基于GT-power的FSC賽車(chē)消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

李昌日　梁毅　聞港　田萬(wàn)里　付寶貴

摘? 要：針對(duì)降低賽車(chē)排氣噪音問(wèn)題，本文使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計(jì)算模型，進(jìn)行了傳遞損失的仿真分析，得到消聲器的傳遞損失曲線(xiàn)，并保證消聲量不下降的情況下進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比傳遞損失曲線(xiàn)情況，得到較好的傳遞損失結(jié)果，可有效提高消聲器的降噪性能。

關(guān)鍵詞：消聲器;GT-power;傳遞損失

引言

中國(guó)大學(xué)生方程式大賽（FSC）是由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)針對(duì)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在校大學(xué)生舉辦的自主設(shè)計(jì)與制造汽車(chē)的比賽[1]。本文針對(duì)降低賽車(chē)排氣噪音問(wèn)題，使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計(jì)算模型，進(jìn)行傳遞損失的仿真分析，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)果找到最優(yōu)的方案。

1.消聲器的聲學(xué)特性

1.1消聲器聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

降低消除噪聲是消聲器的主要功能之一，消聲器的聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)為以下三個(gè) [3]。

傳遞損失用TL（Transmission Loss）表示：

TL=10lgWi/Wt=Lwi-Lwt? ? ? ? （1）

其式中：入射聲功率級(jí)- Lwi;透射聲功率級(jí)- Lwt。

插入損失用IL（Insertion Loss）表示：

IL=Lw1-Lw2 =10lgW1/W2? ? ? ? （2）

其式中：沒(méi)有安裝消聲器所測(cè)的聲功率為-Lw1;安裝消聲器所測(cè)的聲功率為-Lw2。

聲壓級(jí)差值指部件中任意兩點(diǎn)間的聲壓級(jí)差值，用LD（Level Difference）來(lái)表示：

LD=Lp1-Lp2 =20lgP1/P2? ? ? ? ? ?（3）

其式中任意兩點(diǎn)的聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)p1、Lp2。

2.GT-Power仿真模型

2.1建立發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型

本文采用GT-power軟件有限體積法建立一維計(jì)算模型計(jì)算，輸入每個(gè)系統(tǒng)模塊的屬性參數(shù)，將每個(gè)模塊連接即構(gòu)成本田發(fā)動(dòng)機(jī)（CBR600RR）待工作狀態(tài)的計(jì)算模型[3]。

2.2消聲器設(shè)計(jì)及容積計(jì)算

賽車(chē)動(dòng)力性能與消聲器性能具有絕對(duì)性關(guān)系，更具經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)消聲器的容積與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量之比應(yīng)該在10倍左右。選擇阻抗復(fù)合型消聲器，抗性前置，阻性消聲器后置，可獲得全頻段的良好消聲效果，降噪效果明顯。

FSC賽事中規(guī)則要求噪音：怠速時(shí)噪音等級(jí)上限為C加權(quán)103dB，其他高轉(zhuǎn)速上限為110dB。根據(jù)測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)消聲器下，怠速C加權(quán)噪聲在112—120dB之間，高轉(zhuǎn)速11000r/min噪聲在124—128dB之間;目標(biāo)消聲器傳遞損失須在20dB左右。

根據(jù)消聲器容積計(jì)算公式（4）為：

（4）

V-消聲器容積，單位：L

n-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：r/min

i-發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)

-發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)

Vst-發(fā)動(dòng)機(jī)排量，單位：L

Q-修正系數(shù)，可取2-6，消聲器要求級(jí)別越高，Q值則取越大。

n取13000r/min，Q取2，計(jì)算得V=5.5L

2.3消聲器仿真計(jì)算模型建立

利用GT-Power軟件中的GEM3D模塊，根據(jù)容積5.5L進(jìn)行消聲器的3D建模，在界面中添加消聲器殼體、導(dǎo)流管、隔板、穿孔管以及玻璃棉。消聲器殼體為直徑φ114mm，長(zhǎng)550mm，總?cè)莘e為5.5L，前消聲器容積為3.0L，為抗性消聲器類(lèi)型，主要為消除中低頻噪音;后消聲器容積為2.5L，為阻性消聲器類(lèi)型，主要為消除高頻噪音。前消聲器與后消聲器用內(nèi)孔φ38mm的隔板連接，前消聲器由φ38mm與φ50mm的穿孔管重疊布置，后消聲器由玻璃棉包裹內(nèi)穿孔管布置，其中穿孔管穿孔率為32%，將建立好的消聲器模型設(shè)置好進(jìn)出口然后將消聲器模型離散化。在界面中導(dǎo)入相關(guān)元器件模塊，定義頻率、流量、流速、管徑等參數(shù)，設(shè)置消聲器模型連接口，建立傳遞損失分析主系統(tǒng)模型。

根據(jù)建立的消聲器傳遞損失仿真模型計(jì)算，得到傳遞損失曲線(xiàn)，消聲量普遍在20dB左右，具有較好的消聲性能，但在733.7HZ頻率處的消聲峰值波動(dòng)較大，噪聲非常接近規(guī)則值，為了減小后期加工誤差等其他意外因素影響導(dǎo)致噪聲不符合規(guī)則可能性，733.7HZ頻率處消聲量應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，削弱該頻率下的噪音。

2.4消聲器優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)方案一進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，改進(jìn)優(yōu)化的兩個(gè)方案如下：方案二在原前消聲器內(nèi)穿孔管布置改為φ38mm與φ60mm的穿孔管重疊布置;方案三在原前消聲器內(nèi)穿孔管布置改為φ38mm與φ90mm的穿孔管重疊布置;進(jìn)行傳遞損失模型計(jì)算。通過(guò)方案二、方案三傳遞損失曲線(xiàn)可知兩方案都對(duì)733.7HZ該頻率處的消聲性能有明顯的改善效果，方案二的優(yōu)化效果更為明顯，消聲效果整體明顯提高，且其他頻率下的消聲性能都有所改善，極大削弱了該處的噪音，整體提高消聲器的消聲性能，符合優(yōu)化改進(jìn)的要求。

3.結(jié)語(yǔ)

本文使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計(jì)算模型，完成了消聲器傳遞損失的仿真分析，并在733.7HZ該頻率處的消聲峰值波動(dòng)較大，噪聲非常接近規(guī)則值的問(wèn)題上進(jìn)行了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從方案二中得出的傳遞損失曲線(xiàn)可知該方案有效提高了733.7HZ該頻率處的消聲量，極大削弱了該處的噪音，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]? 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽規(guī)則2019版[Z].

[2]? 丁吉民，胡光輝，嚴(yán)鑫映，左煒晨，何竹革，張利. 基于GT-POWER的汽車(chē)消聲器降背壓優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2017，（1）.

[3]? 龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與震動(dòng)：理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

基金項(xiàng)目：本文系桂林航天工業(yè)學(xué)院2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：李昌日（1996.03-），男，漢，廣西博白人，桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院在讀本科生，主要研究方向：汽車(chē)服務(wù)工程。