汽車排氣系統(tǒng)噪聲性能分析與研究

【摘" 要】排氣系統(tǒng)噪聲直接關聯(lián)整車NVH性能，在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要重點研究與設計。文章介紹排氣系統(tǒng)的基本功能和結構，對排氣噪聲的表現(xiàn)形式和產(chǎn)生機理進行詳細說明。結合試驗數(shù)據(jù)，重點分析排氣噪聲的關鍵影響因素，為排氣系統(tǒng)的設計開發(fā)提供技術參考。

【關鍵詞】排氣系統(tǒng)；噪聲；NVH

中圖分類號：U464.134" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0087-03

Noise Performance Analysis and Research of Automobile Exhaust System

DENG Houke，YANG Guang，REN Xiaolong

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Heifei 230031，China）

【Abstract】Exhaust system noise is directly related to vehicle NVH performance，which needs to be studied and designed in the process of product development. This paper introduces the basic function and structure of the exhaust system，and explains in detail the form and mechanism of exhaust noise. Based on the test data，the key influencing factors of exhaust noise are analyzed，so as to provide technical reference for the design and development of exhaust system.

【Key words】exhaust system；noise；NVH

1" 排氣系統(tǒng)功能結構

排氣系統(tǒng)是在發(fā)動機工作時，不斷地將燃燒室的廢氣排放到大氣中，保證發(fā)動機連續(xù)運轉的重要機構。汽車排氣系統(tǒng)的重要功能是以盡可能小的排氣阻力和噪聲，逐漸衰減排氣壓力脈動，將發(fā)動機氣缸內的燃燒廢氣高效、清潔、安全地排到大氣中。汽車排氣系統(tǒng)主要有兩大功能，一是高效、清潔地排出發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的廢氣，二是降低發(fā)動機排氣噪聲。

汽車排氣系統(tǒng)一般由排氣歧管、催化器、柔性管（波紋管）、前置消聲器、后置消聲器、中間連接管、尾管、掛鉤、掛鉤隔振器等組成。排氣歧管主要作用是保證每個氣缸排氣順暢，避免各缸之間排氣相互干擾，使廢氣能快速、完全地排出氣缸。柔性管（波紋管）相當于一個隔振器連接在排氣歧管末端，使傳遞到冷端的振動變小。催化器把排氣廢氣中的HC、CO和NOx等有毒氣體轉化為無毒的H2O、N2和CO2。排氣消聲器的作用則是降低排氣壓力，衰減氣流脈動，從而降低排氣噪聲。

2" 排氣噪聲表現(xiàn)形式

排氣系統(tǒng)噪聲主要包括排氣尾管口噪聲和排氣消聲器輻射噪聲。

排氣尾管口噪聲是一種脈動噪聲，聲音是以平面波在管道中傳播的，當廢氣到達尾管時，氣流產(chǎn)生脈動噪聲，好像在尾管處有一個活塞在運動。尾管噪聲由兩部分組成：空氣噪聲和氣流摩擦噪聲。穩(wěn)定的氣流在尾管處發(fā)出空氣噪聲，而不穩(wěn)定的氣流則產(chǎn)生摩擦噪聲。在尾管噪聲中，這兩種噪聲所占的成分取決于氣流流量的大小和速度。流量小和速度低時，空氣噪聲占主要成分，而流量大和速度快時，摩擦噪聲占主要成分。

排氣消聲器輻射噪聲指消聲器被機械振動或受內部流體壓力波動引起振動激勵，這些被激勵的結構對外將聲音輻射出去形成輻射噪聲。在排氣系統(tǒng)中，輻射噪聲源來自兩方面：一是機械振動，排氣系統(tǒng)中有很多薄板，發(fā)動機工作會帶動整個排氣系統(tǒng)振動，如消聲器外殼和催化器外殼，一旦這些薄板被激勵起來，就會對外產(chǎn)生輻射噪聲；二是排氣氣流，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓廢氣氣流會對薄板施加穩(wěn)定脈動力，從而激勵起板的振動，產(chǎn)生輻射噪聲。

