基于整車(chē)噪聲控制的消聲器分析與改進(jìn)*

侯鎖軍，杜艷霞

(1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校，新鄉(xiāng) 453000;2.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022;3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，鄭州 450045)

前言

排氣系統(tǒng)作為汽車(chē)上最主要的噪聲源之一，對(duì)于整車(chē)的噪聲具有非常大的影響［1-2］。排氣消聲器是汽車(chē)普遍采用的消聲元件，其主要功能就是衰減排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的某個(gè)頻率或某個(gè)頻段的噪聲。消聲效果的評(píng)價(jià)主要采用傳遞損失、插入損失、聲壓級(jí)差值和聲壓級(jí)4個(gè)指標(biāo)。由于傳遞損失可以有針對(duì)性地評(píng)價(jià)單個(gè)消聲器的效果，所以在消聲器設(shè)計(jì)、改進(jìn)和優(yōu)化過(guò)程中被普遍采用［3］。空氣在流過(guò)消聲器時(shí)會(huì)受到阻力，導(dǎo)致消聲器兩端產(chǎn)生壓差，也就是所謂的壓力損失，如果壓力損失過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，噪聲增加，所以一個(gè)好的消聲器應(yīng)該具有較小的壓力損失。

消聲器壓力損失早期主要是通過(guò)試驗(yàn)手段獲取，目前，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，依靠CFD分析獲取壓力損失已經(jīng)被廣泛采用，分析精度也被行業(yè)廣泛認(rèn)可［4-5］。

消聲器傳遞損失可以通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)兩種手段獲得［6-8］，試驗(yàn)獲取的傳遞損失結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是它對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件的要求較高。仿真計(jì)算所需成本較低，且具有快速省時(shí)的特點(diǎn)，但它僅能在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的消聲器計(jì)算中得到較好的結(jié)果，對(duì)于包含多個(gè)穿孔板和穿孔管的消聲器，這種方法的精度往往較差。因此尋找一種快速準(zhǔn)確獲取復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器傳遞損失的建模仿真方法對(duì)于消聲器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和整車(chē)噪聲控制都具有重要意義。

某國(guó)產(chǎn)輕型客車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中在2 000～2 500r/min勻加速過(guò)程中后排噪聲較大，嚴(yán)重影響了后排乘員的舒適性。通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，引起這一現(xiàn)象的噪聲主要頻率為500～600Hz，判斷這一現(xiàn)象是由排氣噪聲引起的。為改善這一問(wèn)題，首先采用Hyper-Mesh軟件建立了消聲器的有限元模型，然后導(dǎo)入Sysnoise軟件中，引入Mechel理論模型，獲取了該消聲器的傳遞損失結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。其次根據(jù)分析結(jié)果對(duì)消聲器進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了壓力損失分析。最后將改進(jìn)后的消聲器裝車(chē)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明了改進(jìn)方案和分析方法的有效性和合理性。

1 傳遞損失的確定

1.1 系統(tǒng)描述

本文中研究的消聲器由前消聲管、后消聲管、前后隔板、兩個(gè)中間消聲管和消聲器外殼組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。材質(zhì)均為1.5mm厚鋼板。消聲器總體長(zhǎng)度為820mm，直徑為220mm，前消聲管直徑為68mm，均布有210個(gè)直徑為4mm的小孔，中間消聲管直徑為48mm，均布有140個(gè)直徑為5mm的小孔，后消聲管直徑為68mm，均布有228個(gè)直徑為4mm的小孔。

1.2 穿孔管阻抗計(jì)算

復(fù)雜消聲器往往包含數(shù)量眾多的小孔，由于這些小孔的存在使劃分有限元網(wǎng)格變得異常困難，且很難保證網(wǎng)格質(zhì)量，為解決這一問(wèn)題，本文中采用Mechel理論模型計(jì)算穿孔管的阻抗值［9］，并將其作為邊界條件賦于去除掉小孔的穿孔管表面。下面以圖2所示穿孔管為例介紹運(yùn)用Mechel理論模型計(jì)算阻抗的方法。

圖2中L為孔間距，2r為小孔直徑，h為穿孔管壁厚，則每個(gè)穿孔管的阻抗值為

則根據(jù)Mechel理論，當(dāng)滿足條件h≤4r時(shí)，式(1)中的實(shí)部和虛部分別為

式中:ω為頻率;η為空氣動(dòng)力學(xué)黏度;ρ0為空氣密度;ε為小孔在穿孔管表面所占面積的比值，其計(jì)算結(jié)果與小孔的分布形狀有關(guān)。本文中消聲器的小孔是六邊形分布，則有

綜合式(1)～式(5)可得到穿孔管的阻抗值為

1.3 有限元模型的建立

采用CATIA軟件建立了消聲器的三維實(shí)體模型，如圖3所示，然后導(dǎo)入Hyper-Mesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分過(guò)程中將消聲管上的小孔去掉，僅劃分4個(gè)消聲管和去除消聲管后消聲器的三維空腔實(shí)體網(wǎng)格，這幾部分網(wǎng)格單獨(dú)進(jìn)行劃分，網(wǎng)格之間不連通。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，所有網(wǎng)格均采用六面體網(wǎng)格，關(guān)注的頻率段為500～600Hz，故分析頻率設(shè)在1 000Hz即可，根據(jù)聲音的傳播速度，最終確定有限元模型的單元尺寸為5mm，得到消聲器聲學(xué)有限元網(wǎng)格包括前消聲管A、消聲器B、中間消聲管C和后消聲管D 4個(gè)部分，如圖4所示。

