基于整車噪聲控制的消聲器分析與改進*

侯鎖軍，杜艷霞

(1.河南機電高等專科學校，新鄉 453000;2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022;3.河南交通職業技術學院汽車工程系，鄭州 450045)

前言

排氣系統作為汽車上最主要的噪聲源之一，對于整車的噪聲具有非常大的影響［1-2］。排氣消聲器是汽車普遍采用的消聲元件，其主要功能就是衰減排氣系統產生的某個頻率或某個頻段的噪聲。消聲效果的評價主要采用傳遞損失、插入損失、聲壓級差值和聲壓級4個指標。由于傳遞損失可以有針對性地評價單個消聲器的效果，所以在消聲器設計、改進和優化過程中被普遍采用［3］。空氣在流過消聲器時會受到阻力，導致消聲器兩端產生壓差，也就是所謂的壓力損失，如果壓力損失過大會導致發動機功率降低，噪聲增加，所以一個好的消聲器應該具有較小的壓力損失。

消聲器壓力損失早期主要是通過試驗手段獲取，目前，隨著計算流體力學(CFD)技術的成熟和計算機技術的發展，依靠CFD分析獲取壓力損失已經被廣泛采用，分析精度也被行業廣泛認可［4-5］。

消聲器傳遞損失可以通過仿真計算和試驗兩種手段獲得［6-8］，試驗獲取的傳遞損失結果較為準確，但是它對試驗設備和試驗條件的要求較高。仿真計算所需成本較低，且具有快速省時的特點，但它僅能在結構簡單的消聲器計算中得到較好的結果，對于包含多個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確獲取復雜結構消聲器傳遞損失的建模仿真方法對于消聲器的設計優化和整車噪聲控制都具有重要意義。

某國產輕型客車開發過程中在2 000～2 500r/min勻加速過程中后排噪聲較大，嚴重影響了后排乘員的舒適性。通過試驗分析發現，引起這一現象的噪聲主要頻率為500～600Hz，判斷這一現象是由排氣噪聲引起的。為改善這一問題，首先采用Hyper-Mesh軟件建立了消聲器的有限元模型，然后導入Sysnoise軟件中，引入Mechel理論模型，獲取了該消聲器的傳遞損失結果，并與試驗結果進行對比，驗證了模型的正確性。其次根據分析結果對消聲器進行了改進，并進行了壓力損失分析。最后將改進后的消聲器裝車進行對比試驗驗證。結果證明了改進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、兩個中間消聲管和消聲器外殼組成，其結構示意圖如圖1所示。材質均為1.5mm厚鋼板。消聲器總體長度為820mm，直徑為220mm，前消聲管直徑為68mm，均布有210個直徑為4mm的小孔，中間消聲管直徑為48mm，均布有140個直徑為5mm的小孔，后消聲管直徑為68mm，均布有228個直徑為4mm的小孔。

1.2 穿孔管阻抗計算

復雜消聲器往往包含數量眾多的小孔，由于這些小孔的存在使劃分有限元網格變得異常困難，且很難保證網格質量，為解決這一問題，本文中采用Mechel理論模型計算穿孔管的阻抗值［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用Mechel理論模型計算阻抗的方法。

圖2中L為孔間距，2r為小孔直徑，h為穿孔管壁厚，則每個穿孔管的阻抗值為

則根據Mechel理論，當滿足條件h≤4r時，式(1)中的實部和虛部分別為

式中:ω為頻率;η為空氣動力學黏度;ρ0為空氣密度;ε為小孔在穿孔管表面所占面積的比值，其計算結果與小孔的分布形狀有關。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體模型，如圖3所示，然后導入Hyper-Mesh中進行有限元網格的劃分，網格劃分過程中將消聲管上的小孔去掉，僅劃分4個消聲管和去除消聲管后消聲器的三維空腔實體網格，這幾部分網格單獨進行劃分，網格之間不連通。為保證網格質量，所有網格均采用六面體網格，關注的頻率段為500～600Hz，故分析頻率設在1 000Hz即可，根據聲音的傳播速度，最終確定有限元模型的單元尺寸為5mm，得到消聲器聲學有限元網格包括前消聲管A、消聲器B、中間消聲管C和后消聲管D 4個部分，如圖4所示。

1.4 傳遞損失計算、驗證和分析

消聲器聲學有限元網格導入聲學軟件Sysnoise中進行邊界條件設置，將計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格。在A部分的進氣口處定義一個單位速度邊界條件，在D部分的出氣口處定義一個全吸聲邊界條件，并對相應流體屬性進行設置后在Sysnoise中進行仿真計算，得到該消聲器的傳遞損失。

為檢驗上述方法的精度，在半消聲室中進行了該消聲器傳遞損失試驗。圖5為試驗測試示意圖，試驗采用LMS Test.lab前端作為采集設備，采用PCB麥克和功率放大器，體積聲源采用E-MHFVVS中高頻設備。測量時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算結果與試驗結果對比如圖6所示。

