汽車排氣系統消聲器改進設計與分析

羅 靜，堯瀟雪

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引用

當前我國工業技術發展十分迅速，汽車制造業面臨著良好的發展機遇，尤其是汽車工業新技術不斷推陳出新，汽車普及率也逐步提升，極大改變了人們出行方式，為人們工作與生活帶來了便利。但是在汽車排氣系統工作過程中，將不可避免產生噪音，對消音器的優化設計逐步成為汽車工業研究的重點，因此我們要掌握汽車排氣系統消音器的主要類型，結合其運行性能進行分析。在研究中借助GT-Power軟件作出仿真測試，保證對消音器的設計與改進更有針對性，達到減少噪音的目的，也推動我國汽車制造業的進一步發展。

1 汽車排氣系統消聲器常見類型

1.1 抗性消聲器

抗性消聲器主要由聲抗性元件構成，其與交流電路內電抗性元件電容或電感類似，能夠反抗聲壓變化和聲振速度變化，且聲能不會被消耗，能夠貯蓄和反射聲能。汽車排氣系統中使用抗性消聲器，對低中頻噪聲發揮有效消聲作用[1]。該類型消聲器包括擴張室式、共振腔式、微穿孔板式、干涉型等，其特點是不需要用到吸聲材料，借助管道上連接旁接共振腔或截面突變的管道，在聲阻抗失配條件下，聲阻抗突變的界面讓一定頻率范圍內聲波被反射或干涉，從而取得較好消聲效果。

1.2 阻性消聲器

阻性消聲器通過發揮吸聲材料的功能，能夠吸收通道內傳播的噪聲，并讓噪聲逐步衰減。在氣流管道周壁上固定吸聲材料，或根據一定方式在通道內排列，達到消聲的目的[2]。阻性消聲器用于對中高頻噪音的消聲，當前在汽車排氣系統中使用較多，主要類型有直管式、片式、窩峰式、折板式、聲流式、彎管式及迷宮式等。在消聲器內通過噪聲以后，讓阻性消聲器中多孔材料的氣流與纖維振動，在摩擦、粘滯等阻力下，讓部分聲能轉化為熱能后逐步散失，最終實現消聲的目的。

1.3 阻抗復合型消聲器

對阻抗復合型消聲器來說，通過串聯組合阻性消聲與抗性消聲而成，以抗性在前、阻性在后的方式，達到先抵消低頻噪聲、再抵消中高頻噪聲的目的，兼顧兩種消聲器的優點[3]。由于聲波傳播時將表現出反射、繞射、折射和干涉等特點，在消聲量方面并非簡單進行疊加，在汽車排氣系統中應用阻抗復合型消聲器，可以實現對多個頻率范圍噪聲的消除，應用前景較好。

2 汽車排氣系統消聲器改進設計

2.1 消聲器外形尺寸

在對汽車排氣系統消聲器進行改進設計時，主要結合消聲器布置方式，消聲器前、后兩端分別確定為類跑道型和圓形。

2.2 消聲材料

消聲器吸聲材料主要包括玻璃棉、礦渣棉、防水玻璃棉、石棉和工業毛氈等，結合汽車排氣系統溫度與吸聲效果，最終將吸聲材料確定為超細玻璃棉。其具備耐高溫的優點，在1 000℃條件下也能保持性能不變，有利于提升消聲效果，這種材料不僅直徑細、纖維長、重量輕，有著抗凍、耐熱、防蛀等特點[4]。吸聲性能不僅受到吸聲材料的影響，也與其密度、厚度等密切相關，通過適當提升吸聲材料的密度與厚度，能夠保證對中低頻噪音有較好的犧牲效果。在本文中汽車排氣系統消聲器厚度為2 mm、密度為100 kg/m3，能夠讓消聲器結構更加緊湊，減輕重量，提升最終消聲效果。