1.4 傳遞損失計(jì)算、驗(yàn)證和分析

消聲器聲學(xué)有限元網(wǎng)格導(dǎo)入聲學(xué)軟件Sysnoise中進(jìn)行邊界條件設(shè)置，將計(jì)算得到的各消聲管阻抗值編輯成表分別賦于A和B、C和B及D和B網(wǎng)格交集的部分作為阻抗邊界條件，以便連接相互不連通的網(wǎng)格。在A部分的進(jìn)氣口處定義一個(gè)單位速度邊界條件，在D部分的出氣口處定義一個(gè)全吸聲邊界條件，并對(duì)相應(yīng)流體屬性進(jìn)行設(shè)置后在Sysnoise中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到該消聲器的傳遞損失。

為檢驗(yàn)上述方法的精度，在半消聲室中進(jìn)行了該消聲器傳遞損失試驗(yàn)。圖5為試驗(yàn)測(cè)試示意圖，試驗(yàn)采用LMS Test.lab前端作為采集設(shè)備，采用PCB麥克和功率放大器，體積聲源采用E-MHFVVS中高頻設(shè)備。測(cè)量時(shí)在尾端裝上填滿吸聲材料的盒子作為全消聲裝置，以滿足全吸聲條件，在消聲器入射端安裝兩個(gè)麥克獲取入射波的聲壓和速度，從而算得入射聲功率，在消聲器后端安裝一個(gè)麥克獲取透射聲功率。傳遞損失為

式中:Wi和Wt分別為消聲器的輸入和輸出聲功率。

該消聲器傳遞損失的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

從圖6中可以看出:①仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明采用的Mechel理論與Sysnoise軟件相結(jié)合獲取消聲器傳遞損失的方法具有較高精度，可以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器的傳遞損失計(jì)算;②從傳遞損失結(jié)果中可以看出，該消聲器在500～600Hz頻段內(nèi)傳遞損失較小(圖中畫(huà)圈處)，從而導(dǎo)致該頻段內(nèi)的排氣噪聲較大，這與整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果一致，同時(shí)也為改進(jìn)措施的制定提供了方向。

2 消聲器的改進(jìn)與驗(yàn)證

2.1 消聲器的改進(jìn)

為解決該消聲器在500～600Hz頻段內(nèi)傳遞損失較小這一問(wèn)題，對(duì)該消聲器制定了有針對(duì)性的改進(jìn)措施，如表1所示。

表1 消聲器改進(jìn)措施

2.2 傳遞損失驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的效果，分別計(jì)算了改進(jìn)前后消聲器的阻抗值，并在Sysnoise軟件中獲取了傳遞損失對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。

由圖7可以看出，改進(jìn)后的消聲器在500～600Hz頻段內(nèi)的傳遞損失有較大幅度的提高(圖中畫(huà)圈處)。在低頻段的傳遞損失沒(méi)有什么變化，高頻段傳遞損失略有提高，說(shuō)明本文中采取的改進(jìn)措施對(duì)改善問(wèn)題具有較明顯的效果。

2.3 壓力損失驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性和合理性，采用CFD軟件對(duì)改進(jìn)前后的消聲器進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析，驗(yàn)證改進(jìn)措施對(duì)于壓力損失的影響。

首先采用Hyper-Mesh軟件對(duì)改進(jìn)前后的消聲器所包絡(luò)的空腔進(jìn)行流體有限元網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格單元大部分采用六面體網(wǎng)格，局部采用四面體網(wǎng)格。為提高計(jì)算精度，在消聲管小孔附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，共劃分約380萬(wàn)網(wǎng)格單元，以改進(jìn)前消聲器為例，流體有限元網(wǎng)格如圖8所示。

將流體有限元網(wǎng)格導(dǎo)入CFD軟件中，由于氣流的馬赫數(shù)較低，采用的介質(zhì)材料簡(jiǎn)化為不可壓縮流體，同時(shí)不考慮熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。本文中分別計(jì)算了氣流速度為 30、40、50、60、70、80 和 90m/s時(shí)消聲器內(nèi)部流動(dòng)。圖9和圖10分別為氣流速度為40m/s時(shí)消聲器改進(jìn)前后內(nèi)部流場(chǎng)三維壓力和速度矢量分布圖。

由以上結(jié)果可以看出，原消聲器在第2個(gè)隔板處產(chǎn)生了較大的壓力峰值(圖中畫(huà)圈處)，而改進(jìn)后的消聲器消除了這一現(xiàn)象;改進(jìn)后的消聲器相對(duì)于原消聲器內(nèi)部壓力明顯減小，說(shuō)明改進(jìn)措施對(duì)于改善消聲器內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布具有明顯效果。

