帶縮口消聲器的聲學性能優(yōu)化改進設計

汪松 曾杰 陳琳 李坤 周榮

（1.重慶大學機械工程學院；2.重慶陵川汽車零部件制造技術有限公司）

發(fā)動機噪聲是汽車噪聲的主要組成部分，而其中排氣噪聲則占了36%[1]，因此降低排氣噪聲是降低整車噪聲的一個有效措施[2]。文章以試驗研究為背景，利用試驗研究和理論仿真分析相結合的方式對某款發(fā)動機的排氣消聲器進行改進設計[3]，探討錐形口結構單元對消聲器內(nèi)部氣流運動狀態(tài)及消聲器消聲性能的影響，確定穿孔率等單元的改進方向[4-6]，驗證了錐形口單元在消聲器研究中的應用狀況。

1 汽車消聲器試驗

1.1 試驗臺架搭建

發(fā)動機臺架試驗臺測試示意圖，如圖1所示。為了準確模擬整車環(huán)境并使發(fā)動機功率輸出穩(wěn)定，測功機與發(fā)動機之間采取軟連接方式。通過發(fā)動機測控系統(tǒng)控制發(fā)動機的運行；通過電渦流測功機測量發(fā)動機的扭矩；由磁敏傳感器監(jiān)視發(fā)動機轉速，保證發(fā)動機的正常工作；排氣尾管口噪聲通過采取尾管口與傳聲器成45°并且間隔0.5 m 的方式測量而得；SCM05 便攜式采集前端通過在消聲器尾口處布置傳聲器來采集發(fā)動機排氣系統(tǒng)尾管噪聲值。

1.2 原消聲器測試結果分析

在發(fā)動機臺架試驗的基礎上，對原消聲器總成及直管進行噪聲及背壓測試，當發(fā)動機轉速穩(wěn)定后得到原消聲器與直管的噪聲頻率特性對照曲線（如圖2所示）和直管與原消聲器性能參數(shù)（如表1所示）。從圖2可以看出，原消聲器在低頻段噪聲較低，降噪效果較好，但在高頻段，特別是10.316 kHz 時，噪聲峰值達到88.32 dB，在試驗過程中能夠明顯聽到尖嘯聲。對于高頻段消聲效果不好的情況，可以考慮在前消中加入吸聲材料。由表1 可知，原消聲器排氣背壓值過大，達到40.8 kPa。觀察原消聲器內(nèi)部結構（如圖3所示）后發(fā)現(xiàn)，在消聲器進氣管出口端有一錐形口結構。

1.3 原消聲器建模與仿真

針對原消聲器排氣背壓值過高的問題，對其進行三維建模，如圖4所示。此消聲器采用常用的3 腔結構，廢氣由左端進氣管進入，部分氣體在第2 腔由進氣管穿孔噴出，通過出氣管穿孔進入出氣管，還有部分氣體直接經(jīng)由第1 腔與第2 腔隔板穿孔進入第1 腔且最后進入出氣管，少部分則通過進氣管錐形口噴出，并通過隔板或出氣管穿孔最終進入出氣管。

將消聲器三維模型導入前處理軟件Hypermesh 中并進行網(wǎng)格劃分，將得到的網(wǎng)格劃分模型導入流體力學仿真分析軟件STAR-CCM+中進行仿真分析，在分析過程中設置消聲器左端進口為質(zhì)量流量入口，其流量為0.063 kg/s，進口溫度為600 ℃，右端出口為標準大氣壓，環(huán)境溫度為40 ℃，傳熱系數(shù)為30.0 W/（m2·K）。

圖5 和圖6 分別示出原消聲器氣流速度和壓力梯度分布云圖。觀察圖5 及圖6 可知，氣流流動主要集中于第1 腔與第2 腔內(nèi)，在進氣管出口處氣流流速急劇變大，馬赫數(shù)偏高，且進氣管出口處壓力梯度過大，最大壓力梯度達到了2.949 3×107Pa/m，初步分析在此高速工況下流動再生噪聲貢獻量較大，可采取優(yōu)化消聲器內(nèi)部結構，改善氣流流動狀態(tài)的方式，提高降噪量并減小背壓值。

2 改進方案及試驗驗證分析

2.1 縮口對消聲器性能的影響

通過上述仿真分析可知，縮口的存在極大地改變了消聲器內(nèi)部氣流場和壓力梯度的分布，造成馬赫數(shù)過大，壓力梯度變化劇烈。為了探究縮口的存在對消聲性能的影響情況，采用GT-POWER軟件對其進行仿真分析。由于GT-POWER 在高頻段會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，其結果失去參考價值，所以初步確定0～2 000 Hz 作為仿真研究對象。設定條件為高溫有氣流的情況下得到傳遞損失，如圖7所示，在460 Hz 以上，帶縮口的結構總體上優(yōu)于不帶縮口的結構，而在100～260 Hz，360～460 Hz及1 710～1 900 Hz 頻率段，不帶縮口的結構要優(yōu)于帶縮口的結構，因此可知縮口結構在2 000 Hz 以下降噪效果較好，但由于縮口結構使通流面積變化較大，導致進氣管出口氣流流速及壓降變化劇烈，易產(chǎn)生氣流再生噪聲并增大排氣背壓。

2.2 改進方案設計

由原消聲器試驗結果可知，在高頻10.316 kHz 附近處存在降噪量不足、噪聲嚴重超標以及排氣背壓值過高的問題，針對縮口對消聲器性能影響的分析，初步確定通過去掉縮口并在前消中添加吸聲材料的方式能減小高頻噪聲；適度增加進氣管上小孔數(shù)量和增加隔板2 上排氣孔數(shù)量，能改善氣流流動狀態(tài)，達到提高去掉縮口結構后低頻段的降噪效果，減小高速氣流再生噪聲值。改進后方案結構示意圖，如圖8所示。

2.3 改進后仿真分析

對改進后消聲器進行仿真分析，其氣流速度和壓力梯度分布云圖，如圖9 和圖10所示。由圖9 和圖10可以看出，在去掉進氣管出口處縮口和相應增加一些穿孔后，消聲器內(nèi)部氣流速度突變較小，特別是在進氣管出口處氣流速度降低，相應的馬赫數(shù)也得到了有效控制，壓力梯度變化均勻，有效降低了高速氣流流動過程中的氣流再生噪聲。

2.4 試驗驗證分析

結構改進后消聲器在相同的試驗工況下，在發(fā)動機轉速穩(wěn)定時測得的性能，如表2所示。從表2 可以看出，改進后排氣背壓值為29.4 kPa，相比改進前降低了11.4 kPa，插入損失也有較大提高。圖11 示出改進前后消聲器與直管噪聲頻率特性，從圖11 可以看出，高頻段噪聲得到了有效的抑制，降噪量增加值最大達到了14 dB，極大地提高了消聲器的各項性能。

表2 改進前后消聲器性能參數(shù)對比

3 結論

1）在去掉縮口結構并增大穿孔率后，有效改善了氣流流動狀態(tài)，降低了壓力梯度和高速氣流導致的脈動噪聲及氣流再生噪聲；

2）目前對于縮口單元的研究很少，縮口結構在一定程度上增大了擴張比，但極大地增加了氣流流動阻力損失，在消聲器設計中應謹慎使用；

3）再生噪聲與氣流運動狀態(tài)緊密聯(lián)系，往往氣流運動狀態(tài)突變劇烈的地方會產(chǎn)生大量的再生噪聲，因此應盡量避免采用具有阻礙氣流流動的結構單元。