基于虚拟计算的汽车排气系统声学性能研究

董禾卿　李桂琴

【摘 要】针对某车型排气系统消声器的开发设计受到发动机及整车资源的限制，难以在规定时限内达到噪声目标要求的问题，文章采用数值仿真方法进行先期方案评估，利用边界条件建立系统声学仿真模型，使用一维计算流体力学的有限体积法进行模拟分析，并通过试验验证方法的有效性和实用性。此方法能够实现排气系统消声器的提前开发，减少项目后期试验频次，并为开发排气系统消声器提供一种新的方法。

【关键词】排气系统；消声器；设计；仿真

【中图分类号】U467.493 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）09-0066-03

0 引言

随着汽车产业的迅猛发展，汽车数量日益增多造成的噪声污染，已经严重影响人们的日常生活。如何降低汽车噪声逐渐引起人们的重视。国外学者Dmitry M.Stadnik[1]使用边界元法研究三通穿孔管，国内学者张扬[2]等使用有限元法研究排气系统声学性能快速预测方法。为了抢占市场，如今新车型开发时间越来越短，仅凭经验及简单的计算公式来计算消声器性能的办法已经跟不上现代项目开发节奏，为此各种声学仿真软件应运而生。本文使用基于计算流体力学的有限体积法软件GT-power，对排气系统的声学性能进行仿真计算，以期达到排气系统消声器预开发的目的，从而提供一条产品开发的新途径。

1 排气系统的模型建立

本文采用3D软件进行建模，基于汽车企业提供的底盘边界数据及动静态包络条件。

排气系统传统设计方法是对一款新车进行排气系统开发，往往要经过设计、试制、试验、改进设计、试制、试验等二次或多次循环的过程，反复修改、完善设计后才能定型投产，设计周期长，消耗大。

1.1 声学仿真模型

由于本车型只有排气冷端为全新开发项目，发动机仿真模型、排气热端仿真模型、进气系统仿真模型均由汽车企业提供。使用仿真软件GT-power建模，整个声学仿真模型如图1所示。

1.2 排气系统仿真模型

排气系统仿真模型主要由管路和消声器组成。管路的参数设置比较简单，主要有以下4个参数。

（1）管径（内壁）：影响背压[3]，管径越大，背压越低。增加管径可以降低气流流速，从而降低高频噪声。

（2）管子直线段长度。

（3）弯管的折弯半径及中心线长度。

（4）弯管的折弯角度：折弯角度越大，甚至大于90°时，一方面气流通过不顺畅，排气系统背压增高；另一方面气流会冲击管壁，甚至影响气流流动均匀性的湍流，影响发动机性能并增加高频噪声。

1.3 消声器仿真模型

设计开发初始，由汽车底盘边界极限得出消声器的最大轮廓，消音容积决定了尾管噪声的整体水平，体积越大，效果越好。所以，一般情况下使用经验公式：消声器体积/发动机功率>0.25。

某车型消声器声学模型建模方案如图2所示。

2 计算结果及分析

主要考量指标为阶次噪声[4]和尾管噪声[5]。

2.1 阶次噪声

发动机的声音是由一系列阶次声音组成。1个四缸发动机的发火阶次是第二阶，谐频阶次为四阶、六阶等。1个六缸发动机的发火阶次是第三阶，谐频阶次为六阶、九阶等。声音阶次的调节主要靠进气系统和排气系统的设计。

2.2 尾管噪声

尾管噪声一般用声压级来评判。尾管口的噪声与发动机转速有关。一般来说，转速在3 500 r/min以下，发动机燃烧产生的阶次噪声占主要成分；在3 500 r/min以上，气流高频噪声占主要成分；中心频率一般在500 Hz以上。低转速下的噪声频率比较低，而摩擦噪声的频率较高，频带也比较宽。

一般汽车企业在项目开发初期就给定一个声学目标值，如图3的虚线所示。初始方案在锁定消声器轮廓后，2～3种方案并行，先找到消音结构较优的方案，通过仿真结果，观察阶次噪声及尾管噪声曲线与预设目标的差距。

由图3可知，所有的仿真方案均未能完全满足客户的条件，包括在非常高的背压下，整体没有太大变化。其中，中消声器A+后消声器1方案综合最佳。以最佳的第1组方案为蓝本，绘制相关零件图纸，并进行加工制造，准备试验测试验证。

3 试验及结果验证

3.1 试验设备及参数设置

试验及设备采用转毂实验室与麦克风。试验在配备整车的情况下，评判更为直观有效的尾管噪声。

在整车转毂实验室，某车型为前驱2.0排量车型。前轮放置在转毂上，后轮位置锁定，麦克风放置在距尾管45°的500 mm处。参考标准为GB 1495—2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》。

测试过程：①室温，Order bandwidth=0.5，frequency resolution=1 Hz；②预热车5 min，转速为4 000 r/min；③三档全油门（1 300～6 000 r/min）。

3.2 试验结果分析

由图4可知，仿真数据与实测数据吻合度较好。在最关注的低转速下，仿真数据的趋势与实测基本一致。

4 结语

本文通过GT-power软件进行虚拟仿真计算，得出尾管噪声较好的消声器方案；经过试验验证，仿真结果与试验结果吻合度较好，为企业开拓了新的项目开发手段。

通过仿真得出，排气系统背压大小和尾管噪声整体效果无明显关联；通过试验得出，虚拟计算方法得出的结果与试验结果相比误差较小，此方法适用于消声器无发动机及整车情况下的前期方案开发。

参 考 文 献

[1]Dmitry M.Stadnik，Alexander A.Igolkin，Victor Y.Sv-

erbilov，Kirill M.Afanasev.The Muffler Performance Effect on Pressure Reducing Valve Dynamics[J].Procedia Engineering，2017，176.

[2]张杨，邓兆祥，温逸云.汽车排气系统声学性能快速预测方法的研究[J].汽车工程，2018，40（2）：170-173，

191.

[3]陈琪，兰凤崇，陈吉清，等.汽车排气消声器声学性能改进研究[J].机械设计与制造，2018（4）：172-175.

[4]吴杰，王明亮，罗玉涛.采用橫流穿孔管消声器的车辆尾管怠速噪声优化[J].汽车技术，2017（5）：24-29.

[5]肖生浩，刘志恩，颜伏伍，等.基于阶次设计的汽车排气噪声品质运动感调校[J].华中科技大学学报（自然科学版），2016，44（10）：53-58.

[责任编辑：钟声贤]