從圖6中可以看出:①仿真計算結果與試驗結果吻合較好，說明采用的Mechel理論與Sysnoise軟件相結合獲取消聲器傳遞損失的方法具有較高精度，可以用于復雜結構消聲器的傳遞損失計算;②從傳遞損失結果中可以看出，該消聲器在500～600Hz頻段內傳遞損失較小(圖中畫圈處)，從而導致該頻段內的排氣噪聲較大，這與整車試驗結果一致，同時也為改進措施的制定提供了方向。

2 消聲器的改進與驗證

2.1 消聲器的改進

為解決該消聲器在500～600Hz頻段內傳遞損失較小這一問題，對該消聲器制定了有針對性的改進措施，如表1所示。

表1 消聲器改進措施

2.2 傳遞損失驗證

為驗證改進措施的效果，分別計算了改進前后消聲器的阻抗值，并在Sysnoise軟件中獲取了傳遞損失對比結果，如圖7所示。

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

2.3 壓力損失驗證

為進一步驗證改進措施的有效性和合理性，采用CFD軟件對改進前后的消聲器進行內部流場分析，驗證改進措施對于壓力損失的影響。

首先采用Hyper-Mesh軟件對改進前后的消聲器所包絡的空腔進行流體有限元網格的劃分。網格單元大部分采用六面體網格，局部采用四面體網格。為提高計算精度，在消聲管小孔附近進行網格細化，共劃分約380萬網格單元，以改進前消聲器為例，流體有限元網格如圖8所示。

將流體有限元網格導入CFD軟件中，由于氣流的馬赫數較低，采用的介質材料簡化為不可壓縮流體，同時不考慮熱傳導現象。本文中分別計算了氣流速度為 30、40、50、60、70、80 和 90m/s時消聲器內部流動。圖9和圖10分別為氣流速度為40m/s時消聲器改進前后內部流場三維壓力和速度矢量分布圖。

由以上結果可以看出，原消聲器在第2個隔板處產生了較大的壓力峰值(圖中畫圈處)，而改進后的消聲器消除了這一現象;改進后的消聲器相對于原消聲器內部壓力明顯減小，說明改進措施對于改善消聲器內流場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置壓力監測點，則可得到不同氣體流速下改進前后的消聲器壓力損失，如圖11所示。

可以看出，改進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，壓力損失減小約800Pa。

通過對改進前后消聲器的傳遞損失、壓力損失和內流場壓力分布對比結果可知，改進后的消聲器不僅解決了原消聲器存在的500～600Hz頻段內傳遞損失較小的問題，而且還改善了內流場分布，明顯降低了消聲器的壓力損失，這說明所采取的改進措施合理有效。

3 試驗驗證及分析

3.1 定置噪聲試驗驗證

為驗證改進后的消聲器實際消聲效果，按照改進措施，制作了消聲器樣件，如圖12所示。

將改進前后的消聲器安裝到實車上進行試驗。為單純檢驗排氣消聲器的效果，進行排氣定置噪聲測試試驗，采用1 800～3 000r/min定置升速工況，試驗過程嚴格按照GB/T 14365—93進行，麥克布置位置與排氣口成45°，距離排氣口0.5m。

安裝改進前后消聲器的排氣定置噪聲對比結果如圖13所示。

由圖13可以看出，改進后的消聲器消聲效果明顯優于原消聲器，并且較好地消除了原消聲器存在的2 000～2 500r/min轉速范圍內的噪聲峰值(圖中畫圈處)，說明改進措施取得了預期的降噪效果。

3.2 實車試驗驗證

為驗證改進后的消聲器對于實車勻加速過程中的降噪效果，在車內最后排座椅左側、最后排座椅右側(靠近排氣出口)和倒數第二排座椅位置共布置了3個聲學麥克，以對比改進消聲器前后的車內噪聲情況，傳感器布置位置如圖14所示。

分別采集改進前后3個測點處1 200～3 000r/min勻加速過程中的噪聲數據，對比結果如圖15～圖17所示。

通過以上結果可以看出，改進消聲器后，車內各測點噪聲明顯下降，具有較好的線性度，沒有出現新的噪聲峰值;改進消聲器后，車內各測點2 000～2 500r/min轉速范圍內的噪聲峰值被削掉(圖中畫圈處)，說明改進措施很好地解決了由于排氣噪聲引起的整車噪聲偏大的問題，同時也說明所采取的改進措施合理有效，所采用的分析方法正確。

4 結論

(1)所采用的改進設計方法是正確的，改進后的消聲器經過對比試驗的驗證表明該方案可以解決整車噪聲偏大的問題。

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

(3)通過聲學有限元與計算流體動力學相結合的手段進行消聲器的分析與優化對于解決這一類工程實際問題具有重要的實用價值。

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