基于GT-power的FSC賽車消聲器優化設計

李昌日　梁毅　聞港　田萬里　付寶貴

摘? 要：針對降低賽車排氣噪音問題，本文使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計算模型，進行了傳遞損失的仿真分析，得到消聲器的傳遞損失曲線，并保證消聲量不下降的情況下進行優化結構設計，通過對比傳遞損失曲線情況，得到較好的傳遞損失結果，可有效提高消聲器的降噪性能。

關鍵詞：消聲器;GT-power;傳遞損失

引言

中國大學生方程式大賽（FSC）是由中國汽車工程學會針對汽車專業及相關專業的在校大學生舉辦的自主設計與制造汽車的比賽[1]。本文針對降低賽車排氣噪音問題，使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計算模型，進行傳遞損失的仿真分析，通過優化結構設計分析結果找到最優的方案。

1.消聲器的聲學特性

1.1消聲器聲學評價指標

降低消除噪聲是消聲器的主要功能之一，消聲器的聲學評價指標為以下三個 [3]。

傳遞損失用TL（Transmission Loss）表示：

TL=10lgWi/Wt=Lwi-Lwt? ? ? ? （1）

其式中：入射聲功率級- Lwi;透射聲功率級- Lwt。

插入損失用IL（Insertion Loss）表示：

IL=Lw1-Lw2 =10lgW1/W2? ? ? ? （2）

其式中：沒有安裝消聲器所測的聲功率為-Lw1;安裝消聲器所測的聲功率為-Lw2。

聲壓級差值指部件中任意兩點間的聲壓級差值，用LD（Level Difference）來表示：

LD=Lp1-Lp2 =20lgP1/P2? ? ? ? ? ?（3）

其式中任意兩點的聲壓級分別為Lp1、Lp2。

2.GT-Power仿真模型

2.1建立發動機仿真計算模型

本文采用GT-power軟件有限體積法建立一維計算模型計算，輸入每個系統模塊的屬性參數，將每個模塊連接即構成本田發動機（CBR600RR）待工作狀態的計算模型[3]。

2.2消聲器設計及容積計算

賽車動力性能與消聲器性能具有絕對性關系，更具經驗數據消聲器的容積與發動機的排量之比應該在10倍左右。選擇阻抗復合型消聲器，抗性前置，阻性消聲器后置，可獲得全頻段的良好消聲效果，降噪效果明顯。

FSC賽事中規則要求噪音：怠速時噪音等級上限為C加權103dB，其他高轉速上限為110dB。根據測量，發動機在無消聲器下，怠速C加權噪聲在112—120dB之間，高轉速11000r/min噪聲在124—128dB之間;目標消聲器傳遞損失須在20dB左右。

根據消聲器容積計算公式（4）為：

（4）

V-消聲器容積，單位：L

n-發動機轉速，單位：r/min

i-發動機缸數

-發動機沖程數

Vst-發動機排量，單位：L

Q-修正系數，可取2-6，消聲器要求級別越高，Q值則取越大。

n取13000r/min，Q取2，計算得V=5.5L

2.3消聲器仿真計算模型建立

利用GT-Power軟件中的GEM3D模塊，根據容積5.5L進行消聲器的3D建模，在界面中添加消聲器殼體、導流管、隔板、穿孔管以及玻璃棉。消聲器殼體為直徑φ114mm，長550mm，總容積為5.5L，前消聲器容積為3.0L，為抗性消聲器類型，主要為消除中低頻噪音;后消聲器容積為2.5L，為阻性消聲器類型，主要為消除高頻噪音。前消聲器與后消聲器用內孔φ38mm的隔板連接，前消聲器由φ38mm與φ50mm的穿孔管重疊布置，后消聲器由玻璃棉包裹內穿孔管布置，其中穿孔管穿孔率為32%，將建立好的消聲器模型設置好進出口然后將消聲器模型離散化。在界面中導入相關元器件模塊，定義頻率、流量、流速、管徑等參數，設置消聲器模型連接口，建立傳遞損失分析主系統模型。

根據建立的消聲器傳遞損失仿真模型計算，得到傳遞損失曲線，消聲量普遍在20dB左右，具有較好的消聲性能，但在733.7HZ頻率處的消聲峰值波動較大，噪聲非常接近規則值，為了減小后期加工誤差等其他意外因素影響導致噪聲不符合規則可能性，733.7HZ頻率處消聲量應進行優化，削弱該頻率下的噪音。

2.4消聲器優化結構設計

針對方案一進行了結構設計上的優化，改進優化的兩個方案如下：方案二在原前消聲器內穿孔管布置改為φ38mm與φ60mm的穿孔管重疊布置;方案三在原前消聲器內穿孔管布置改為φ38mm與φ90mm的穿孔管重疊布置;進行傳遞損失模型計算。通過方案二、方案三傳遞損失曲線可知兩方案都對733.7HZ該頻率處的消聲性能有明顯的改善效果，方案二的優化效果更為明顯，消聲效果整體明顯提高，且其他頻率下的消聲性能都有所改善，極大削弱了該處的噪音，整體提高消聲器的消聲性能，符合優化改進的要求。

3.結語

本文使用GT-power軟件建立了三維消聲器仿真計算模型，完成了消聲器傳遞損失的仿真分析，并在733.7HZ該頻率處的消聲峰值波動較大，噪聲非常接近規則值的問題上進行了優化結構設計，從方案二中得出的傳遞損失曲線可知該方案有效提高了733.7HZ該頻率處的消聲量，極大削弱了該處的噪音，達到設計要求。

參考文獻

[1]? 中國大學生方程式汽車大賽規則2019版[Z].

[2]? 丁吉民，胡光輝，嚴鑫映，左煒晨，何竹革，張利. 基于GT-POWER的汽車消聲器降背壓優化設計[J].汽車實用技術，2017，（1）.

[3]? 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與震動：理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

基金項目：本文系桂林航天工業學院2019年大學生創新創業訓練計劃項目

作者簡介：李昌日（1996.03-），男，漢，廣西博白人，桂林航天工業學院汽車與交通工程學院在讀本科生，主要研究方向：汽車服務工程。