排气消声器消声性能优化设计研究

朱中辉，杨盛捷，李佩阳，徐晓美

（南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037）

0 引言

发动机的排气噪声是汽车噪声中最主要的噪声源之一，其大小直接取决于排气消声器设计的优劣。传统的基于经验设计、不断试制并修改样品的消声器设计方法不仅设计工作周期长，而且开发成本高，无法满足当前产品快速更新换代的步伐。因此，近些年来，基于计算机辅助设计的消声器设计方法得到了越来越广泛的应用。陈志林等人应用COMSOL软件对常用共振式消声器开展了参数化建模研究[1]。戚美等人利用COMSOL和FLUENT软件模拟研究了某型排气消声器的声场和流场[2]。石静等人利用GT-POWER软件对柴油机排气消声器基本消声单元的消声特性进行了仿真研究[3]。本文将基于COMSOL软件和正交试验理论，对某型排气消声器的消声性能开展优化设计研究。

1 消声器声学模型构建与计算

图1为利用COMSOL软件建立的消声器立体模型。由图1可知，该消声器的内腔由3块隔板隔成了4个腔室，每个隔板上都有8个尺寸相等且均匀布置的通孔。1根直通管贯穿消声器的入口和出口，直通管中部有1个封闭圆铁片切断了气流从直通管入口到出口的流通，直通管上有2段穿孔区域。图2为网格划分后的消声器声学分析有限元模型。

图1 消声器立体模型

图2 消声器声学分析有限元模型

设定消声器的相关参数，如表1所示。在COMSOL中设定消声器外壳边界为硬声场边界（壁），穿孔区域设定为 “内部穿孔板”，内部其他边界设定为内部硬声场边界。

表1 消声器仿真参数设定

选定噪声分析频率范围为100～1 000 Hz。通过计算可得图3所示的消声器传输损耗 （即传声损失）随排气噪声频率变化的关系，以及不同频率下消声器内部的声压分布。

图3 传输损耗随排气噪声频率的变化关系

2 消声器传声损失单一影响因素

为考察消声器相关结构参数对其传声损失的影响，分别研究了消声器外壳直径、直通管直径及消声器内的声腔个数对消声器传声损失的影响。

2.1 消声器外壳直径

保持原消声器其他参数不变，改变其外壳直径，由原来的180 mm分别增大和减小10 mm，即使消声器外壳的直径分别为190 mm和170 mm。运用COMSOL软件计算消声器的传声损失，得到如图4所示的不同消声器外壳直径下消声器传声损失随噪声频率的变化关系。由图4可以看出，在低频区域消声器的外壳直径对消声器传声损失的影响并不明显，但随着频率的增高，消声器的传声损失随其外壳直径的增大而增大。

图4 消声器外壳直径对其传声损失的影响

2.2 消声器直通管直径

保持原消声器其他参数不变，改变其直通管直径，由原来的54 mm分别增大和减小10 mm，即使消声器直通管直径分别为44 mm和64 mm。运用COMSOL软件计算消声器的传声损失，得到如图5所示的不同直通管直径下消声器传声损失随噪声频率变化的关系。由图5可以看出，随着消声器直通管直径的减小，即消声器扩张比的增大，消声器的传声损失逐渐增加。

图5 消声器直通管直径对其传声损失的影响

2.3 消声器声腔个数

保持原消声器其他参数不变，改变消声器声腔的个数，由原来的4改为3个和5个。运用COMSOL软件计算消声器的传声损失，得到如图6所示的不同消声器声腔个数下消声器传声损失随噪声频率的变化关系。由图6可以看出，在低频区域消声器声腔个数对消声器的传声损失影响并不大，但随着频率的增大，声腔个数对传声损失有较明显的影响。

图6 消声器声腔个数对其传声损失的影响

3 消声器传声损失正交优化

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法[4-5]。消声器正交试验设计的具体步骤如下：1）筛选消声器的影响因素，设定各因素水平，制作因素水平表，选择合适的正交试验表；2）对正交试验表中的组合进行试验，得到对应的传声损失，并将其记录于正交试验表内；3）计算因素水平的极差，并根据极差大小分析各因素的影响大小关系，找出因素主次和水平优劣，然后找出可能的优化组合；4）对优化组合进行仿真分析，计算传递损失之和，并与原有消声器的传递损失进行比较分析，确定最终的优化方案。

本文选择消声器外壳直径、直通管直径和声腔个数作为正交优化试验设计因素，每个因素选择3个因素水平，如表2所示。

表2 消声器正交试验因素水平表

运用COMSOL软件计算消声器的传声损失LT（Transmission Loss），并统计每种方案在整个频段上的传声损失均值，得到如表3所示的消声器正交试验设计分析计算结果。

根据表3进行正交优化计算，得到表4。表4中，Ⅰ值就是在每个因素下对应水平为1的试验结果之和，Ⅱ就是在每个因素下对应水平为2的试验结果之和，Ⅲ就是每个因素下对应水平为3的试验结果之和，R为各因素的极差，是任一因素下指标值的最大值与最小值之差。R越大，说明该因素对使用指标的影响越大，也就是越重要。

表3 消声器正交试验设计分析计算结果

由表4中R的大小可知，直通管直径为影响消声器传声损失的首要影响因素，其次是消声器外壳直径，最后是消声器声腔个数。在表4中，选取各因素中试验结果之和为最大的水平之因素作为优化组合方案，得到表5所示的优化方案。

表5 正交试验优化设计参数值

根据表5的消声器优化参数值，运用COMSOL软件建模并计算消声器的传声损失，将其与原消声器的传声损失作对比可得图7。

图7 原消声器与优化后消声器传声损失对比

由图7可以看出，经过正交试验优化设计后的消声器，其传声损失明显大于原消声器，即经过优化后的消声器的消声性能得到了显著提高。

4 结论

运用COMSOL软件建立了某4腔扩张式消声器的声学仿真模型。基于此仿真模型，首先研究了消声器的基本结构参数，如外壳直径、直通管直径、声腔个数等单一因素对消声器传声损失的影响，然后基于正交试验理论，研究了多因素对消声器消声性能的影响，并对消声器结构进行了优化设计。研究表明，优化后的消声器，其消声性能得到了明显的提高。此研究方法有利于提高消声器的设计效率，缩短产品开发周期，满足市场产品更新换代的要求。