汽車消聲器改進方案仿真分析

王爽，李曉峰，陳志勇

（1.大連交通大學 車輛工程學院，遼寧 大連 116028；

2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

汽車消聲器改進方案仿真分析

王爽1，李曉峰1，陳志勇2

（1.大連交通大學 車輛工程學院，遼寧 大連 116028；

2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

本研究在發動機加速工況下對消聲器進行噪聲測試，使用聲學有限元軟件 Virtual. Lab對已選定的消聲器進行傳遞損失計算，在對噪聲頻譜和傳遞損失進行分析之后，確定了消聲器傳遞損失需要提高的頻譜段，并針對性地給出兩種改進方案，比較分析得出較優方案，以滿足某汽車生產企業對排氣噪聲的要求。

消聲器；聲學分析；傳遞損失

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-111-04

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車的使用變得越來越普遍，與此同時，汽車噪聲也成為影響人們生活質量的重要問題之一。發動機噪聲是汽車的主要噪聲源，而排氣噪聲作為發動機的最大噪聲源[1-4]，降低排氣噪聲就成為降低汽車噪聲的重要任務。

目前，降低汽車排氣噪聲最主要的手段是安裝消聲器。根據消聲原理與消音器結構，可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合型消聲器三類。抗性消聲器是在消聲器內部通過管道、隔板等部件組成擴張室、共振室等各種消聲單元，使聲波在傳播時發生反射和干涉，降低聲能量，以達到消聲目的?？剐韵暺飨曨l帶有限，通常對低、中頻帶消聲效果好，高頻消聲效果差。阻性消聲器是在消聲器內部排氣管道周圍填充吸聲材料吸收聲能量，以達到消聲目的。阻性消聲器對中、高頻消聲效果好，但很少單獨用作汽車排氣消聲器，通常與抗性消聲器組合使用。阻抗復合型消聲器是用抗性消聲單元和吸聲材料組合構成的消聲器，它具有抗性、阻性消聲器的共同特點，對低、中、高頻噪聲都有很好的消聲效果。

本文以某國產轎車的主消聲器為研究對象，對兩種不同結構的阻抗復合型消聲器進行對比分析，以下分別稱為E5消聲器和L6消聲器。

1 排氣噪聲試驗

1.1 試驗方案

根據GB1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》的規定，汽車噪聲限值是根據汽車加速通過測量區域時的車外噪聲來制定的，因此需對汽車加速工況下的噪聲加以控制[5]。參考GB/T 4759-2009《內燃機排氣消聲器測量方法》，聲學傳感器的布置位置如圖1所示：在排氣尾管同一水平平面內，與尾管軸線呈45度角，且距離排氣口中心50cm處。

圖1(a) 汽車排氣尾管位置

圖1(b) 傳感器布置位置

依據汽車生產企業要求，本研究對E5和L6兩種消聲器在發動機加速工況下進行了噪聲測試。測試儀器包括比利時LMS聲振采集系統、美國GRAS聲學麥克、霍爾轉速傳感器等。試驗工況為3擋全油門加速工況，帶寬為20480Hz。

1.2 試驗結果

測得的加速噪聲曲線如圖2所示，紅線代表測得的總聲壓級曲線，藍線代表噪聲控制線。當發動機轉速在2300rpm左右及超過3000rpm時，使用E5消聲器噪聲值超過該企業給出的噪聲限值標準，但超標不多。當發動機轉速高于2000rpm時，使用L6消聲器噪聲明顯超標。可見，E5消音器在加速工況下的降噪狀況更接近生產企業的要求，因此本研究選擇使用E5消聲器作為原始模型，通過改進消音器結構，降低發動機在加速工況下的排氣噪聲。

圖2 排氣噪聲曲線

圖3為加速工況下E5消聲器的各階噪聲曲線，當轉速在2300rpm左右時，各階次噪聲曲線峰值所對應的轉速和頻率如表1所示，其中6階和8階噪聲超過控制線，對應的頻率為210Hz-240Hz、300-330Hz。當轉速超過3000rpm后，各階噪聲頻率如表2所示，此時的噪聲基本都是低于500Hz的低頻噪聲。因此，需要通過增加消聲器在上述頻率范圍的傳遞損失，來降低排氣噪聲。

圖3 E5消聲器階次曲線

2 原消聲器傳遞損失計算

2.1 傳遞損失的定義

傳遞損失（Transmission Loss）是指消聲器的進口端聲功率與出口端聲功率的差值，通常情況下消聲器進口端與出口端的通道截面相同，聲壓沿著截面近似均勻分布，這時傳遞損失等于進出口端聲壓級和出口端聲壓級之差。其計算式為：

式中，LW1和LW2分別為入射聲壓級和透射聲壓級。傳遞損失僅僅反映消聲器本身的傳遞特性，與消聲器結構有關，而不受管道系統及消聲器出口尾管的影響，即與聲源、消聲器出口端的阻抗無關，是評價消聲元件消聲效果最簡單的一種方法。

2.2 有限元網格劃分

如圖4所示，兩種消聲器的結構基本相同，都有3個隔板和4個腔體，最主要的區別是L6消聲器內部的第三塊隔板前移，導致消聲器第三腔體容積變小，第四腔體容積變大。但是E5消聲器的消聲效果更好，因此對E5消聲器結構進行優化，增加210Hz-240Hz和300-330Hz范圍噪聲的傳遞損失。

