基于GT-Power優(yōu)化排氣系統(tǒng)階次轟鳴噪聲

林勝，段龍楊，翁建生,2，吳趙生

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術中心NVH實驗室，江西 南昌 330000；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016）

前沿

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，人們對汽車噪聲要求越來越嚴格。汽車排氣噪聲是汽車的主要噪聲源，采用結構合理的排氣消聲器是降低排氣噪聲最有效的方法。由于排氣消聲器聲學性能與發(fā)動機的工作狀態(tài)有密切的關系，傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)傳遞損失不能完全滿足排氣NVH設計要求[1]。隨著數(shù)值模擬技術的高速發(fā)展，一維GT-Power仿真軟件為消聲器NVH性能設計的提供了支持。實踐證明，這種一維模型在計算排氣尾管噪聲特別是低于1000 Hz的中低頻噪聲時有相當高的精確度[2]。

本文分析了某款車內低速轟鳴噪音的來源，對排氣尾管轟鳴的產(chǎn)生機理進行了探討，并且通過模擬分析與整車尾管噪聲試驗相結合的方法，消除了排氣尾管產(chǎn)生的轟鳴，提升了車內NVH的舒適性。

1 問題描述

進行整車噪聲評價試驗時，車輛在3檔全油門加速，轉速在1500 rpm附近時，車內后排位置有較明顯的轟鳴聲。對排氣系統(tǒng)基礎狀態(tài)樣件進行排查測試，從排氣尾管噪聲的階次切片圖1中可以看出2階在1500 rpm附近存在峰值。通過噪聲回放及增加絕對消聲器后對比，斷定車內轟鳴的主要貢獻來自排氣系統(tǒng)尾管噪聲。

圖1 實測排氣系統(tǒng)基礎狀態(tài)OA及2階數(shù)據(jù)

2 轟鳴產(chǎn)生機理

排氣尾管噪聲主要包括空氣噪聲，沖擊噪聲，輻射噪聲以及氣流噪聲等。本文的排氣尾管轟鳴主要是基頻空氣噪聲，發(fā)動機在工作時候產(chǎn)生壓力波，這種壓力波在排氣管道中傳播而形成基頻空氣噪聲。基頻空氣噪聲的頻率可由下面公式計算[3]：

其中，z=內燃機氣缸數(shù)；n=內燃機轉速；t=行程系數(shù)。

某車型排氣系統(tǒng)基礎狀態(tài)在轉速1500rpm附近存在明顯的轟鳴聲，故該基頻空氣噪聲的頻率為：

3 分析模型建立

3.1 發(fā)動機模型建立

GT-power 所應用的是一維流體假設的動力學模型，它綜合了發(fā)動機性能的分析模塊，并幾乎包含了發(fā)動機所有關鍵工況的細節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動機不同工況的性能變化[4]。

圖2 某車型發(fā)動機GT模型

建立發(fā)動機的仿真模型，根據(jù)模型計算得到外特性不同轉速下發(fā)動機的功率、轉矩和燃油消耗率，并與臺架試驗的結果進行比較。發(fā)動機功率、轉矩和燃油消耗率數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)誤差控制在 5%以內，說明所建立的模型能夠真實地反映發(fā)動機的工作工程[5]。

圖2為某車型發(fā)動機GT-Power模型。

3.2 發(fā)動機模型對標

進行優(yōu)化分析前需要利用 GT-Power軟件進行整機外特性進行對標，確保模型的準確性。GT-Power扭矩曲線、功率曲線、渦后溫度、渦后壓力與實驗結果基本一致(圖3-6)，在低、高速段曲線捏合較好，在中轉速（2500-3000rpm）功率和扭矩略低于實驗值，但是誤差值均在 5%以內，該發(fā)動機模型達到較高的計算精度。

圖3 扭矩曲線對比

圖4 功率曲線對比

圖5 渦后溫度曲線對比

圖6 渦后壓力曲線對比

3.3 排氣系統(tǒng)模型建立

根據(jù)發(fā)動機排量，對主、副消聲器的消聲容積、進出口管徑尺寸等進行計算，完成對排氣消聲器的初步設計。排氣系統(tǒng)后消是阻、抗式組合復雜消聲器。

