汽车排气系统消声器改进设计研究

陈军　李玉良

【摘 要】消声器作为汽车排气系统的重要组成部件，对其结构进行改进设计可有效降低排气噪声。首先测量怠速工况排气口辐射噪声，获得设计改进数据；基于GT-power建立消声器传递损失仿真分析模型，进行声学、压力损失分析数值模拟，并分析结构和设计参数对消声器声学性能的影响。通过消声器传递损失试验，对试验结果进行验证，优化后的结构和设计参数满足发动机性能要求。

【关键词】消声器；传递损失；噪声；声学性能

中图分类号： U464.134.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.008

噪声、振动与声振粗糙度（NVH）反映汽车行驶过程中的平稳性，其性能影响汽车用户乘坐的舒适度[1]。目前汽车普遍存在怠速工况和车内噪声偏大等问题，排气系统的设计涉及流体、振动和声学等学科，依赖大量的仿真与实验。

通过对排气系统的结构进行优化，使得声学性能符合要求，可有效提高汽车用户乘坐的舒适度。Young采用有限元分析评价消声元件的声学性能[2]；Tanaka采用边界元对消声器进行声学计算[3]；Kumar通过发动机的时域仿真，评价排气系统的声源特性[4]；Pobedin研究并建立客车车内噪声的数学模型，提出噪声的概率计算方法[5]。

本文基于GT-power建立消声器传递损失仿真分析模型，进行声学、压力损失分析数值模拟，分析相关结构参数对消声器声学性能的影响。通过消声器传递损失试验，对试验结果进行验证。

1 消音器结构及参数设计

本问研究的是阻抗复合式消音器，因为既含有吸音材料，又在结构上具备抗性消音器的特点。根据设计经验，前消声器内部连接管穿孔数目为18x15x3.5mm，厚度为1.2mm，消音器结构形状的不同会影响扩张比某阻抗复合式，设计指标是降噪30db。发动机参数如下：发动机缸数为6缸，转速为2100r/min，冲程数为4，由此可得基频为105Hz。前消声器参数：内部连接管穿孔数目为18x15x3.5mm，厚度为1.2mm。

2 消声器性能测试、数据分析及仿真

2.1 怠速工况的测试噪声控制

圖1 驾驶员右耳声压级曲线

关闭车窗、空调及多媒体，测试发动机从启动状态到怠速阶段再到空调开启时，车内噪声及排气尾管噪声值。其中从发动机启动后的20s测试启动噪声；怠速噪声在中间阶段测试，时长为15s；之后的5-20s测试空调开启状态下的怠速噪声。试验台上，3挡加速，从最低稳定转速开始加速到发动机额定转速，记录下车内及排气尾管的噪声值。发动机转速稳定后，挂空挡并测试发动机转速从1000r/min～6000r/min时的噪声值。将发动机转速稳定在4500r/min，松开油门，测试转速从4500r/min到怠速阶段时的噪声。图1为1档油门，2.0阶车内噪声，驾驶员右耳处的声压级曲线。

曲线反映，排气噪声源包括：材料、设计、模态响应，消声器调音，发动机震动/声音输出。同时，测试车的状态对噪声也有很大影响（车门密封条，声学包裹，发动机传递路径等）。

2.2 数据分析及改进

测试过程：1）工况：发动机怠速；2）空调和风扇状态：AC Off ，Fan Off；3）麦克风位置：参照GB/T 14365；4）4种测量状态下排气尾管长度：原始尾管、尾管延长20cm、尾管延长50cm、尾管延长70cm；5）排气管口与延长管采用软管连接。测试的结果如下：其中图2为辐射噪声的频谱图；图3怠速状态下发动机的转速图。

图2 辐射噪声频谱图

图3 怠速状态下发动机的转速图

结果分析诊断：RPM=700，11.67Hz；No.of Cylinders=4；No.of Strokes=4。关键频率：23.33Hz，1st firing frequency；46.67Hz，1st Harmonic of the firing frequency。

2.3 试验结果验证

过渡段采用规则锥形，在后处理算法中考虑规则锥形的传递矩阵，利用数值方法精确的减去适配段的影响，获得消声器的准确声学性能。为了测量排气系统背压，基于图a的消声器传递损失原理和QC/T631等标准进行台架试验，其中系统由3部分组成：数据采集分析系统、信号产生系统和消声器。信号分析系统包括电脑、数据采集与分析软件及阻抗管；信号产生系统由电脑和扬声器组成。图b为与消声器传递损失试验原理对应的实验现场。

图a 试验原理

图b 试验现场

图4 消声器传递损失实验原理与现场

图5为测得的主消声器传递损失变化曲线，其中左侧为无流动，而右侧为不同流速的传递损失测试结果。

图5 主消声器传递损失变化曲线

结果显示，排气系统背压随发动机转速升高而升高，发动机转速到达额定值时，优化后排气系统背压明显小于原排气系统背压，结果满足性能指标。而后消是引起排气系统背压变化的最主要原因。排气系统内部气流流动遇到截面发生突变时，气流速度将发生急剧变化，原来流体流动状态也随之受到很大的干扰，涡流现象明显，进而将消耗消音器内部能量。基于数值模拟结果，对排气系统进行如下改进：排气内径更改，挡板距端盖的距离更改，并进一步优化内部结构。

3 结论

本文建立排气系统消声器辐射噪声测试方法以及消声器传递损失测试方法，基于GT-Power构建传递损失计算机仿真分析模型，通过对比试验提高仿真的准确度。采用逆推发动机声源的经验方法，测试获得无发动机声源特性下的发动机声源特性；通过内部流动传递矩阵测试，获得排气系统在不同发动机转速下的声学特性。试验与数值仿真表明：优化后的排气系统背压明显小于原排气系统背压，优化后的结构和参数设计满足发动机性能指标。

【参考文献】

[1]林胜.基于GT-Power优化排气系统阶次轰鸣噪声[J].汽车实用技术，2017，24：110-112.

CFD Simulation[J]，Materials Today：Proceedings，2018，5：8471–8479.

[2]Guilherme S.Papini etc.Hybrid approach to noise control of industrial exhaust systems[J]，Applied Acoustics，2017，125：102–112.

[3]Jingxiang Lin，Shengdun Zhao.Optimization of valve opening process for the suppression of impulse exhaust noise[J]，Journal of Sound and Vibration，2017，389：24–40.

[4]K.M.Kumar，M.L.Munjal.Direct estimation and experimental validation of the acoustic source characteristics of two-cylinder naturally aspirated diesel engine exhaust system[J]，Applied Acoustics，2018，135：70–84.

[5]A.V.Pobedin etc.Computational Probabilistic Evaluation Of Passenger Cars Noise Level[J]，Procedia Engineering，2017，206：1558–1563.