基于排氣聲品質雙尾管排氣系統優化設計

黃名宗，龐士明，林尚錦，劉淑玉，陸榮英，梁文海

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000;2.廣西艾盛創制科技有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

排氣噪聲包括空氣動力噪聲、氣流沖擊噪聲、結構輻射噪聲和氣流摩擦噪聲等，是汽車最主要的噪聲源[1]；往往比發動機整機噪聲(屏蔽排氣噪聲后)高10～15 dB(A)，其聲品質直接影響整車的舒適性。排氣噪聲聲品質是從產品開發角度提出的一個概念，除了跟聽者自身聽覺感受有關外，還跟產品本身緊密相關。聲品質強調針對某個產品及其消費的目標群體，其聲音要足夠且適度，聽覺特性具有可識別性[2]；其客觀參量有響度、尖銳度、粗糙度，文獻[3]、[4]給出了相應的計算方法；其主觀評價是通過耳朵去評價聲音的好壞，并且需多人評價以消除個體偏好的影響。

為滿足各類駕乘人員對車內、外噪聲品質的不同追求，研發制造具有獨特聲品質的車型已是汽車噪聲、振動、舒適性(NVH)性能研究的主要方向。

1 問題描述

某車型在做整車主觀評價時發現，尾管口的怠速聲壓過高，且存在非常明顯壓迫耳膜感；加速時，排氣噪聲偏大，嚴重影響汽車舒適性，需優化改進?？紤]到目標車排氣系統熱端優化空間小且成本高昂，決定只從排氣系統冷端做優化。排氣系統冷端示意圖見圖1，該排氣系統為雙出尾口設計，其冷端主要結構包括排氣管焊接總成、前消聲器總成及后消聲器總成。進入整車半消室測得目標車怠速工況的噪聲測試結果，如圖2、圖3所示，尾管口怠速噪聲為60.35 dB，比目標值高出2.35 dB；全油門工況時，在2600～4000發動機轉速范圍內，排氣噪聲OA值超出目標曲線。

圖1 排氣系統布置圖

圖2 怠速尾管噪聲1/3倍頻程

圖3 初始方案尾管總聲壓及各階次曲線

2 原因分析

從1/3倍頻程圖在可以看出，18～35 Hz、47～90 Hz頻率范圍內的噪聲對怠速噪聲超標影響較大，需過濾或降低這部分噪聲。按工程經驗，通過加長尾管可有效解決低頻噪聲問題；根據管道聲學理論，空氣動力噪聲頻率可通過尾管的長度進行調節，尾管長度和聲波頻率之間有如下關系[5]：

(1)

其中，f為聲波頻率，單位為Hz；L為尾管聲學長度，單位為mm；C為當地聲速，單位為m/s。聲速計算公式如(2)式所示

(2)

其中，γ為比熱比，排氣噪聲在大氣中傳播，這里γ取值1.4；R為氣體常量，取值287 J/(kg·K)；T為氣體熱力學溫度，單位為K。

針對在2600～4000發動機轉速范圍內，排氣噪聲OA值超出目標曲線，可考慮通過增加排氣背壓以降低噪聲OA值，具體措施可通過增加消聲器隔熱數、減少隔板開孔數或減小消聲器內管直徑實現；進一步分析排氣噪聲的動態彩圖(圖4)，可以發現：該轉速范圍下出現尾管氣流噪聲，750 Hz以上的噪聲對總聲壓貢獻較大，對付這部分中高頻噪聲，增加消聲棉是有效的解決方法。

圖4 初始方案尾管噪聲瀑布圖

3 優化設計

優化設計前消聲器和后消聲器內組件結構，對前消聲器，將內插管管徑減小為φ45 mm，其余結構保持不變，前消聲器的共振腔主要針對中低頻噪聲，吸音棉主要針對高頻噪聲。

對后消聲器，左右兩個消聲器筒體為左右對稱結構的內裝式赫爾姆茲消聲器，利用兩塊隔板分隔成三個腔體，第一腔、第二腔為共振腔，第三腔為擴張腔，氣流通過進氣內插管進入擴張腔，經兩層隔板孔回到第一腔，最后通過出氣內插管排出。在第一腔體的進氣內插管段布置三排小孔φ3 mm的小孔，第一隔板的穿孔數由初始方案的120個減少至100個，同時孔的直徑從φ3.5 mm減為φ3 mm；第二隔板的穿孔數不變，孔的直徑從φ3.5 mm減為φ3 mm；出氣內插管管徑由φ50 mm改為φ45 mm，同時增長30 mm，并在出氣內插管中段增加一個套管，內部填充吸音棉；為進一步提高中高頻消聲能力，第二個腔體內填充100 g消音棉；設計完成后消聲器的內部結構如圖5所示。

圖5 消聲器優化方案

4 試驗測試

根據優化方案制作排氣系統樣件并進入整車半消試驗室測試(圖6)，將測得結果與原方案作比較，如圖7、圖8所示，可以發現，優化后排氣系統的加速噪聲與發動機轉速呈現很好的線性關系，且均在噪聲目標線以下，2000至4000轉速范圍內，尾管氣流噪聲消失；新樣件搭載到發動機臺架進行背壓測試，最大背壓為73.42 kPa，未超背壓限值75 kPa；尾管噪聲和壓力損失均滿足設計要求，同時壓迫耳膜感消失，順利通過整車主觀評價。

圖6 優化方案樣件試驗測試

圖7 發動機臺架背壓測試結果

圖8 優化方案尾管總聲壓及各階次曲線

圖9 優化方案尾管噪聲瀑布圖

5 結語

針對某車型怠速工況及加速工況的排氣聲品質問題，合理優化排氣消聲器結構，順利解決問題，得到以下結論：

1)排氣背壓與排氣噪聲互為一對矛盾體，通過增加隔板數、減少隔板穿孔數、減少穿孔孔徑和管道管徑增加排氣背壓，2600～4000轉速范圍內，排氣噪聲最大降低了9 dB。

2)加長尾管可有效解決低頻壓耳噪聲，延長出氣內管30 mm，壓迫耳膜感消失，優化目標車排氣噪聲聲品質。

3)消聲器填充吸音棉可有效消除尾管氣流750 Hz以上的高頻噪聲。