基于GT-P owe r软件的排气系统噪声分析与改进

汤海娟，胡光辉

基于GT-P owe r软件的排气系统噪声分析与改进

汤海娟，胡光辉

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥230601）

为了降低某款轿车排气噪声，采取增加玻璃棉、调整消声器内部管路和隔板的穿孔率与穿孔位置等措施，提升消声器的降噪性能，并利用GT-Power软件分析其传递损失。经试验验证，改进消声器后，车内噪声最大降低4 dB（A），尾管噪声实现全转速段降低。

GT-Power；排气系统；消声器；尾管噪声；车内噪声

汽车排气系统主要有两大功能：一是废气处理；二是降低噪声。发动机燃烧会产生燃烧噪声、冲击噪声、机械噪声、气流摩擦噪声等多种类型的噪声，排气系统中用来降低噪声的元件是消声器［1］。江淮某款1.3 L排量的自然进气汽油车，当车辆处于三档，全油门匀加速在60～120 km/h行驶过程中，车内后排可明显听到排气噪声，车速越高，排气噪声越大，严重影响驾驶员和乘客的乘坐舒适性。

1　原因查找

在静音转毂实验室中，在排气系统尾管距离出口45°、50 cm处布置传感器，监测三档全油门（以下简称3WOT）工况下，排气系统尾管噪声。在静音转毂实验室中，对排气系统进行屏蔽，在车内前排驾驶员位置和后排右侧位置布置传感器，监测3WOT工况下，屏蔽前后两处车内噪声的变化。据此排气系统对车内噪声的影响可量化。图1给出了各个测点的位置。测试结果如图2和图3所示。

根据试验数据分析可以得出以下结论：

1）排气系统尾管处噪声，在1 200～1 800 r/min低转速下，发动机六阶次音为排气噪声的主要声源；在1 800～2 600 r/min常用转速下，发动机四阶次音为排气噪声的主要声源；在2 600 r/min以上，二阶、四阶、六阶次音都是排气噪声的主要声源。

2）排气尾管噪声在3WOT工况全转速段没有明显凸出的波峰，且主观评价上排气系统没有共鸣声产生，音质较好。

3）车内前排噪声，在3 000～3 600 r/min下，排气系统对车内噪声贡献最大可达3 dB（A）。

4）车内后排噪声，3 400 r/min与4 000～4 500 r/min，排气系统对车内噪声贡献最大可达3 dB（A）。

5）通过对以上问题转速的阶次分解，表1罗列出问题转速下对车内噪声有较大贡献的转速及频率。

表1　车内噪声有贡献量的转速及频率

从表1可以看出，排气系统对车内噪声在3WOT工况下产生的影响频率在100 Hz～240 Hz。

2　声学特性分析

通过前面的原因查找，可以得出结论，即需要提高排气系统在100 Hz～240 Hz的降噪能力，以达到改善车内噪声的目的。图4是该款车目前的排气系统装置图。一个合适的消声器可以使气流声能量降低20～40 dB （A）［2］。目前的乘用车排气系统多数包含前级和后级两级消声器。前级消声器基本上是抗性消声器，主要针对一些特定频率；后级消声器可以是抗性消声器，也可以是复合型消声器，用来消除宽频带的噪声［3］。该款车的排气系统包含前、后两级消声器，这符合目前乘用车排气系统的设计趋势。图5为两级消声器的内部结构与气流走向图。

前级消声器是典型的抗式消声器，内部两块隔板将消声器分割成三个腔，隔板上无穿孔。气流由进气管进入共振腔，经过一个扩张腔，再进入另一个共振腔，后由出气管流出。在每个共振腔内的管路上都有850× φ2.5 mm的小孔，气流除了在管路中流动外，还从这些小孔流出。气流在小孔上不断交换，一部分声能被抑制，从而达到消声的目的。该前级消声器适宜于低中频成分的气流噪声，消声量大，但消声频带带宽窄。

后级消声器则是阻抗复合型消声器，内部的两块隔板将消声器分割成三个腔，隔板I上有一个φ23 mm的大孔和90×φ 5 mm的小孔；隔板II上有一个φ24 mm的大孔；内管1上有两区域小孔，分别为10×φ4.5 mm 和144×φ3.5 mm；内管2有1 152×φ3 mm小孔，并用玻璃棉包裹（沿着气流方向分别定义为隔板I、II，气流进气管为内管1，出气管为内管2）。这种类型消声器内部气流走向较为复杂，气流在三个腔之间不断交换，消除中高频气流噪声。

消声器的降噪能力有多种评价方法，在工程上多用传递损失来评价。

式中：TL为传递损失，dB；Win、Wout分别为进出气口的声功率，W；Pin、Pout分别为进出口处的声压，Pa；Sin、Sout分别为进出气口的截面积，m2。

