基于GT-Power的消聲器聲學(xué)性能分析計算

湯鴻明，楊永平，胡孝明，王金輝

（陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動化實驗室，陜西 漢中723000）

面對同級別車型激烈的市場競爭，以及愈發(fā)挑剔的消費(fèi)者。汽車的NVH性能已經(jīng)逐步成為影響汽車性能的重要指標(biāo)之一[1]，整車及零部件企業(yè)對振動及噪聲的研究也愈發(fā)重視和深入。汽車排氣系統(tǒng)噪聲由空氣動力噪聲，輻射噪聲以及沖擊噪聲組成，排氣系統(tǒng)噪聲是由排氣系統(tǒng)內(nèi)部氣體擾動及氣體與壁面之間的相互作用產(chǎn)生的，在整車噪聲中占有較大的比重。早期的汽車發(fā)動機(jī)功率比較低，其實NVH性能并不突出，隨著人們對汽車動力性的追求，高速公路的不斷發(fā)展，車速不斷提高，振動與噪聲問題也逐漸凸顯出來，同時政府法規(guī)對汽車噪聲的要求也越來越嚴(yán)苛。所以開發(fā)消聲性能良好，結(jié)構(gòu)可靠，價格低廉的優(yōu)質(zhì)消聲器成為各大消聲器OEM供應(yīng)商的當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)消聲器設(shè)計方法是經(jīng)驗與實驗相結(jié)合，開發(fā)成本大，開發(fā)周期長。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，消聲器的開發(fā)與設(shè)計有了新的途徑。本文基于GT-Power軟件對消聲器進(jìn)行傳遞損失計算[2-3]，通過仿真分析共振腔進(jìn)氣管道不同穿孔率的傳遞損失，選擇合適的穿孔率使消聲器在較寬的頻率范圍內(nèi)保持理想的傳遞損失值。傳遞損失不包括聲源以及管道終端的聲學(xué)特性，它只與消聲器自身結(jié)構(gòu)相關(guān)，在單獨(dú)評價消聲器消音性能時最常用的性能指標(biāo)就是傳遞損失。傳遞損失是評價消音器最簡單最直接最有效的方法。

1 理論分析

GT-Power以一維CFD計算為基礎(chǔ)，采用有限體積法進(jìn)行流體的能量方程，動量方程，連續(xù)性方程和熱力學(xué)方程計算。GT-SUITE下模塊GEM3D有強(qiáng)大的輔助建模功能，自帶有優(yōu)化設(shè)計功能，能進(jìn)行直接優(yōu)化、能進(jìn)行進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪音分析，能對進(jìn)、排氣系統(tǒng)的消音元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該模塊能定義各種形狀的消聲器外殼形狀，流體的初始狀態(tài)及消聲器殼體的厚度及溫度。以及建立消聲器各部件的數(shù)學(xué)模型，如穿孔管、Y-管、彎管、隔板、直通管、重疊管、吸聲材料等。仿真流程圖如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

傳遞損失理論分析：傳遞損失即聲音經(jīng)過消音元件后聲音能量的衰減，即入射升功率級和透射聲功率級的差值。傳遞損失用TL（Transmission Loss）表示：

式中：TL為升功率傳遞損失；LW1、LW2為消聲器入口和出口的升功率級；

W1、W2為消聲器入口處和出口處的升功率；p1、p2為消聲器入口處和出口處的聲壓。

傳遞損失特點(diǎn)：一是，不包括管道終結(jié)端和聲源的聲學(xué)特性，只與自身的形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)；二是，在評價單個消聲元件的消聲效果性能時，通常用傳遞損失；三是，傳遞損失是評價消聲元件消聲效果最簡單實用的一種方法。

消聲器三維模型的建立：

（1）排氣管內(nèi)徑的確定：在結(jié)構(gòu)空間布置允許的情況下，排氣管內(nèi)徑應(yīng)盡可能大，以減少管道內(nèi)氣流阻力產(chǎn)生的排氣噪聲和壓力損失，降低管道內(nèi)的氣體流速，排氣管內(nèi)徑一般遵循的原則應(yīng)不小于發(fā)動機(jī)排氣支管出口內(nèi)徑。也可以根據(jù)發(fā)動機(jī)排量等參數(shù)，按公式（2）計算初步確定排氣管內(nèi)徑。

式中Q代表發(fā)動機(jī)排量，π為常數(shù)，ν為管道內(nèi)氣體流速，一般為50~60 m/s.

