基于GT-Power的汽车排气系统噪声优化

徐一心，尹小燕，严才宝，张鹏飞

（1.成都理工大学工程技术学院，乐山 614004；2.上海天纳克研发中心，上海 201814）

0 引言

车辆NVH性能是影响乘坐舒适性的主要因素之一，其中排气系统的噪声水平对整车NVH性能有重要影响。在排气系统中，消声器是主要的消声元件[1,2]，可以通过设计不同的内部结构来降低排气中常见的低频阶次、驻波、壳体辐射等噪声问题。从而提高车内乘客的听觉舒适性，尤其在常见的怠速、加减速等工况效果更为明显。

随着仿真计算精度和效率的日益提高，仿真软件也普遍应用于车辆开发设计中。排气声学仿真软件较多，其中常用的GT-Power是一维声学仿真软件，利用此类软件可在无实验资源的开发前期快速评估尾管声学噪声级。目前在消声器研究方面已取得不少成果，侯献军等使用GT-Power软件对某款车型的尾管声学和不同消声器插入损失进行了深入分析[3]。张晋源采用相同一维声学软件并结合DOE方法对某消声器进行了传损分析[4]。程胜明利用GT-Power和Virtual Lab对某乘用车主消声器在中高频段的消声特性进行探究，并提出了改进方案[5]。边杰等采用GT-Power进行仿真计算，得出了不同消音器参数对尾管辐射噪声的影响[6]。林胜等通过GT-Power对某车型的排气阶次轰鸣声进行了优化[7]。张旭东等通过试验结果验证了GT-Power中建立的玉柴某柴油机消声器仿真模型，并对消声器端盖进行了优化[8]。刘德辉等采用GT-Power对全柴490柴油机消声器建立仿真模型并通过试验验证，并且使用遗传算法进行多目标优化[9]。随着研究的不断深入和软件的更新，仿真对实验结果可预测性越来越高，但是如何减少计算时间、提高效率仍然是制约仿真计算发展的一个重要因素[10]。

高效率的前期排气声学开发不仅可以快速评估现有排气系统结构是否能满足客户要求，还可以给整车NVH提供重要的参考信息。本文以某款车型为研究对象，运用GT-Power仿真计算和声学测试对排气尾管噪声进行深入分析。同时采用质量流量模型等效现有发动机GT-Power模型，加速仿真计算，提高效率。

1 研究理论

1.1 排气噪声频率及总声压级

发动机运转时，气缸内的废气随排气口间歇地开闭而周期性地喷射到气管内，因此产生的排气噪声为周期性的，其主要频率成分f1为：

式(1)中：k——发动机的气缸数

n1——发动机的转数r/min

e——发动机的冲程数

汽车发动机排气噪声的强度与发动机的功率、转速、气缸内气体压力大小等因素有关，并随发动机的转速及负荷的变化而变化。一般发动机排气噪声的总声压级可用下式估算：

式(2)中：N——柴油发动机的功率，kW

Lp——总声压级，dB

1.2 发动机排气系统四端网络等效模型

低频噪声由发动机转速、气缸数及冲程大小等来决定的，中频噪声则是基频的高次谐波延伸造成的，而高频噪声则是由于排气涡流、气缸内燃烧以及机件、管道振动造成的[11]。通常，发动机排气系统包括从声源到尾管出口的全部结构。图1表示了包含排气消声器在内的发动机排气系统模型。如果消声器的性能用四端网络传递矩阵表示，则在尚未深入研究发动机声源特性的前提下，常将其作为恒压声源或恒速声源[12]。

图1 四端网络等效模型示意

2 仿真模型及数值计算

2.1 建立仿真模型初始条件及初步设计方案

本车型使用的是一款四缸汽油机，在GT-Power软件中，首先根据整车厂提供的发动机模型和热端参数建立初步仿真模型。然后建立排气冷端模型，包括中消声器、连接管管道、后消声器、尾管等，同时设置它们的初始条件，如表1所示。

表1 排气系统冷端模型参数值

背压值是排气系统设计时需要考量的重要参数之一，其反应了发动机功率在经过排气系统时损失的功率。因此在消声器内部结构设计时必须满足整车厂的背压要求，在流量为450kg/h、温度为720℃时的冷端背压不超过32kPa。根据该车型的发动机功率要求，排气冷端的初步设计方案如图2所示。中消声器包括进出气管、两块挡板和一定量的玻璃纤维；后消声器包含进出气管和两块打孔的挡板。这两种设计是排气中常见的设计方法，通常情况下可以兼顾背压损失、尾管低频阶次和高频气流噪声的要求。