3" 排氣噪聲影響因素

整車及發(fā)動機使用場景工況較多，導致排氣系統(tǒng)噪聲性能特征復雜，排氣噪聲表現(xiàn)形式多樣。影響汽車排氣噪聲的因素是多方面的，既有排氣氣流的性能參數(shù)，例如溫度、流速和壓力等，也有排氣系統(tǒng)結構參數(shù)，包括排氣管直徑、前后消聲器容積和內部結構以及尾管口的結構等。

發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的廢氣氣流是排氣噪聲的根源，其本身的溫度、流速和壓力與排氣噪聲直接關聯(lián)。溫度對排氣噪聲的影響主要在300～1000Hz之間，溫度越高，此頻段噪聲聲壓級越高，溫度越低，噪聲聲壓級越低。流速對排氣噪聲影響主要集中在600～900Hz之間，流速越高，此頻段噪聲聲壓級越高，流速越低，噪聲聲壓級越低。根據(jù)仿真分析結果，在流速分別為1m/s和20m/s時，最大聲壓級差值可以達到5dB（A）。另外，排氣背壓對噪聲也有直接的影響。排氣背壓指排氣多支管出口處的壓力與大氣壓之間的差值，形成的原因是排氣管道對氣流的阻礙和氣流之間的摩擦阻礙。一般情況下，排氣背壓主要影響消聲器的輻射噪聲和排氣尾口噪聲。根據(jù)仿真和試驗結果顯示，排氣背壓越高，排氣管口噪聲聲壓級越低，消聲器殼體輻射噪聲聲壓級越高，發(fā)動機功率損失越大。排氣背壓越低，排氣管口噪聲聲壓級越高，消聲器殼體輻射噪聲聲壓級越低，發(fā)動機損失功率越小。所以，在進行排氣背壓的設計時，需綜合考慮發(fā)動機功率損失和排氣噪聲等因素，做到三者的平衡。

溫度、流速和壓力是影響排氣噪聲的本質屬性，當發(fā)動機運行工況和邊界條件確定后，這些屬性基本就確定。如果要進一步提高排氣噪聲性能，還需要對影響排氣噪聲的結構參數(shù)進行研究分析，識別核心的關聯(lián)因素進行優(yōu)化設計。

在排氣系統(tǒng)結構中，管路直徑、管壁厚度、管路布置、連接管長度、尾管布置、三元催化器、顆粒捕捉器和前后消聲器都會影響排氣系統(tǒng)噪聲。根據(jù)仿真分析和試驗測試，消聲器的結構和性能參數(shù)對排氣噪聲的影響最為關鍵，例如排氣容積、消聲器殼體模態(tài)以及消聲器內部結構等。

排氣容積是排氣系統(tǒng)中所有消聲器容積之和（不包含三元催化器和顆粒捕捉器），排氣容積主要影響中低頻范圍的排氣噪聲。在排氣系統(tǒng)設計開發(fā)中，既要滿足排氣噪聲目標，又要確保發(fā)動機功率損失在合理范圍，所以需要對排氣噪聲和排氣背壓進行綜合平衡，一般要求發(fā)動機額定功率與排氣容積的比值在4～4.5之間。例如，某燃油車排氣容積分別為27L、31L和36L時，其對應的噪聲傳遞損失分別為30dB（A）、40dB（A）和50dB（A），在怠速工況下，排氣尾口噪聲聲壓級分別為70dB（A）、58dB（A）和56dB（A），具體數(shù)值見表1。