對照消聲器的三維Catia模型，利用GT-SUIT進行消聲器三維建模，逐步建立消聲器的外部輪廓、消聲器的隔板、隔板的穿孔數(shù)目、消聲器內部管道及小孔、套筒等。圖7為基礎狀態(tài)的排氣系統(tǒng)后消模型。圖8為排氣系統(tǒng)GT模型。

圖7 排氣系統(tǒng)后消基礎模型

圖8 排氣系統(tǒng)GT模型

3.4 排氣基礎狀態(tài)模型對標

圖9 實測與仿真2階噪聲對比

圖10 實測與仿真4階噪聲對比

圖11 實測與仿真6階噪聲對比

為了獲得高精度的排氣系統(tǒng)模型，必須對排氣系統(tǒng)的管壁溫度、內部壓力，外部環(huán)境溫度、壓力，高頻管吸音棉等參數(shù)進行合理的設計。并把排氣系統(tǒng)模型與發(fā)動機模型、進氣系統(tǒng)模型一起搭建形成 GT-power系統(tǒng)模型，分析排氣系統(tǒng)的階次噪聲，對標實測與GT仿真結果，以獲得高精度的仿真分析模型。其中由于 GT-power屬于一維分析軟件，未考慮氣流對總聲壓值得影響，需要加入一個經(jīng)驗值進行修正[5]。在從2、4、6階次噪聲實測與仿真數(shù)據(jù)對比來看(圖9-11)，總體趨勢一致性較好，存在的誤差在5%范圍內。

4 排氣系統(tǒng)優(yōu)化

排氣系統(tǒng)基礎狀態(tài)樣件，在中心轉速1500rpm附近存在2階噪聲大問題，未滿足設計目標，需要進行優(yōu)化。針對降低50Hz附近噪聲，主要設計思路為去掉原來后消一塊隔板，利用彎管增加出氣管的長度，利于降低低頻噪聲，同時增加腔體的吸音棉的數(shù)量，保證高頻的效果，如表1所示。

對比兩種狀態(tài)后消聲器的傳遞損失(圖12)，優(yōu)化后的方案在30-80Hz比基礎狀態(tài)優(yōu)化6-10dB(A)。傳遞損失作為一個參考，畢竟不能直觀的表達階次噪聲的問題，需要對該優(yōu)化方案進行 GT-Power對比驗證。從階次噪聲來看(圖 13)，優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)相比原來基礎樣件在 2階 1500rpm優(yōu)化5dB(A)，4/6階不惡化（圖14-15），滿足了目標曲線。

表1 排氣系統(tǒng)優(yōu)化思路

圖12 優(yōu)化前后排氣系統(tǒng)后消聲器傳遞損失對比

圖13 排氣尾管口2階噪聲對比

圖14 排氣尾管口4階噪聲對比

圖15 排氣尾管口6階噪聲對比

對優(yōu)化后排氣系統(tǒng)樣件進行實測，并進行階次噪聲對比，其中 2階在 1500rpm附近相比基礎狀態(tài)優(yōu)化 4-8dB(A)（圖16），主觀駕評優(yōu)化后狀態(tài)轟鳴聲消失，主客觀均可接受。

圖16 優(yōu)化后排氣尾管口噪聲對比

5 結論

本文對某款車排氣系統(tǒng)轟鳴的產(chǎn)生機理進行了研究。應用GT-Power軟件可以對汽車排氣系統(tǒng)噪聲進行分析，改進排氣系統(tǒng)的結構，設計問題頻率傳遞損失更好的消聲器，優(yōu)化排氣系統(tǒng)階次噪聲，為排氣開發(fā)提供經(jīng)驗：

（1）基于GT-power排氣系統(tǒng)的開發(fā)，需要高精度的發(fā)動機模型，需要校核發(fā)動機的外特性。

（2）基于GT-power排氣系統(tǒng)的階次噪聲仿真，需要與實測模型進行對標。

（3）改進后的排氣系統(tǒng)，較基礎狀態(tài)在 1500rpm有較大的優(yōu)化，滿足了設計目標，避免排氣階次噪聲引起車內轟鳴。

（4）通過GT-power分析輔助設計，可以提高效率，縮短開發(fā)周期，滿足設計性能要求。

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