汽车排气系统声学性能快速预测方法的研究

张 杨，邓兆祥，温逸云

前言

加装排气消声器是降低汽车噪声最有效的手段，因此设计出与排气噪声相匹配的排气系统意义重大[1]。由于受到汽车底盘空间的限制，排气系统通常由分布在不同位置的多个消声器组成，并通过管道连接在一起。现今对于排气系统声学性能的设计与预测，通常会忽略连接管道的影响，直接使用多个消声器传声损失直接相加的方式来表征整个排气系统的声学性能；但由于连接管道内反射波的存在，这种方法通常存在一定的误差。如果对整个排气系统进行建模仿真，又会因为网格较多，造成分析效率较低；尤其是当排气系统中的消声器都拥有多个设计方案时，随着排列组合的增多，设计成本将大大增加。因此，研究考虑连接管影响的排气系统声学性能快速预测方法，既有助于更准确地了解排气系统的实际性能，又有助于提高排气系统的设计效率。

现阶段国内外关于消声器或排气系统的研究大多集中在消声子结构的参数灵敏度分析[2-4]，而针对考虑连接管影响的排气系统声学性能快速预测方法研究，目前国内外仍未见报道。

本文中利用有限元方法分析了排气系统连接管道各尺寸参数对排气系统声学性能的影响，然后深入探讨了该影响的理论成因，并提出了一种消声器拼接后整体声学性能的快速预测方法。最后针对某量产排气系统，利用试验方法验证了该预测方法的工程实用性。

1 连接管道对排气系统声学性能的影响

排气系统的传声损失定义为进出口处的声功率级之差，工程中通常采用传声损失来表征排气系统的固有声学特性[5]。因此，本文中以传声损失作为评价消声器声学性能的指标。数值仿真采用LMS Virtual.Lab建立有限元模型，进口边界条件为单位振速，出口设置为全吸声，仿真温度皆为16.5℃。

为了分析连接管道对排气系统整体声学性能的影响，本文中设计了由两个尺寸完全相同的简单扩张腔消声器组成的排气系统样件，其示意图如图1所示，其中 Dc＝200mm，Lc＝400mm，Dt＝D＝48mm，L＝500mm。

图1 样件示意图

利用有限元法分别对单个消声器和整个排气系统进行仿真分析，并比对两个消声器传声损失相加之和与整个排气系统的传声损失曲线，结果如图2所示。图中实线是两个消声器的传声损失直接相加的结果，而虚线则是完整排气系统的传声损失。通过对比可见:两条曲线的总体趋势大体一致，但实际排气系统的曲线波动更多，波动的幅度也较大，整体上仍存在一定的差异。这说明连接管对排气系统整体声学性能具有较大影响，因此在计算排气系统声学性能时，不能忽略消声器之间连接管道的作用。

图2 多消声器传声损失累加对比排气系统传声损失

为更明确地分析管接管道参数对排气系统整体性能的影响，本文中在其他参数不变的基础上，改变连接管的长度L，分别改为500，800和1 200mm，并对比它们的传声损失曲线，如图3所示。通过对比可见:随着连接管长度的增加，传声损失曲线的波动周期缩短，但总体趋势仍然基本保持一致。

图3 连接管长度对排气系统传声损失的影响

同时，本文中也对连接管道的管径和管路形状进行了有限元分析，结果发现传声损失曲线变化不大，如图4所示。由此说明，连接管的长度参数对排气系统整体声学性能产生的影响最为显著。

图4 连接管径、形状对排气系统传声损失的影响

2 成因分析与理论解释

由图2～图4可见，各曲线的总体趋势与两个扩张腔消声器传声损失叠加的趋势大体相似，只是消声量产生了一定的波动。为分析该波动的成因，本文中查看了图2中209Hz附近两曲线消声量差距较大时，消声器与整个排气系统(800mm)内部声压云图，如图5所示。图中上方为两个扩张腔消声器分别进行传声损失仿真时得到的声压云图，下方则为整个排气系统的声压云图(入口均在左侧)。

图5 声压云图对比

由图可见:整个系统中的后置消声器除声压整体增大之外，与单个消声器的作用基本无异；前置消声器则受到连接管中反射波的影响，发生了较大的变化；而连接管中则形成了高声压区，且该区域同时向前后两个方向辐射声能量。这恰恰使后置消声器中的声压整体增加，也使前置消声器后半部分形成了类似入口在右侧的声压分布。

从传声损失的定义来看，由于尾端边界条件为全吸声，即出口端不会产生反射波，故后置消声器的云图完整展示了消声器的扩张作用；前置消声器则由于受到反射波的影响，云图中未能完整展示出扩张作用；而连接管处出现的高声压区则是因为连接管的长度恰好等于209Hz正弦波对应波长的一半，此时入射波和反射波的相位始终相同，相互叠加后便形成了高声压区域。而这个高压区域在通过反射波影响前置消声器的同时，也向后置消声器透射声能量，从而使排气系统的消声量产生了较大的波动。同理，整个频率段上其他波动的低谷，也都发生在连接管的长度等于对应半波长整数倍的频率附近。

同理，本文中验证了图3中不同长度连接管与所产生的消声低谷频率之间的对应关系(如表1所示)，也得到了相同的结论。其分析结果的相对误差控制在5%以内，从而验证了该理论解释的正确性。

