中容易產生粉塵,且所涂敷的物質會隨著車輛的使用揮發到汽車尾氣中,雖然兩者都不是持續性污染物,但均會增大排放和環保控制難度[4],如何減少甚至避免使用玻璃纖維成為排氣系統開發設計中需要考慮的問題。

1975年,著名聲學專家、科學院院士馬大猷教授在《中國科學》發表《微穿孔板吸聲結構的理論和設計》[5]。之后,微穿孔板結構得到迅速發展,在各個領域尤其是建筑行業得到廣泛研究與應用。過去受限于制造能力和成本問題,微穿孔結構在汽車排氣系統消聲器中幾乎沒有應用。近年來,由于汽車排放標準日趨嚴苛,包括汽車尾氣顆粒物排放要求的收嚴和整車噪聲要求的收嚴,給微穿孔結構在排氣消聲器上的應用提供了一定條件[6]。本文著重研究汽車排氣系統微穿孔結構的聲學性能,推進微穿孔結構取代消聲器中的玻璃纖維。

2 微穿孔消聲模型的建立

微穿孔消聲結構是利用微穿孔板吸聲結構制成的一種新型消聲元件,具有高聲阻、低聲質量的特點。如圖2所示,微穿孔消聲結構是指主要由下述參數構成的結構:1) 擋板厚度t小于1.0 mm(傳統調音結構擋板厚度通常為1.0 mm、1.2 mm或1.5 mm);2) 薄板上穿直徑d小于1.0 mm的微孔(傳統調音結構穿孔直徑通常大于3 mm);3) 穿孔率P為1%～5%(傳統調音結構穿孔率通常大于10%);4) 后部留有一定厚度D的空氣層,空氣層內不需要填充吸聲材料[7-8]。微穿孔結構常用單層或雙層微穿孔板的形式,其性能介于多孔吸聲材料和共振吸聲結構之間,吸聲頻率寬度優于常規穿孔板共振吸聲結構。

圖2 微穿孔消聲結構示意圖

參考文獻[9-10],微穿孔板的聲阻抗率Z為:

(1)

假設各孔間互不影響,則單個微管的相對聲阻抗率除以P,以空氣特性阻抗ρc為單位,微穿孔板的相對聲阻抗Za為:

(2)

式中:c為聲速;r為相對聲阻,按式(3)計算;m為相對聲質量,按式(4)計算。

(3)

(4)

正入射時的吸聲系數αN為:

(5)

式中:D為板后空氣層厚度。

吸聲系數在共振頻率時達到最大值:

(6)

研究表明,表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數和頻帶寬度主要由微穿孔板結構的聲質量m和聲阻r決定,而這兩個因素又與穿孔擋板厚度t、微穿孔直徑d、穿孔率P及空氣層厚度D有關。因此,本文以穿孔擋板厚度、微穿孔直徑、穿孔率和空氣層厚度為設計因子,研究微穿孔板的吸聲特性[11-13]。

3 微穿孔消聲模型結構參數對消聲器傳遞損失的影響

圖3為某車型排氣系統消聲器的結構布置,其前消聲器為一種消聲容積為8 L、第二腔含有玻璃纖維的傳統三管迷路卷筒式消聲器,圖4為前消聲器的內部結構。本文的研究對象和優化目標為取消前消聲器第二腔的玻璃纖維,通過調整消聲器內部擋板及調音管結構參數優化微穿孔結構,使其具備與原始填充玻璃纖維結構近似的聲學性能,進而實現微穿孔結構取代玻璃纖維。

圖3 某車型排氣系統消聲器的結構布置

圖4 某車型排氣系統前消聲器的內部結構

表1為原始方案(含玻璃纖維)及以擋板厚度t、微穿孔直徑d、穿孔率P和空氣層厚度D為因子設計的變化參數方案的結構圖,為研究單一因子對消聲器傳遞損失的影響,每次只改變一個因子而其他因子保持不變。

表1 微穿孔消聲模型結構參數對消聲器傳遞損失影響的研究方案

3.1 穿孔率P對消聲器傳遞損失的影響

通過傳遞損失試驗測試微穿孔擋板穿孔直徑d為0.8 mm時,穿孔率P從5%變化到1%時該車前消聲器傳遞損失的變化,圖5為不同穿孔率P下消聲器傳遞損失曲線。由圖5可知:隨著穿孔率由5%降低至1%,該車前消聲器400 Hz以下消聲能力無明顯變化,而400 Hz以上的傳遞損失均有所增大。

圖5 穿孔率P對消聲器傳遞損失的影響

玻璃纖維方案下消聲器排氣背壓為10.12 kPa。表2為氣流量239 g/s、溫度700 ℃時不同穿孔率P下微穿孔消聲器的排氣背壓測試結果。隨著穿孔率的減小,氣流通過消聲器內部結構時的順暢性降低,排氣背壓升高;穿孔率為1%時,帶微穿孔結構消聲器的排氣背壓接近玻璃纖維方案,差值在0.5 kPa以內,故選取穿孔率P為1%。

表2 穿孔率對消聲器排氣背壓的影響

3.2 穿孔擋板厚度t對消聲器傳遞損失的影響

理論上,穿孔擋板厚度t并不直接影響消聲器傳遞損失。擋板厚度越小,從制造工藝角度來說,微穿孔沖孔成型越容易,可制造的穿孔直徑越小。然而擋板厚度小到一定程度時,會對消聲器結構模態、輻射噪聲、熱沖擊耐久性及結構耐久性等產生不利影響。