為獲取消聲器的壓力損失，在氣流入口和出口處分別設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則可得到不同氣體流速下改進(jìn)前后的消聲器壓力損失，如圖11所示。

可以看出，改進(jìn)后消聲器壓力損失明顯小于原消聲器，隨著氣流速度的增加，壓力損失減小越大，在90m/s時(shí)，壓力損失減小約800Pa。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后消聲器的傳遞損失、壓力損失和內(nèi)流場(chǎng)壓力分布對(duì)比結(jié)果可知，改進(jìn)后的消聲器不僅解決了原消聲器存在的500～600Hz頻段內(nèi)傳遞損失較小的問(wèn)題，而且還改善了內(nèi)流場(chǎng)分布，明顯降低了消聲器的壓力損失，這說(shuō)明所采取的改進(jìn)措施合理有效。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 定置噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的消聲器實(shí)際消聲效果，按照改進(jìn)措施，制作了消聲器樣件，如圖12所示。

將改進(jìn)前后的消聲器安裝到實(shí)車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)。為單純檢驗(yàn)排氣消聲器的效果，進(jìn)行排氣定置噪聲測(cè)試試驗(yàn)，采用1 800～3 000r/min定置升速工況，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照GB/T 14365—93進(jìn)行，麥克布置位置與排氣口成45°，距離排氣口0.5m。

安裝改進(jìn)前后消聲器的排氣定置噪聲對(duì)比結(jié)果如圖13所示。

由圖13可以看出，改進(jìn)后的消聲器消聲效果明顯優(yōu)于原消聲器，并且較好地消除了原消聲器存在的2 000～2 500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲峰值(圖中畫(huà)圈處)，說(shuō)明改進(jìn)措施取得了預(yù)期的降噪效果。

3.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的消聲器對(duì)于實(shí)車(chē)勻加速過(guò)程中的降噪效果，在車(chē)內(nèi)最后排座椅左側(cè)、最后排座椅右側(cè)(靠近排氣出口)和倒數(shù)第二排座椅位置共布置了3個(gè)聲學(xué)麥克，以對(duì)比改進(jìn)消聲器前后的車(chē)內(nèi)噪聲情況，傳感器布置位置如圖14所示。

分別采集改進(jìn)前后3個(gè)測(cè)點(diǎn)處1 200～3 000r/min勻加速過(guò)程中的噪聲數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果如圖15～圖17所示。

通過(guò)以上結(jié)果可以看出，改進(jìn)消聲器后，車(chē)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲明顯下降，具有較好的線性度，沒(méi)有出現(xiàn)新的噪聲峰值;改進(jìn)消聲器后，車(chē)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)2 000～2 500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲峰值被削掉(圖中畫(huà)圈處)，說(shuō)明改進(jìn)措施很好地解決了由于排氣噪聲引起的整車(chē)噪聲偏大的問(wèn)題，同時(shí)也說(shuō)明所采取的改進(jìn)措施合理有效，所采用的分析方法正確。

4 結(jié)論

(1)所采用的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法是正確的，改進(jìn)后的消聲器經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的驗(yàn)證表明該方案可以解決整車(chē)噪聲偏大的問(wèn)題。

(2)所采用的Mechel理論與Sysnoise軟件相結(jié)合的手段獲取復(fù)雜消聲器傳遞損失的方法是一種成本低、結(jié)果可靠的方法，可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

(3)通過(guò)聲學(xué)有限元與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的手段進(jìn)行消聲器的分析與優(yōu)化對(duì)于解決這一類工程實(shí)際問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

［2］ Selamet A，Denia F D，Besa A J.Acoustic Behavior of Circular Dual-chamber Mufflers［J］.J.Sound Vib.，2003，265:967-985.

［3］ Bilawchuk S，F(xiàn)yfe K R.Comparison and Mplementation of the Various Numerical Methods Used for Calculating Transmission Loss in Silencer Systems［J］.Appl Acoust，2003，64:903-916.

［4］ Tsuji T，Tsuchiya T，Kagawa Y.Finite Element and Boundary Element Modeling for the Acoustic Wave Transmission in Mean Flow Medium［J］.J.Sound Vib.，2002，255:849-866.

［5］ Chu C I，Hua H T，Liao I C.Effects of Three-dimensional Modes on Acoustic Performance of Reversal Flow Mufflers with Rectangular Rcross-section［J］.Comput.Struct.，2001，79:883-890.

［6］ Davies P L.Piston Engine Intake and Exhaust System Design［J］.Journal of Sound and Vibration，1996，190:677-712.

［7］ Mehdizadeh Z，Paraschivoiu M.Athree-dimensional Finite Element Approach for Predicting the Transmission Loss in Mufflers and Silencers with No Mean Flow［J］.Appl.Acoust，2005，66:902-918.

［8］ Ji Z L，Ma Q，Zhang Z H.Application of the Boundary Element Method to Predicating Acoustic Performance of Expansion Chamber Mufflers with Mean Flow［J］.J.Sound Vib.，1994，173:57-71.