汽車消聲器聲學性能分析及結構改進建議

盧泉

摘 要：利用聲學分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學計算軟件FLUENT建立模型，對汽車消聲器結構與相關插入損失與傳遞損失進行分析，而后對消聲器聲學進行結構改進與優化，并分析相關優化建議的有效性。

關鍵詞：汽車消聲器；聲學性能分析；結構改進建議

隨著社會的發展與人民生活水平的提高，汽車事業與交通工業迅速發展，汽車逐步變為社會的核心交通工具，如此也產生了越來越多的汽車噪音污染，而隨著人們對生活品質的水平的提高，對汽車質量的需求也在提高，如何減少汽車噪音成為提高汽車技術性能與質量水平的核心指標之一。其中，汽車的主要噪音源是發動機噪音，而發動機的主要噪音源則是排氣噪音源，因而可以降低發動機的排氣噪音、控制汽車的車外噪音的消聲器的設計與改進對控制汽車噪音、提高汽車性能都具有極為重要的意義。

因此消聲器的性能優劣直接影響著汽車性能的好壞。而常見的評價消聲器的消聲性能評價指標主要有聲壓極差、插入損失與傳遞損失等，其中消聲元件的消聲效果的評價指標主要為傳遞指標，而消聲系統的消聲效果的評價指標主要為聲壓極差與插入損失。

一、汽車消聲器聲學性能分析

消聲器分析與研究的早期主要依據的是平面波理論，并在此理論的基礎上發展出消聲器聲學性能分析的主要計算方法，即以平面波理論為基礎的邊界元、有限元法與傳遞矩陣法等。但是，因為汽車排氣消聲器的內部結構均較為繁復，其內部聲場在聲波頻率較高時為三維，因而僅使用一維的平面波理論檢測會產生相應的誤差，于是必須采取二維乃至三維的平面波檢測方法來分析它們的聲學性能。而對于具有復雜的三維結構的消聲器，如果僅是運用傳統的阻力系數理論與平面波理論相關的計算方法，就會產生相對較大的誤差。

因此，隨著計算方法的技術發展，從而產生了消聲器設計的新途徑。利用專業的聲學分析軟件建立消聲器的三維模型，而后運用有限元法進行數值分析與計算，就可以有效的彌補以上各方法的不足。例如，聲學分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學計算軟件FLUENT。

1.運用有限元法進行性能分析

有限元法相對于邊界元法，具有可以大大簡化具有復雜的穿孔結構的內部的消聲器的優點，如此可以大大簡化分析的計算量。

1.1 利用建立聲學有限元模型的方法進行性能分析

對消聲器的結構進行普遍分析，可以發現消聲器的原始幾何模型也是十分復雜的，因此對分析消聲器影響不大的幾何結構特征可以進行相應的簡化，從而對后面建立有限元模型網格創造有利條件。其次，為了避免在建立模型后期時出現局部模型網絡無法等效的情況，對經過相應簡化、重新建立簡單模型的消聲器，建立有限元模型時還需要著重注意相關模塊與模塊之間的有機聯系，必須注意反復調整分解與聯系模塊的方法以追求達到模型的整體等效平衡。在最后，為了能夠控制質量不良的模型網格單元可以在一定的比例內，還必須優化和檢驗三維模型網格每單元的質量。

1.2 運用三維聲學有限元法進行性能分析

根據有限元的聲學相關理論可以得出，在不考慮消聲器位于的相應氣體環境下的氣體的熱傳導性與空氣粘性等因素的條件下，可得氣場的三維波動理論方程為：

▽2p-（1/c02）*（?2p/?2t）=0；

而后通過變分原理可得亥姆霍茲方程：

▽2p+k02p=0，

其中，▽2指的是拉普拉斯算子，k0指的是波數；

然后，運用三維有限元法對消聲器性能進行分析，需要首先利用消聲器周圍的環境氣體建立起離散化模型，而后再利用伽遼金法建立起離散化方程：

∫（{N}▽2{N}T+{N}k2{N}T）{φn}dV=0，

其中，{φn}指的是所有離散節點的速度勢矩陣；

而后，將邊界條件代入上式，即可計算出各離散節點的壓力與速度。

2.消聲器的傳遞損失的性能分析

作為消聲器的評價指標之一的傳遞損失，指的是消聲器進口端與出口端的功率級的差值，而由于進出口的功率級不可以直接進行測量，但是在消聲器的進口端和出口端的管道截面的面積相同時，沿截面聲壓近似為均勻分布，因此消聲器的傳遞損失的數值等于進口端的入射聲壓級減去出口端的投射聲壓級。其表達式為：

TL=LW1-LW2，

其中，TL指的是傳遞損失，LW1指的是進口端的入射聲壓級，LW2指的是出口端的投射聲壓級。

而消聲器的傳遞損失與消聲器的出口端的聲學性能、聲源性能與消聲元件在消聲器系統中的位置無關，而只取決于汽車消聲器元件的截面積、元件的結構與消聲介質的阻抗率。因此分析與評價消聲器的消聲性能是否優越與是否滿足設計要求，運用傳遞損失分析則最為適宜。