通過FEA軟件HyperWorks模擬微穿孔擋板穿孔率P為1%、穿孔直徑d為0.8 mm的結構,分析擋板厚度t由1.0 mm逐漸降低至0.4 mm時該車前消聲器局部模態頻率及振型,結果見圖6。由圖6可知:擋板厚度由1.0 mm降低至0.8 mm時,該車前消聲器一階模態頻率由717.8 Hz降低為700.7 Hz,均發生在消聲器殼體表面;擋板厚度繼續降低至0.6 mm、0.4 mm時,一階模態表現為內部擋板前后振動,頻率分別為655.1 Hz、490.3 Hz。汽車行業的相關標準要求一階模態頻率大于600 Hz,0.4 mm擋板不滿足該要求。因此,消聲器擋板厚度t取為0.6 mm。

圖6 擋板厚度t對消聲器殼體模態的影響

3.3 穿孔直徑d對消聲器傳遞損失的影響

通過傳遞損失試驗測試穿孔直徑d從1.0 mm變化到0.5 mm時該車前消聲器傳遞損失的變化,圖7為不同穿孔直徑d對應的消聲器傳遞損失。

圖7 穿孔直徑d對消聲器傳遞損失的影響

由圖7可知:隨著穿孔直徑由0.9 mm逐漸降低至0.5 mm,該車前消聲器600 Hz以下消聲能力無明顯變化,600 Hz以上傳遞損失略有增大。結合實際,考慮到在深腔結構表面法向加工直徑小的穿孔難度較大、成本較高(本文試驗樣件均采用激光沖孔方式),且汽車尾氣的顆粒排放物會堆積在小孔周圍,越小的孔越容易造成阻塞,微孔直徑d取為0.5 mm。

3.4 空氣層厚度D對消聲器傳遞損失的影響

圖8為不同空氣層厚度D下該車前消聲器的傳遞損失。由圖8可知:空氣層厚度D越大,消聲效果越好。通過將原始方案中進出氣管套管改為焊接大套管,平均空氣層厚度D由15 mm增加到66 mm,空氣層厚度增大,聲學性能提高,并對結構起到了加強作用。但空氣層厚度的選取受限于消聲器形狀尺寸及底盤空間布置。根據該車底盤空間布置及前消聲器形狀尺寸,平均空氣層厚度取為66 mm。

圖8 空氣層厚度D對消聲器傳遞損失的影響

4 微穿孔消聲器排氣系統聲學仿真計算與測試

根據前面的分析,在該車前消聲器第二腔建立穿孔率P為1%、擋板厚度t為0.6 mm、穿孔直徑d為0.5 mm、平均空氣層厚度D為66 mm的微穿孔結構,制作排氣系統樣件進行聲學測試,并與玻璃纖維方案進行對比。

根據全油門加速工況尾管噪聲、全油門加速工況消聲器輻射噪聲及怠速噪聲測試規范要求布設麥克風,主要布置在排氣尾管、前消聲器底部及車內前、中、后排座椅(見圖9)。

圖9 排氣系統整車噪聲測試測點布置示意圖

圖10～13為全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲測試結果。由圖10～13可知:消聲器微穿孔結構優化后,全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲及階次噪聲與原消聲器填充玻璃纖維方案相近,兩者聲學性能相當,均可滿足車輛尾管噪聲規范要求。

圖10 全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲測試

圖11 全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲測試

圖12 全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲測試

圖13 全油門加速工況下排氣系統尾管噪聲測試

圖14為根據排氣系統冷流背壓試驗測試規范搭建的試驗臺架。圖15為壓力測點布置,其中測點1的數據為整個排氣系統的總背壓,測點2與測點3的壓力數據之差為前消聲器的壓力損失。表3為兩種方案的背壓測試結果。

表3 兩種方案排氣系統背壓測試結果對比 單位:kPa

圖14 排氣系統冷流背壓試驗臺架

相對而言,微穿孔結構取代玻璃纖維會減少一部分壓力損失,而降低穿孔率、減小穿孔直徑相當于增大局部壓力損失,會增大排氣背壓。由表3可知:

排氣系統方案變更前后消聲器的壓力損失及速度等流體性能變化較小,新老方案排氣系統的背壓分別為45.9 kPa、45.3 kPa,均滿足規范中背壓小于48 kPa(氣流量239 g/s、溫度700 ℃)的設計目標要求。

怠速噪聲水平是評價車輛乘坐舒適性的重要指標。如表4所示,與原始玻璃纖維方案排氣系統相比,在怠速D擋開空調工況下,采用微穿孔結構排氣系統,排氣尾管及車內噪聲降低0.40～2.13 dB(A)。

表4 怠速D擋開空調工況下兩種方案排氣系統車內外怠速噪聲對比 單位:dB(A)

5 結論及展望

本文通過參數優化研究排氣系統微穿孔消聲結構的聲學特性,分析擋板穿孔率P、擋板厚度t、擋板穿孔直徑d和空氣層厚度D對消聲器傳遞損失的影響。對于某車型前消聲器,穿孔擋板厚度t取0.6 mm、擋板微穿孔直徑d取0.5 mm、穿孔率P取1%、空氣層厚度D取66 mm為最優微穿孔結構。采用微穿孔結構前消聲器的排氣系統的性能與采用原始玻璃纖維方案前消聲器的排氣系統相比,全油門加速工況下排氣尾管噪聲相近,怠速噪聲降低0.40～2.13 dB(A),背壓差異在1 kPa以內,均滿足性能目標要求,微穿孔結構可有效取代玻璃纖維。

本文涉及的微穿孔結構測試樣件均采用激光打孔方式制造,而量產工藝主要為滾壓成孔方式,如果能在工藝方面進一步提高效率和降低開孔直徑,將進一步提高微穿孔結構的消聲能力。另外,汽車尾氣排放顆粒物堆積對微穿孔結構消聲性能的影響有待進一步研究。