汽车消声器声学性能分析及结构改进建议

施忠良

上海世喆基汽车研发有限公司 上海市 201103

随着社会的发展与人民生活水平的提高，汽车事业与交通工业迅速发展，汽车逐步变为社会的核心交通工具，如此也产生了越来越多的汽车噪音污染，而随着人们对生活品质的水平的提高，对汽车质量的需求也在提高，如何减少汽车噪音成为提高汽车技术性能与质量水平的核心指标之一。其中，汽车的主要噪音源是发动机噪音，而发动机的主要噪音源则是排气噪音源，因而可以降低发动机的排气噪音、控制汽车的车外噪音的消声器的设计与改进对控制汽车噪音、提高汽车性能都具有极为重要的意义。

因此消声器的性能优劣直接影响着汽车性能的好坏。而常见的评价消声器的消声性能评价指标主要有声压极差、插入损失与传递损失等，其中消声元件的消声效果的评价指标主要为传递指标，而消声系统的消声效果的评价指标主要为声压极差与插入损失。

1 汽车消声器声学性能分析

消声器分析与研究的早期主要依据的是平面波理论，并在此理论的基础上发展出消声器声学性能分析的主要计算方法，即以平面波理论为基础的边界元、有限元法与传递矩阵法等。但是，因为汽车排气消声器的内部结构均较为繁复，其内部声场在声波频率较高时为三维，因而仅使用一维的平面波理论检测会产生相应的误差，于是必须采取二维乃至三维的平面波检测方法来分析它们的声学性能。而对于具有复杂的三维结构的消声器，如果仅是运用传统的阻力系数理论与平面波理论相关的计算方法，就会产生相对较大的误差。

因此，随着计算方法的技术发展，从而产生了消声器设计的新途径。利用专业的声学分析软件建立消声器的三维模型，而后运用有限元法进行数值分析与计算，就可以有效的弥补以上各方法的不足。例如，声学分析软件LMS Virtual Lab与流体力学计算软件FLUENT。

1.1 运用有限元法进行性能分析

有限元法相对于边界元法，具有可以大大简化具有复杂的穿孔结构的内部的消声器的优点，如此可以大大简化分析的计算量。

1.1.1 利用建立声学有限元模型的方法进行性能分析

对消声器的结构进行普遍分析，可以发现消声器的原始几何模型也是十分复杂的，因此对分析消声器影响不大的几何结构特征可以进行相应的简化，从而对后面建立有限元模型网格创造有利条件。其次，为了避免在建立模型后期时出现局部模型网络无法等效的情况，对经过相应简化、重新建立简单模型的消声器，建立有限元模型时还需要着重注意相关模块与模块之间的有机联系，必须注意反复调整分解与联系模块的方法以追求达到模型的整体等效平衡。在最后，为了能够控制质量不良的模型网格单元可以在一定的比例内，还必须优化和检验三维模型网格每单元的质量。

1.1.2 运用三维声学有限元法进行性能分析

根据有限元的声学相关理论可以得出，在不考虑消声器位于的相应气体环境下的气体的热传导性与空气粘性等因素的条件下，可得气场的三维波动理论方程为：

而后通过变分原理可得亥姆霍兹方程：

其中，2指的是拉普拉斯算子，k0指的是波数；

然后，运用三维有限元法对消声器性能进行分析，需要首先利用消声器周围的环境气体建立起离散化模型，而后再利用伽辽金法建立起离散化方程：

其中，{φn}指的是所有离散节点的速度势矩阵；

而后，将边界条件代入上式，即可计算出各离散节点的压力与速度。

1.2 消声器的传递损失的性能分析

作为消声器的评价指标之一的传递损失，指的是消声器进口端与出口端的功率级的差值，而由于进出口的功率级不可以直接进行测量，但是在消声器的进口端和出口端的管道截面的面积相同时，沿截面声压近似为均匀分布，因此消声器的传递损失的数值等于进口端的入射声压级减去出口端的投射声压级。其表达式为：