它的分析與測量方法主要有脈沖法、兩聲源法、兩負載法與聲波分解法等。其中因為汽車尾氣長期處于高壓、高溫的氣流狀態，對位于這種高溫、高壓情況下的消聲器是無法進行動態的傳遞損失分析與測量的，所以對于這種情況下的消聲器只能運用靜態的傳遞損失方法進行分析與測量。

消聲器的傳遞損失的分析與測量方法主要為靜態的四傳聲器法的測量方法。其主要采取的是直接通過多通道數據采集與信號分析儀進行分析與測量。而使用多通道數據采集與信號分析儀的主要方法、步驟為：首先：在分析儀的信號輸出端輸出在一定電壓信號的頻率范圍內進行掃頻或者按照1/1倍頻率或1/3倍頻率的電壓信號的中心變化頻率，而后經由功率放大器將其頻率輸送到揚聲器內，從而在揚聲器中轉化為相應頻率的聲波，然后將其在測試管中進行傳播。

二、消聲器聲學結構改進與優化建議

1.改進與優化消聲器穿孔器的幾何參數

對消聲器的幾何尺寸進行改進與優化，對其進行有效增大，能夠有效增大消聲器的消聲量。然而，首先由于消聲器的裝配空間會對消聲器的幾何尺寸產生限制，因此消聲器的腔體幾何尺寸大都不適合進行改變。其次，增大消聲器的腔體幾何尺寸，也會增大消聲器的傳遞損失。

所以，改進與優化消聲器穿孔板的幾何參數，即在消聲器內部的隔板或管壁上增加許多微小的穿孔，聲波在通過消聲器穿孔板上的這些微小穿孔時，可以造成有效的聲波能量衰減。因此，可以有效減少消聲器穿孔板的幾何參數，可以減少消聲器對壓力損失的影響，而且可以有效改善消聲器在低頻范圍內的消聲性能，因此對提高消聲量更加具有實際意義。

2.確定消聲器穿孔板的阻抗

在消聲器的實際設計中，如果采用大量的微小穿孔，則會大大增加劃分有限元模型網格的工作量。因此，如果想要保存這些微小穿孔，則需要建立以四面體為基礎模型網絡類型的結構化網絡，或者以六面體為基礎模型網絡類型的非結構化網絡加以應對，從而將微小穿孔附近的空氣劃分成為十分細節的網絡。

3.確定有限元模型的邊界條件

消聲器的有限元模型網格在聲學分析軟件LMS Virtual Lab中的邊界條件，主要有消聲器穿孔板內表面與外表面之間的導納與傳遞關系、入口的質點振動速度、入口邊界、出口阻抗與出口邊界，其余的邊界表面則會自動被LMS Virtual Lab 默認為絕熱剛性壁。入口邊界指的是消聲器入口端的包絡面網格單元選中，而出口邊界指的是消聲器出口端的包絡面網格單元選中，其中出口邊界還需要進一步確定它的消聲屬性。如果將消聲器的出口端管道直接通往大氣，則通過出口邊界，聲波可以直接傳播到大氣中。但如果不對消聲器的壁面進行任何處理，因為聲學有限元的模型網格為實體的網格，則傳播到出口邊界時，聲波就會被壁面全部反射回來。

結語：隨著社會科技的發展，出現了新的三維聲學有限元法，例如聲學分析軟件LMS Virtual Lab與流體力學計算軟件FLUENT，為分析消聲器的聲學性能提供了一個更加有效、快速的方法，可以有效對汽車的消聲器的靜態的傳遞損失進行檢測與分析，從而也可以為分析、改進與設計消聲器的聲學性能提供了相應的有效依據。同時，根據相關分析，改進與優化消聲器穿孔器的幾何參數，可以有效提高消聲器的消聲性能與效果。

參考文獻

[1]曾建邦，廖連生，王志萬.汽車排氣消聲器幾何結構參數對其聲學性能的影響[J].華東交通大學學報.2017（6）

[2]張杰山，孟慶勇，許亮.鉸接式自卸車消聲器聲學性能分析與優化[J].建設機械技術與管理.2016，29（12）：73-76

[3]彭菊生.汽車排氣消聲器性能仿真分析與結構改進[J].現代制造工程.2017（12）：86-91

[4]白曉天.半主動阻抗復合式消聲器聲學與空氣動力性能研究[D].沈陽工業大學.2016

[5]褚志剛，陸小華，沈林邦.抗性消聲結構聲腔模態對其消聲特性的影響研究[J].內燃機工程.2016，37（4）：147-154

[6]陳志林，曾國英，趙登峰.汽車排氣消聲裝置的結構與消聲性能分析[J].機械設計與制造.2016（4）：24-27

[7]耿鵬飛，張延超，耿旭貞.汽車排氣系統低頻噪聲分析與結構優化[J].噪聲與振動控制.2016，36（5）：82-85

（作者單位：東風悅達起亞汽車有限公司）