汽車排氣系統(tǒng)消聲器改進(jìn)設(shè)計研究

陳軍　李玉良

【摘 要】消聲器作為汽車排氣系統(tǒng)的重要組成部件，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計可有效降低排氣噪聲。首先測量怠速工況排氣口輻射噪聲，獲得設(shè)計改進(jìn)數(shù)據(jù)；基于GT-power建立消聲器傳遞損失仿真分析模型，進(jìn)行聲學(xué)、壓力損失分析數(shù)值模擬，并分析結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)對消聲器聲學(xué)性能的影響。通過消聲器傳遞損失試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)滿足發(fā)動機性能要求。

【關(guān)鍵詞】消聲器；傳遞損失；噪聲；聲學(xué)性能

中圖分類號： U464.134.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.008

噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）反映汽車行駛過程中的平穩(wěn)性，其性能影響汽車用戶乘坐的舒適度[1]。目前汽車普遍存在怠速工況和車內(nèi)噪聲偏大等問題，排氣系統(tǒng)的設(shè)計涉及流體、振動和聲學(xué)等學(xué)科，依賴大量的仿真與實驗。

通過對排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得聲學(xué)性能符合要求，可有效提高汽車用戶乘坐的舒適度。Young采用有限元分析評價消聲元件的聲學(xué)性能[2]；Tanaka采用邊界元對消聲器進(jìn)行聲學(xué)計算[3]；Kumar通過發(fā)動機的時域仿真，評價排氣系統(tǒng)的聲源特性[4]；Pobedin研究并建立客車車內(nèi)噪聲的數(shù)學(xué)模型，提出噪聲的概率計算方法[5]。

本文基于GT-power建立消聲器傳遞損失仿真分析模型，進(jìn)行聲學(xué)、壓力損失分析數(shù)值模擬，分析相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲器聲學(xué)性能的影響。通過消聲器傳遞損失試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 消音器結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

本問研究的是阻抗復(fù)合式消音器，因為既含有吸音材料，又在結(jié)構(gòu)上具備抗性消音器的特點。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，前消聲器內(nèi)部連接管穿孔數(shù)目為18x15x3.5mm，厚度為1.2mm，消音器結(jié)構(gòu)形狀的不同會影響擴張比某阻抗復(fù)合式，設(shè)計指標(biāo)是降噪30db。發(fā)動機參數(shù)如下：發(fā)動機缸數(shù)為6缸，轉(zhuǎn)速為2100r/min，沖程數(shù)為4，由此可得基頻為105Hz。前消聲器參數(shù)：內(nèi)部連接管穿孔數(shù)目為18x15x3.5mm，厚度為1.2mm。

2 消聲器性能測試、數(shù)據(jù)分析及仿真

2.1 怠速工況的測試噪聲控制

圖1 駕駛員右耳聲壓級曲線

關(guān)閉車窗、空調(diào)及多媒體，測試發(fā)動機從啟動狀態(tài)到怠速階段再到空調(diào)開啟時，車內(nèi)噪聲及排氣尾管噪聲值。其中從發(fā)動機啟動后的20s測試啟動噪聲；怠速噪聲在中間階段測試，時長為15s；之后的5-20s測試空調(diào)開啟狀態(tài)下的怠速噪聲。試驗臺上，3擋加速，從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始加速到發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，記錄下車內(nèi)及排氣尾管的噪聲值。發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，掛空擋并測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000r/min～6000r/min時的噪聲值。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4500r/min，松開油門，測試轉(zhuǎn)速從4500r/min到怠速階段時的噪聲。圖1為1檔油門，2.0階車內(nèi)噪聲，駕駛員右耳處的聲壓級曲線。

曲線反映，排氣噪聲源包括：材料、設(shè)計、模態(tài)響應(yīng)，消聲器調(diào)音，發(fā)動機震動/聲音輸出。同時，測試車的狀態(tài)對噪聲也有很大影響（車門密封條，聲學(xué)包裹，發(fā)動機傳遞路徑等）。

2.2 數(shù)據(jù)分析及改進(jìn)

測試過程：1）工況：發(fā)動機怠速；2）空調(diào)和風(fēng)扇狀態(tài)：AC Off ，F(xiàn)an Off；3）麥克風(fēng)位置：參照GB/T 14365；4）4種測量狀態(tài)下排氣尾管長度：原始尾管、尾管延長20cm、尾管延長50cm、尾管延長70cm；5）排氣管口與延長管采用軟管連接。測試的結(jié)果如下：其中圖2為輻射噪聲的頻譜圖；圖3怠速狀態(tài)下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速圖。

圖2 輻射噪聲頻譜圖

圖3 怠速狀態(tài)下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速圖

結(jié)果分析診斷：RPM=700，11.67Hz；No.of Cylinders=4；No.of Strokes=4。關(guān)鍵頻率：23.33Hz，1st firing frequency；46.67Hz，1st Harmonic of the firing frequency。

2.3 試驗結(jié)果驗證

過渡段采用規(guī)則錐形，在后處理算法中考慮規(guī)則錐形的傳遞矩陣，利用數(shù)值方法精確的減去適配段的影響，獲得消聲器的準(zhǔn)確聲學(xué)性能。為了測量排氣系統(tǒng)背壓，基于圖a的消聲器傳遞損失原理和QC/T631等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臺架試驗，其中系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、信號產(chǎn)生系統(tǒng)和消聲器。信號分析系統(tǒng)包括電腦、數(shù)據(jù)采集與分析軟件及阻抗管；信號產(chǎn)生系統(tǒng)由電腦和揚聲器組成。圖b為與消聲器傳遞損失試驗原理對應(yīng)的實驗現(xiàn)場。

圖a 試驗原理

圖b 試驗現(xiàn)場

圖4 消聲器傳遞損失實驗原理與現(xiàn)場

圖5為測得的主消聲器傳遞損失變化曲線，其中左側(cè)為無流動，而右側(cè)為不同流速的傳遞損失測試結(jié)果。

圖5 主消聲器傳遞損失變化曲線

結(jié)果顯示，排氣系統(tǒng)背壓隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而升高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達(dá)額定值時，優(yōu)化后排氣系統(tǒng)背壓明顯小于原排氣系統(tǒng)背壓，結(jié)果滿足性能指標(biāo)。而后消是引起排氣系統(tǒng)背壓變化的最主要原因。排氣系統(tǒng)內(nèi)部氣流流動遇到截面發(fā)生突變時，氣流速度將發(fā)生急劇變化，原來流體流動狀態(tài)也隨之受到很大的干擾，渦流現(xiàn)象明顯，進(jìn)而將消耗消音器內(nèi)部能量。基于數(shù)值模擬結(jié)果，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行如下改進(jìn)：排氣內(nèi)徑更改，擋板距端蓋的距離更改，并進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文建立排氣系統(tǒng)消聲器輻射噪聲測試方法以及消聲器傳遞損失測試方法，基于GT-Power構(gòu)建傳遞損失計算機仿真分析模型，通過對比試驗提高仿真的準(zhǔn)確度。采用逆推發(fā)動機聲源的經(jīng)驗方法，測試獲得無發(fā)動機聲源特性下的發(fā)動機聲源特性；通過內(nèi)部流動傳遞矩陣測試，獲得排氣系統(tǒng)在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的聲學(xué)特性。試驗與數(shù)值仿真表明：優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)背壓明顯小于原排氣系統(tǒng)背壓，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計滿足發(fā)動機性能指標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

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