其中，TL指的是传递损失，LW1指的是进口端的入射声压级，LW2指的是出口端的投射声压级。

而消声器的传递损失与消声器的出口端的声学性能、声源性能与消声元件在消声器系统中的位置无关，而只取决于汽车消声器元件的截面积、元件的结构与消声介质的阻抗率。因此分析与评价消声器的消声性能是否优越与是否满足设计要求，运用传递损失分析则最为适宜。

它的分析与测量方法主要有脉冲法、两声源法、两负载法与声波分解法等。其中因为汽车尾气长期处于高压、高温的气流状态，对位于这种高温、高压情况下的消声器是无法进行动态的传递损失分析与测量的，所以对于这种情况下的消声器只能运用静态的传递损失方法进行分析与测量。

消声器的传递损失的分析与测量方法主要为静态的四传声器法的测量方法。其主要采取的是直接通过多通道数据采集与信号分析仪进行分析与测量。而使用多通道数据采集与信号分析仪的主要方法、步骤为：首先：在分析仪的信号输出端输出在一定电压信号的频率范围内进行扫频或者按照1/1倍频率或1/3倍频率的电压信号的中心变化频率，而后经由功率放大器将其频率输送到扬声器内，从而在扬声器中转化为相应频率的声波，然后将其在测试管中进行传播。

2 消声器声学结构改进与优化建议

2.1 改进与优化消声器穿孔器的几何参数

对消声器的几何尺寸进行改进与优化，对其进行有效增大，能够有效增大消声器的消声量。然而，首先由于消声器的装配空间会对消声器的几何尺寸产生限制，因此消声器的腔体几何尺寸大都不适合进行改变。其次，增大消声器的腔体几何尺寸，也会增大消声器的传递损失。

所以，改进与优化消声器穿孔板的几何参数，即在消声器内部的隔板或管壁上增加许多微小的穿孔，声波在通过消声器穿孔板上的这些微小穿孔时，可以造成有效的声波能量衰减。因此，可以有效减少消声器穿孔板的几何参数，可以减少消声器对压力损失的影响，而且可以有效改善消声器在低频范围内的消声性能，因此对提高消声量更加具有实际意义。

2.2 确定消声器穿孔板的阻抗

在消声器的实际设计中，如果采用大量的微小穿孔，则会大大增加划分有限元模型网格的工作量。因此，如果想要保存这些微小穿孔，则需要建立以四面体为基础模型网络类型的结构化网络，或者以六面体为基础模型网络类型的非结构化网络加以应对，从而将微小穿孔附近的空气划分成为十分细节的网络。

2.3 确定有限元模型的边界条件

消声器的有限元模型网格在声学分析软件LMS Virtual Lab中的边界条件，主要有消声器穿孔板内表面与外表面之间的导纳与传递关系、入口的质点振动速度、入口边界、出口阻抗与出口边界，其余的边界表面则会自动被LMS Virtual Lab 默认为绝热刚性壁。入口边界指的是消声器入口端的包络面网格单元选中，而出口边界指的是消声器出口端的包络面网格单元选中，其中出口边界还需要进一步确定它的消声属性。如果将消声器的出口端管道直接通往大气，则通过出口边界，声波可以直接传播到大气中。但如果不对消声器的壁面进行任何处理，因为声学有限元的模型网格为实体的网格，则传播到出口边界时，声波就会被壁面全部反射回来。

3 结语

随着社会科技的发展，出现了新的三维声学有限元法，例如声学分析软件LMS Virtual Lab与流体力学计算软件FLUENT，为分析消声器的声学性能提供了一个更加有效、快速的方法，可以有效对汽车的消声器的静态的传递损失进行检测与分析，从而也可以为分析、改进与设计消声器的声学性能提供了相应的有效依据。同时，根据相关分析，改进与优化消声器穿孔器的几何参数，可以有效提高消声器的消声性能与效果。