（2）消聲器的容積計算：在布置空間允許的情況下，排氣管內(nèi)徑一定其容積越大插入損失越大。普通乘用車消聲器容積以氣缸排量的10倍為宜。在容積確定的情況下優(yōu)化調(diào)整消聲器內(nèi)部擋板、孔、管、腔等的位置，可一定程度上減小發(fā)動機(jī)的壓力損失，對于采用雙級消聲器的排氣系統(tǒng)，前置消聲器容積需達(dá)到發(fā)動機(jī)排量的2倍以上，此時的消聲器容積等于前置消聲器容積與后置消聲器容積之和。公式（3）是某知名汽車公司采用的消聲器容積計算公式。

其中：Q為系數(shù)，取5~6；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；Vn為發(fā)動機(jī)排量；T為沖程數(shù)；N為氣缸數(shù)；

（3）消聲器的長徑比確定：當(dāng)消聲器容積固定時，調(diào)整其長度與內(nèi)徑，L/D比值越小，截面積擴(kuò)張比越大，空腔越扁平，噪聲衰減量也隨之增大，但消聲頻率范圍變得窄。因此，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)拈L徑比。推薦值為3

圖2 消聲器模型

離散后的消聲器GT-Power分析模型如圖3所示。

圖3 離散后的消聲器GT-Power分析模型

2 消聲器實驗仿真

本文的聲學(xué)性能分析計算主要是指傳遞損失計算，將消音器離散模型與發(fā)動機(jī)工況的模型結(jié)合起來，同時加上傳遞損失建立消聲器聲學(xué)仿真分析的計算模型。圖4是消聲器聲學(xué)仿真分析模型。圖中speaker是白噪聲發(fā)生器，聲源模塊，可以對聲源的激發(fā)頻率進(jìn)行設(shè)置，以驗證消聲結(jié)構(gòu)對不同頻率段的吸收情況，由于不需要對發(fā)動機(jī)工況進(jìn)行運(yùn)算，因而運(yùn)算速度較快。pipe01和pipe02是排氣管道，Muffler是消聲器離散模型，Anechoic是消聲終端，吸收所有排氣噪聲，pres-sens1~pres-sens4是4個聲壓傳感器，TransLoss是傳遞損失計算模塊。該計算模型通過4個外置聲壓傳感器之間的自相關(guān)譜和互相關(guān)譜得到聲功率級之差來計算傳遞損失。具體方法是通過把4個測量點(diǎn)的壓力波動信號分解成向前的入射波和向后的反射波兩部分，根據(jù)聲波傳播的波動方程，分別在系統(tǒng)的兩個位置：消聲元件的上游，消聲元件的下游進(jìn)行這種分解，求解出上游的入射聲壓和下游的透射聲壓，再根據(jù)自相關(guān)和互相關(guān)譜得到聲功率級之差。上游和下游的兩組麥克風(fēng)必須距離很近，相距1～2離散長度。

圖4 消聲器聲學(xué)仿真分析模型

并且聲壓傳感器必須與消聲元件的進(jìn)口和出口很近，使摩擦和熱傳遞對傳遞損失的影響降到最低。

3 仿真計算及結(jié)果分析

運(yùn)用GT-Power對上面建立的消聲器聲學(xué)仿真模型進(jìn)行計算分析得到六條傳遞損失與穿孔率關(guān)系曲線，對GT-Power而言，對頻率在3 000 Hz以下的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，最大值為3 150 Hz，因此計算頻率區(qū)域定為0~3 000 Hz，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并通過MATLAB將六條曲線整合在一起得到圖5，圖中分析結(jié)果是基于消聲器的三維模型，進(jìn)氣端共振室穿孔管穿孔直徑為 2.5 mm，穿孔數(shù)目分別為50、100、150、200、250、300.其他參數(shù)均不變。

從圖5中可以看出在整個頻率計算區(qū)段各曲線均呈現(xiàn)出六個峰值，在1 600 Hz時傳遞損失達(dá)到最大值，最大峰值出現(xiàn)在穿孔數(shù)為200.在頻率低于600 Hz時傳遞損失隨著穿孔數(shù)增加而降低，在中頻段600 Hz~1 800 Hz時穿孔數(shù)為150和200時有較高的傳遞損失，在較少或較多的穿孔數(shù)時傳遞損失均較低。在較高頻率范圍1 800 Hz~2 300 Hz時六種穿孔數(shù)下的傳遞損失數(shù)值基本一致，在高頻段2 300 Hz~3 000 Hz范圍內(nèi)穿孔數(shù)越多傳遞損失越大，但是穿孔數(shù)越多對應(yīng)的峰值向高頻方向移動。計算結(jié)果為汽車發(fā)動機(jī)選擇與之相匹配的消聲器提供了理論依據(jù)，同時也為消聲器的設(shè)計提供參考。

圖5 傳遞損失與穿孔率關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

通過計算確定消聲器幾何模型，并模擬固定容積固定形狀下不同穿孔率的消聲器傳遞損失，可以得出以下結(jié)論：

（1）穿孔數(shù)基本不影響傳遞損失曲線的走向趨勢，影響的是傳遞損失的幅值，在不同頻率帶影響程度不同，并且傳遞損失峰值所對應(yīng)的頻率也隨著穿孔率改變。

（2）在整個頻率范圍內(nèi)綜合考慮穿孔數(shù)在100~150范圍內(nèi)較佳，在較大的傳遞損失值時對應(yīng)的頻率頻帶較寬，消聲效果較好。

（3）根據(jù)發(fā)動機(jī)主要噪聲成分的頻率范圍選擇合適的消聲器，使發(fā)動機(jī)與消聲器良好匹配，達(dá)到理想的消聲效果。

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