汽車阻抗復合型消聲器的設計及性能分析

王 鐵，高金瑞，卜玉帥

（沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧沈陽110159）

汽車阻抗復合型消聲器的設計及性能分析

王 鐵，高金瑞，卜玉帥

（沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧沈陽110159）

汽車消聲器結構具有多種，針對其消聲特點，改變結構設計了一款阻抗復合型消聲器，并基于GT-POWER軟件進行分析，該消聲器在高、低頻處的消聲效果明顯提高。

阻抗復合式消聲器；設計；GT-POWER；性能分析

隨著經濟的發展，噪聲成為人們生活中一大污染源，而排氣噪聲占據主要部分[1]。消聲器的發展是在國外開始，2014年，Min-Chie CHIU[2]等人對簡單擴張式消聲器進行三維波傳播理論研究，使用高階模式分析和評估了抗性消聲器的性能。在國內，2011年，位佳[3]等人將有限元和四端子網絡結合法計算了抗性消聲器的傳遞損失，指出了一維波理論缺陷，并建立了試驗模型來求出插入損失。2014年，左曙光、龍國以及吳旭東[4]等人通過理論模型研究了微穿孔管消聲器聲學性能主要是傳遞損失和隔板之間的關系。

1 阻抗復合型消聲器結構特點及其評價指標

抗性消聲器是一種共振吸聲結構的消聲器，主要是在管道上旁通共振腔或者是使管道的面積發生突變，對于不同頻率的聲波具有選擇性，使得聲波在管道內發生共振，使得大部分能量消耗；阻性消聲器利用阻性材料吸收中高頻處噪聲能量。阻抗復合式消聲器能夠有效降低不同頻率處噪聲。

聲學性能評價指標主要包括傳遞損失（TL）和插入損失（IL），它是降噪能力強弱的有力依據，本文利用GT-POWER軟件進行模擬計算，用傳遞損失來衡量消聲器的消聲效果。

2 基于GT-POWER的建模

GT-POWER是基于計算機技術和數值計算方法所開發的模擬仿真軟件，該軟件功能強大并且含有GEM3D模塊，該模塊能夠很方便地進行消聲器三維模型建立[5]。

2.1 消聲器模型的建立

抗性消聲器中通過相互組合不同的消聲單元可以降低管道內中、低頻處的噪聲。本文設計的消聲器保留了抗性消聲器的優點，通過改變進口管的穿孔率以及改變進出口管在腔室內的長度，對不同頻率聲波進行選擇。該消聲器主軸截面是直徑大小為200 mm的圓形，其中進、排氣管及內插管直徑是50 mm；它總共分為三個腔室，一至三腔的長度為155 mm，130 mm，135 mm，總長為470 mm.第一腔室通過擋板分為上下兩個部分，上部分填滿阻性消聲材料超細玻璃棉，下部分為擴張室；第二腔為共振腔，處于第二腔內的管道上分布有均勻的小孔；第三腔室為擴張腔，該進口管上開有小孔并罩有套筒，里面添加了阻性消聲材料。在第一腔上部的阻性消聲單元中，阻性吸聲材料可以將大部分的高頻聲波進入材料，從而使聲波逐漸消耗殆盡；第一腔下部的擴張室以及第三腔主要是氣流流通的管道截面積突變從而引起擴張比的改變，利用聲波的反射作用，使得聲波相互抵消來降低噪聲量；第三腔中的阻性消聲結構還能夠對管道中的高頻噪聲進一步消除。在GEM3D中完成三維模型的建立，設計出的模型如圖1所示。

圖1 消聲器三維模型圖

2.2 消聲器消聲性能模型的搭建

消聲效果主要通過傳遞損失或插入損失來衡量，本文是基于GT-POWER軟件建立傳遞損失模型來模擬計算該消聲器的消聲性能。傳遞損失模型的搭建主要包括白噪聲發生器、聲壓傳感器、計算模塊等，建立完成后如圖2所示。

圖2 傳遞損失仿真模型圖

2.3 模型傳遞損失計算結果

建立完模型后，要將其三維模型進行離散得到一維模型圖，然后把離散之后的一維模型導入到傳遞損失模型中進行分析。離散長度越小，計算結果越精確，但是相應計算時間也就會更長。離散長度一般是入口端管道直徑的0.6倍，所以長度選擇應合理。在本文中消聲器離散長度選為35 mm，將離散后的模型導入到傳遞損失仿真模型中，通過后處理模擬計算得到的結果如圖3所示。

圖3 傳遞損失模擬計算值

由傳遞損失仿真結果可知，該消聲器對于低頻300~1 000 Hz處消聲效果很好，最高達到了79 dB；在高頻2 000~3 000 Hz處傳遞損失超過了40 dB，最高達到了78 dB，整體消聲效果較優。

3 結束語

本文設計并仿真分析了一款阻抗復合型消聲器，該消聲器能夠很好的兼具了抗性及阻性消聲器的消聲特點，對不同頻率處的消聲效果較好。該消聲器整體傳遞損失較高，尤其在1 800 Hz~3 000 Hz的消聲效果很好，這也彌補了抗性消聲器的短處，提升了消聲器的整體消聲效果，適應了當前社會的需要。

[1]侯獻軍，王天田，田翠翠，等.基于GT-POWER的乘用車消聲器設計[J].北京理工大學學報，2010，30（2）：161-165.

[2]Min-Chie CHIU，Ying-Chun CHANG.An Assessment of High-Order-Mode Analysis and Shape Optimization of Expansion Chamber Mufflers[J].ARCHIVES OF ACOUSTICS，2014，39（4）：489-499.

[3]位佳，陸森林，王彬，等.抗性消聲器插入損失的有限元法的探討[J].機械設計與制造，2011（9）：35-37.

[4]左曙光，龍國，吳旭東，等.隔板對汽車微穿孔管消聲器聲學特性的影響[J].農業工程學報，2014，30（11）：53-59.

[5]白云，陳永光，李寧，等.基于GT-POWER軟件的抗性消聲器性能分析[J].小型內燃機與摩托車，2009，38（5）：72-75.

Car Impedance Compound Muffler Design and Performance Analysis

WANG Tie，GAO Jin-rui，BU Yu-shuai
（School of Automobile and Transportation，Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

There are many kinds of car muffler structure.According to the characteristics of its noise elimination，in this paper，changing an impedance compound muffler structure design，and then based on GT-POWER software performance analysis，the muffler in the high and low frequency noise elimination effect has dramatically improved.

impedance compound muffler；design；GT-POWER；performance analysis

TB535

A

1672-545X（2016）11-0032-02

2016-08-25

王鐵（1969-），男，遼寧沈陽人，博士后，研究生導師，研究方向：車輛現代設計與制造技術。