圖4 E5消聲器結構圖

將消聲器結構保存為STP格式，并導入到Hypermesh中，幾何清理后生成消聲器內部空腔實體，并對空腔劃分網格。消聲器內部有許多小孔，導致網格數量較多，共有150萬左右網格，類型為四面體網格，網格大小為1mm-8mm。劃分后的網格如圖5所示。

圖5 消聲器有限元網格

2.3 傳遞損失仿真計算

排氣消聲器作為提高汽車聲學性能的關鍵部件，且傳遞損失僅反映消聲器本身的傳遞特性[6]，采用合理有效的方法準確獲取其傳聲損失，是對消聲器進行結構設計、性能分析及優化改進的重要依據。將有限元網格導入到聲學有限元軟件Virtual.Lab中，對E5消聲器進行噪聲傳遞損失計算[7]。

2.3.1 邊界條件

傳遞損失是消聲器的固有屬性，所以可以通過在消聲器入口添加單位振動速度來計算出口處的聲壓響應從而得到傳遞損失。整個消聲器為剛性壁管組成，所以聲波不會由管壁透出，只會在管壁位置發生完全反射，只有出口位置會使聲波透出，為代表出口與外界大氣相通可以將出口位置的阻抗設為與大氣阻抗相同。

設置邊界條件：

（1）入口邊界條件：入射波為平面波，在入口處施加單位振動速度υ=-1m/s。

（2）出口邊界條件：在出口處施加無反射邊界條件，即在出口處定義聲阻抗。

（3）壁面邊界條件：不考慮壁面吸收，認為壁面是剛性壁面。

2.3.2 溫度條件

對于空氣，常溫下聲速為340m/s，密度為1.225Kg/m3，但是發動機排出的廢氣溫度較高，渦輪增壓器后的廢氣溫度為522℃，經過排氣管道后溫度逐漸降低，設廢氣流經消聲器時的溫度為460℃，此時流速為646.07m/s，密度為0.3393Kg/m3。

2.3.3 吸聲材料處理

消聲器第二腔體內填充玻璃刺絲吸聲材料，因為其吸聲參數未知，且吸聲材料主要吸收高頻噪聲，對低頻噪聲效果不明顯，故忽略吸聲材料，將第三空腔全部設為空氣屬性。

2.4 仿真結果

計算結果如圖6所示，可以看出，在1000Hz以內，A1消聲器總體的消聲效果比A2要好，和試驗結果一致，說明傳遞損失的仿真結果是可信的。

E5消聲器在頻率為210-300Hz時存在一個波谷，該頻率范圍的噪聲衰減量較小。因此需要優化原消聲器結構，提高頻譜段為100Hz-500Hz的噪聲傳遞損失。

圖6 消聲器傳遞損失曲線

3 改進方案

3.1 改進結構

通過對以上頻譜和傳遞損失的分析，確定了本次研究主要的任務是提高原始消聲器結構頻譜段為100Hz-500Hz的噪聲傳遞損失。由于消聲器的低頻噪聲主要由其結構決定[8]，經過多次修改和仿真計算，本研究給出如下兩種改進方案。

方案1：增加赫姆霍茲共振腔

圖7 消聲器改進結構-方案1

方案2：去除第三塊隔板

圖8 消聲器改進結構-方案2

3.2 改進效果分析

方案1中，200Hz-500Hz范圍內的傳遞損失均優于原始結構，但100Hz-200Hz范圍內傳遞損失遠小于原始結構。由表1和表2可知，頻率為200Hz-500Hz的噪聲占多數，故從仿真結果來看，此方案可以參考。

圖9 改進前后的傳遞損失曲線

方案2中，200Hz-350Hz范圍內的傳遞損失均優于原始結構，但是100Hz-200Hz和350Hz-500Hz范圍內傳遞損失小于原始結構。

綜合考慮，方案1的效果更理想。

4 結論

本研究在發動機加速工況下對E5、L6型消聲器進行了排氣噪聲測試，選定E5型消聲器作為原始模型，并運用Virtual. Lab軟件對該型消聲器進行傳遞損失計算，確定了本次研究的主要任務為提高原消聲器結構在100Hz-500Hz頻譜段的噪聲傳遞損失。經過多次修改和仿真計算，提出增加赫姆霍茲共振腔方案和去除第三塊隔板方案，并對兩種方案的傳遞損失進行計算。結果顯示第一套方案的效果更符合汽車生產企業要求。

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Acoustic performance simulation analysis and structural optimization of automobile muffler

Wang Shuang1, Li Xiaofeng1, Chen Zhiyong2
( 1.Dalian Jiaotong University Vehicle engineering institute, Liaoning Dalian 116028; 2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control of Jilin University, Jilin Changchun 130022）

In this study, the noise of the muffler is tested under the condition of engine acceleration, and the acoustics finite element software Virtual. Lab is used to calculating the transmission loss of the selected muffler. By analyzing the spectrum and transmission loss, the spectrum segment of the transmission loss of the muffler is determined. Giving two improved schemes in a targeted way, and choice the better one by comparing and analyzing, to satisfy the exhaust noise requirements of a car enterprise.

muffler; acoustics analysis; transmission loss

U467.3 標識碼：A

1671-7988 (2017)15-111-04

王爽，大連交通大學、碩士在讀、研究方向為車輛結構設計與現代設計方法。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.041