表1 连接管长度与消声低谷频率

3 排气系统声学性能快速预测方法

基于上述分析，排气系统的整体声学性能受到消声器和连接管道的综合作用，且连接管道对排气系统声学性能的影响不可忽略。但建立排气系统的整体模型，网格数量较多，计算效率较低，且一旦消声器或连接管道任何一个进行了修改都需要整个系统重新建模分析，设计成本较高。因此，研究一种可以快速预测排气系统声学性能的仿真方法具有重要意义。

由于单个消声器的声学性能比较容易获得，且连接管道对排气系统的声学性能影响主要由管内入射波与反射波相互叠加造成，故考虑将系统按照消声器和连接管道进行拆分，分别计算其声学性能。其原理图如图6所示。图中，TL表示排气系统的传声损失；TL1和TL2分别表示两个消声器各自的传声损失；而 TL′1和 TL′2分别表示按照消声器和连接管道进行拆分后对应测点间的传声损失。同时，由于连接管道内入射波与反射波的叠加对排气系统整体性能影响较大，特别定义TL′为考虑反射波在内的直管传声损失。由于在单个消声器的测试和仿真中，尾部均为全吸声边界条件，故不存在反射波作用，故通常近似地认为 TL′1＝TL1，TL′2＝ TL2，则排气系统的传声损失可以表达为

TL ＝ TL′1+TL′+TL′2＝TL1+TL′+TL2(1)

图6 排气系统传声损失快速预测示意图

为获得考虑反射波在内的连接管传声损失，本文中参考了考虑尾管效应的声学仿真方法[6]。管道进口边界条件为单位振速，出口添加辐射球并设置为AML辐射层以外界透射声能量，同时忽略管道环形截面和外壁面的刚性反射，并在计算管道声学特性时，分别取进出口端面的中心坐标附近的两个节点作为测点(参考图6中的TL′测点)。最终得到考虑反射的连接管传声损失有限元仿真模型，如图7所示。

图7 考虑反射的连接管有限元模型

解算图7中的模型，并按照式(1)将两个消声器的传声损失与考虑反射的连接管传声损失相加，将结果与两个消声器的传声损失相加和整个系统的仿真结果进行对比，如图8所示。

图中实线为两个消声器的传声损失相加的结果，虚线为本文中提出的考虑反射的连接管传声损失之后的仿真结果，点线为整套系统直接进行有限元仿真的结果。由图可见，利用本文中提出的预测方法进行预测的结果具有较好的准确性，除消声量比系统仿真值稍大外，整体趋势基本一致，低谷频率吻合较为良好，说明该方法可用来快速准确地预测排气系统的传声损失。

图8 仿真方法验证

至此，本文中提出的排气系统声学性能快速预测方法，实现了通过消声器传声损失和考虑反射的连接管传声损失来预测整个排气系统传递损失，与排气系统整体仿真结果相比，准确度更高，计算速度更快。对排气系统的设计而言，只需分别测试或仿真系统内各消声器的传声损失，再根据底盘空间限制对连接管长度的客观要求，对连接管直管进行有限元分析，即可快捷方便地完成任意消声器拼接组合后实际性能的预测，从而极大地提高了设计效率。

4 实例验证

为证明该方法在实际测试中的工程适用性，本文中针对某合资品牌的B级车排气系统(如图9所示)的整体声学性能与各消声器传声损失进行测试，并与本文中提出的预测方法进行对比。传声损失试验利用B＆K的声学测试系统，包括PULSE3560B采集前端、2716C功率放大器、4260T阻抗管和4187型1/4英寸传声器等，构建的传声损失测量装置如图10所示，试验方法和数据处理参照文献[7]，试验室温为16.5℃。

图9 某B级车排气系统示意图

图10 消声器传递损失测量装置示意图

试验结果与预测结果如图11所示。图中实线为前后消声器传声损失测试结果之和；虚线为本文中提出的预测方法，即前后消声器传声损失测试结果与考虑反射的连接管(L＝1 720mm)传声损失仿真结果之和；点线代表整个排气系统的传声损失测试结果。由图可见，3条曲线的总体趋势保持一致，但直接将两个消声器的声学性能直接相加的方法并不能很好地预测出实际系统中消声量的波动，而由本文中所述研究方法所预测的结果则可较准确地仿真出系统消声量的波动，说明本文中提出的排气消声器声学性能快速预测方法具有较好的工程适用性。

图11 试验验证

5 结论

(1)连接管道对排气系统整体声学性能具有较大影响，其中连接管道长度是排气系统消声量产生波动的主要影响因素。连接管道影响排气系统消声量产生波动的主要原因是由于管道内入射波与反射波的叠加作用，影响了排气系统的声学特性。

(2)本文中提出利用各消声器传声损失与考虑反射波的连接管传递损失快速预测排气消声器声学性能的方法；并利用仿真与试验相结合的方式验证了该方法的正确性和工程适用性。

综上所述，本文中提出的排气消声器声学性能快速预测方法，能有效提高任意消声器拼接后实际性能的预测精度和速度，有效辅助排气系统和消声器的分析设计工作，降低分析成本，提高设计效率。

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