早在1971年，Young和Crocker首次提出用有限单元法计算传递损失，并对简单扩张腔式消声器进行了分析。随后有限元法被用到消声器的声场分析中，其分析结果与实际声场符合性较好［4-9］。本文采用有限元法，利用声场计算软件GT-Power分析该排气系统的传递损失。图6为用该软件分析得到的原设计的两级消声器的传递损失曲线。

从图6可以看出，在100 Hz～240 Hz频段范围内，传递损失存在消声波谷，在1 000 Hz以上的高频段消声性能也有明显的下降。消声性能的薄弱是导致该排气系统影响车内舒适性的关键因素。需要做的是既要改进该消声器的结构，提升传递损失，又要控制排气系统功率损失在设计限值内（≤50 kPa）。

3　结构改进与效果分析

3.1结构改进

针对消声器的原始结构，改进其内部结构，如图7所示，将前级消声器内部填充玻璃棉，以提升高频降噪性能；对于后级消声器，取消原隔板I、II上的大孔，改为φ5 mm的小孔。与原结构相比，由于穿孔板和小孔数量增多，声音在通过小孔传递时损失能量更大，中频降噪特性更出色。同时改变内管1上的穿孔位置与开孔率，使声音在消声器中得到更充分的消耗，能力损失更多［10］。改进前、后消声器详细参数对比见表2。

表2　改进前、后消声器参数对比

3.2模拟计算

建立改进前、后消声器的模型，分别进行数值计算，得到改进前、后的传递损失对比曲线，见图8。

从分析结果看，基本实现全频段降噪性能的大幅提升。原问题频率段的消声波谷消失，原最低点的200 Hz传递损失增量在30 dB以上，500 Hz～1 500 Hz频率段传递损失平均增量在20 dB，最大增量在60 dB，这说明消声器的改进效果良好。

3.3试验验证

将改进后的消声器应用到该车排气系统上，进行试验验证。试验工况为3WOT、4WOT、怠速；测点位置为车内前排驾驶员位置、车内后排右侧座位、尾管。部分试验结果见图9-图12。

图9为3WOT尾管噪声瀑布图；图10为3WOT车内噪声频谱对比图；图11为4WOT车内噪声频谱图；图12为怠速工况车内前后排频谱图。从数据中可以看出：

1）消声器改进前、后功率损耗分别是47.7 kPa和48.5 kPa，功率损耗增加0.8 kPa，在设计限值≤50 kPa要求内。

2）对于3WOT，尾管噪声在4阶次以上得到明显改善，在1 500 Hz～2 000 Hz段的结构噪声也得到改善；尾管噪声在全转速段都有下降，最大降幅位于2500～3500 r/min段，最多降5 dB（A）。而对于车内前排驾驶员位置未见明显改善，后排受排气系统影响的3 400 r/min与4 000～4 500 r/min有所降低，最大降低了4 dB（A）。基本解决原因分析中排查出的问题。

3）对于其他工况，该新消声器也有效果，如4WOT，车内驾驶员位置3 000 r/min以上，后排1 800 r/min左右转速噪声改善明显，最大达4 dB（A）。

4）怠速工况，车内驾驶员位置由42 dB（A）降至39.5 dB（A），后排位置由43 dB（A）降至40 dB（A）。该新消声器主要改善中低频噪声。

4　结束语

排气噪声会透过车身板件传递到车内，影响驾驶员和乘客的乘坐舒适性。本文通过调整消声器内部管路和

隔板的穿孔率与穿孔位置等措施，改善中低频噪声的降噪性能，通过增加玻璃棉，提升高频噪声的降噪性能，并利用GT-Power软件分析其传递损失，缩短了试验周期和样件制作周期，降低了改进成本。通过试验结果可以看出，应用改进后的排气系统，车内中低频噪声得到改善，与模拟分析的结果基本一致，车内噪声怠速工况最大可降3 dB（A），加速时车内噪声最大可降4 dB（A），尾管噪声实现全转速段降低，且消声器改进后排气系统功率损耗仍满足设计要求。

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修改稿日期：2015-03-13

Analysis and Improvement of Exhaust System Noise Based on GT-Power Software

TangHaijuan，Hu Guanghui
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230601，China）

In order to reduce exhaust system noise of a car，the authors adopt measures，including increasing the glass wool，adjusting perforation rate and hole position of muffler inner pipes and baffles to improve muffler's noise reduction performance，and analyze the transmission loss by GT-Power software.The test verifies that the interior noise is reduced by4 dB（A）maximumand the tail pipe noise is reduced in full speeds for the improved muffler.

GT-Power；exhaust system；muffler；tail pipe noise；vehicle interior noise

U467.4+8；TK413.4+7

B

1006-3331（2015）06-0020-04

汤海娟（1984－），女，硕士；主要从事整车进排气系统和零部件的设计与NVH控制工作。