图2 消声器结构

2.2 发动机模型及质量流量模型结果对比

在GEM 3D模块中建立对应的模型，离散后导入GT-Power仿真模型中。同时设置对应的麦克风信息，包括距离、计权级等。完整的仿真模型如图3所示。

图3 发动机GT-Power模型

声学求解前，在GT-Power中先求解背压值。在给定流量和温度条件下，计算得到背压值为27.2kPa，满足客户目标。接着求解声学结果，计算时间的长短和计算精度主要取决于整车厂提供的发动机模型。该模型求解时间较长，约8个小时，后期优化的时间成本较高。根据发动机GT-Power模型计算得到发动机排气歧管出气端管道内的1000～6000r/min每个转速下的瞬态质量流量和瞬态温度等信息，建立瞬态质量流量声学模型，以替代发动机作为噪声源，如图4所示。其中，发动机转速为1000r/min时的瞬态质量流量曲线和瞬态温度曲线如图5所示。

图4 质量流量声学GT-Power模型

图5 1000r/min时的瞬态参数

采用质量流量模型重新计算。发动机模型和质量流量声学模型结果对比如图6所示。可以看出，在总声压级和阶次声压级方面两种仿真方法结果非常接近。然而质量流量声学模型计算只需25分钟，求解时间大大缩短，提高了排气声学开发效率。

图6 发动机模型和质量流量声学模型仿真对比

2.2 优化模型的数值计算及结果对比

原后消声器结构在发动机转速1800～3500r/min的二阶噪声略高于目标值，不过与目标值相比背压值仍有余量。根据相关经验，对后消进行优化，进气管增加了一个堵头，出气管增加了一个弯管和一个高频管。优化后的方案如图7所示。

图7 优化后的后消声器结构

重新使用质量流量声学模型进行计算，求解后的背压值为30.6kPa，能够满足整车厂的要求。最后，得到优化后和原方案的声学结果对比如图8所示。可以发现，二阶和四阶声压级基本可以满足声学目标。通常情况下，仿真和实测值之间略有差异，因此将原方案和优化方案都制作样件，通过实验验证。

图8 原方案和优化方案仿真对比

3 噪声实验及结果对比分析

在转毂半消音室中进行尾管噪声实验。在Dynotovie转毂控制界面中输入整车整备质量1300kg及滑行阻力曲线的三个指数，分别为f0=140.8N，f1=-0.0362N·h/km，f2=0.0344N·h2/km2，并用LMS Test软件进行噪声测试。在实验车辆尾管45°的500mm处布置声学自由场麦克风,如图9所示。同时接入转速信号、冷端背压、冷端进气温度等信号，将各个通道信息进行输入。接着对麦克风灵敏度进行校准，并设置好转速触发信号。在开始测试时，需进行热车，用以确保车辆为正常工作状态。接着进行数据记录，开始时多测试几组，等到数据具有较高的一致性时，作为测试结果。

图9 声学测试麦克风布置

最后原方案和优化方案的实验和仿真结果对比分别如图10和图11所示。可以看出，在低转速区，两方案仿真和实验结果在总声压级和阶次声学都比较接近，具有较高的参考意义，且优化后的方案满足声学目标。在高转速区，两方案的二阶和四阶声压级的仿真与实验结果有一定的偏差。原因在于GT-Power是基于一维流体力学编写，无法精确计算由三维流体产生的气流噪声。软件中气流噪声是根据经验公式进行计算的，所以和实验结果有偏差，只做参考使用。两方案的尾管声学频谱图如图12所示，从图中可清晰看出在低转速区阶次噪声为尾管主要噪声，而在高转速区以气流噪声为主。

图10 原方案仿真和实测数据对比

图11 优化方案仿真和实测数据对比

图12 尾管噪声Color map频谱

4 结语

本文采用GT-Power仿真软件和LMS.TEST软件对某车型排气系统噪声进行分析。并根据结果对消声器结构进行优化，降低了发动机阶次和气流噪声。得出以下结论：

1）在低转速区，GT-Power在排气声学仿真上具有较高的精度，可作为前期评判标准。在高转速区，仿真结果趋势和实验接近，但在数值上存在偏差。

2）质量流量声学模型可以大幅度加快仿真计算速度，减少求解时间，提高排气开发的效率。

3）需要综合利用仿真和实验各自的优势，才能高效的开发排气声学。