通過表1可知，排氣容積越大，排氣系統(tǒng)傳遞損失越高，尾口噪聲越低。

4" 消聲器優(yōu)化

消聲器殼體由一層或者兩層金屬板件構成，根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，一般分為整體卷筒式或者分體翻邊滾壓式。消聲器殼體輻射噪聲是排氣系統(tǒng)噪聲的重要組成部分。發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的高溫高壓高速的脈動氣流會沖擊消聲器殼體，引起殼體振動，從而產(chǎn)生低頻的振動輻射噪聲，主觀感覺就是消聲器轟鳴聲。消聲器輻射噪聲與殼體模態(tài)密切相關，相同條件下，模態(tài)頻率越高，輻射噪聲越低，模態(tài)頻率越低，輻射噪聲越高。為了控制消聲器殼體輻射噪聲，需要對殼體模態(tài)進行指標管控，一般要求其模態(tài)頻率≥300Hz。為此，可以采用殼體增厚、殼體設計加強筋以及在殼體與隔板之間增加焊接等設計方案。如圖1、表2所示，某排氣消聲器殼體表面增加焊點后，殼體模態(tài)平均增加200Hz左右。

圖2顯示了該消聲器殼體模態(tài)提高前后輻射噪聲變化情況，通過對比發(fā)現(xiàn)，輻射噪聲改善非常明顯，特別是660Hz附近共振輻射帶基本消除。

消聲器的內部結構比較復雜，包括進出氣管、中間管、U型管、隔板、吸聲棉以及不同規(guī)格的小孔，這些部件的設計直接關系到整車排氣噪聲性能。為了提高消聲器的降噪性能，在產(chǎn)品設計階段，需要對消聲器進行傳遞損失的仿真分析，通過仿真分析結果，調整消聲器內部的結構參數(shù)，如管子的直徑和走向、小孔的位置和數(shù)量以及孔徑大小、吸聲棉的放置位置和質量等。

圖3和圖4為某消聲器原設計方案和4種優(yōu)化方案的模型以及每種模型對應的傳遞損失。通過調整進氣管和中間管的位置及走向來改變消聲器對噪聲的傳遞損失性能，從而降低所需頻段噪聲聲壓級，實現(xiàn)整車排氣噪聲目標。

另外，為了降低排氣噪聲，排氣前通常會在消聲器和后消聲器內部布置吸音棉。消聲器內部吸音棉一般布置在中間腔室，遠離進口端和出口端，如圖5所示。

吸音棉可以較好地分解排氣氣流，降低流速和壓力，吸收排氣氣流的沖擊能量，從而起到降低消聲器殼體輻射噪聲和尾管口噪聲的效果。為了研究吸音棉對消聲器消聲性能的影響，通過試驗方法對同一個消聲器匹配吸音棉和不匹配吸音棉兩種狀態(tài)分別進行傳遞損失測試，結果如圖6所示。其中藍色曲線代表有吸音棉消聲器的傳遞損失，橙色和灰色曲線代表沒有吸音棉消聲器的傳遞損失。

由圖6可知，有吸音棉的消聲器平均傳遞損失為50dB，而沒有吸音棉的消聲器平均傳遞損失為40dB，吸音棉可以提高消聲器的傳遞損失10dB左右。吸音棉對整個排氣系統(tǒng)噪聲的影響非常明顯，在排氣系統(tǒng)的設計開發(fā)中需要重點關注。

5" 總結

本文從排氣系統(tǒng)噪聲性能的角度出發(fā)，介紹了排氣系統(tǒng)的基本功能和組成結構，簡述了排氣噪聲的主要類型和產(chǎn)生機理，詳細分析了影響排氣噪聲性能的主要因素，重點介紹了排氣容積、消聲器殼體模態(tài)以及消聲器內部結構和吸音棉對排氣管口噪聲、殼體輻射噪聲以及傳遞損失的影響，從而為排氣系統(tǒng)的設計開發(fā)提供技術參考。

參考文獻

[1] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動——理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-07-12

作者簡介：鄧厚科（1981—），從事汽車NVH性能設計開發(fā)驗證工作。