2.3 消聲器二維設計圖

如圖1所示，為消聲器二維碼設計圖，其具體尺寸已在圖中進行標示。

圖1 消聲器二維設計圖

2.4 消聲器模型建立

應用GT-POWER軟件，在GT-IST界面的工具欄中選擇MUffler模塊，通過點擊File/New，將定義消聲器外殼兩端形狀、坐標位置的窗口點開，完成對外殼鋼板厚度、溫度、初始狀態等定義，再創建殼體兩端尺寸與中間隔板。接下來進行消聲器管件的確定，主要包括進口端直徑、管件長度、壁厚、管件溫度及表面粗糙度等，之后確定同心管長度、厚度、直徑、位置和表面粗糙度等，并一同定義穿心管的各項參數。填充毛料為具備吸聲材料的玻璃棉，定義其屬性等。在創建上述所有消聲器元件后，如圖2所示，為消聲器結構模型。

圖2 消聲器結構模型

2.5 消聲器材料屬性

確定409L材質為汽車排氣系統消音器材料，主要化學成分：C%：0.008，Cr%：11.2，Ti%：0.23；具體特性：低碳409鋼，添加了Ti，焊接性及加工性優秀。

3 汽車排氣系統消聲器性能仿真測試

3.1 消聲器傳遞損失

根據計算傳遞損失量，在Excel中導出結果，并繪制消音器傳遞損失曲線，具體如圖3所示，圖中橫坐標表示消聲頻率（Hz），縱坐標表示消聲量（dB）。因為數據量較大，進行模型導入的過程中，本文將穿孔管默認設置空氣柱為圓柱體立體，頻段范圍為0～3 000 Hz，確定步長為50 Hz，能夠減少數據處理量。結合圖中消音器傳遞損失曲線可知，在低頻150 Hz周圍，端部共振腔讓傳遞損失曲線形成了共振波峰，能夠有效改善1 550 Hz頻率處消聲低谷，同時對2 300 Hz與2 700 Hz兩個高頻處來說，也實現了消聲效果的大幅度提升。通過在消聲器中加入共振腔，可以提升汽車排氣系統消聲器的性能。

圖3 消音器傳遞損失曲線

3.2 消聲器插入損失

在計算消音器插入損失的過程中，通過分析得出其與聲源自身特性密切相關，通過連接發動機模型與消音器，對其前后噪音作出計算，然后通過相同長度的直觀替代消音器，并再次計算噪聲值，分析兩次噪音差值能夠得出最終結果。具體方法如下：首先建立發動機與消聲器的耦合模型，并加入麥克風與壓力傳感器，對汽車排氣系統設置消音器后其排氣噪聲進行測定；然后建立代替消聲器的等長管與發動機耦合模型，并完成測定；在得出兩次仿真試驗數據后，繪制出消音器插入損失與轉速關系圖，具體如圖4所示，并得出消音器最大插入損失值為25 dB（A），發動機工作時轉速在2 000～3 500 r/min的范圍內，此時可以獲得最好的消音效果，然而與規定標準超過24 dB（A）還有較大差距，必須有針對性采取優化設計措施。

圖4 消音器插入損失與轉速關系圖

3.3 消聲器改進設計

在汽車排氣系統消音器優化設計中，主要采取以下方法：第一，提高消音器擴張腔的擴張比，達到有效增強消音器性能的目的。第二，改善消音器在高頻區再生的消音量，主要做法是擴大穿孔范圍，并對穿孔的孔徑進行減小。第三，讓消聲器右側隔板向后移動50mm，從而增加消音材料密度和體積。第四，對消音器管口進行改造，呈喇叭形狀，從而進一步提升其消聲量。在對汽車排氣系統消音器進行優化設計后，在仿真分析中得出插入損失與傳遞損失，能夠得出改進后的消音器傳遞損失提高了2～5 dB（A），且消音器綜合性能與消音效果提高顯著，尤其是在高頻段效果更佳。此外在分析消音器插入損失后，其測試數值在全頻率范圍均達到了規定要求。

4 結語

本文運用了GT-Power軟件分析了汽車排氣系統傳遞損失與插入損失，針對消音器存在的不足提出了改進措施，并得出以下結論：（1）根據理論計算消音器尺寸參數，建立了消音器模型，制定優化設計措施，在對其傳遞損失與插入損失計算后得出總損失在25～67 dB（A）之間。（2）通過對消聲器內部結構等進行改善，能夠在一定程度上提升消聲器性能。（3）借助GT-Power軟件，可以取得較高的仿真度，為汽車排氣系統消音器優化設計提供借鑒，也能夠減少設計時間，達到節約成本的目的。