汽车排气尾管气流噪音分析及优化

施昭林 杨悦

摘要：本文基于汽车NHV要求、尾管造型要求以及动力总成背压要求作为设计输入，在满足设计输入要求的前提下，在汽车消音器的结构对排气尾管噪音影响的应用技术方面进行研究，完成了详细的理论分析和试验验证。在此基础上，提出消音器结构的优化方法及排气尾管结构的选取原则。本文对于汽车消音器的设计和噪音控制都具有实际的指导意义。

Abstract： Based on the requirements of NVH， tailpipe modeling and power assembly back pressure as the design input， on the premise of meeting the design input requirements， this paper studies the application technology of the structure of automobile muffler on tailpipe noise， and completes the detailed theoretical analysis and test verification. On this basis， it puts forward the optimization method of muffler structure and the selection principle of tailpipe structure. This paper has practical significance for the design of automobile muffler and noise control.

关键词：尾管;噪音;NVH;消音器;CFD计算

Key words： tail pipe;noise;NVH;muffler;CFD simulation

0  引言

排气系统噪音包含各种不问性质噪声，其中包括辐射噪音、震动噪音及尾管气流噪音等，而尾管的气流噪音在排气系统噪音中占主要成分，随着相关噪音的法规日渐严格及客户对整车NVH性能要求越来越高，对排气噪音的控制提出了新的挑战。

整车油耗及动力性能的要求通常要求排气系统的设计使气流顺畅阻力减小，也就是排气背压尽量最小。而排气背压和排气噪音是一对相互矛盾体，背压越小排气噪音越大。此外，汽车造型的美观性通常要求排气尾管采取双出气管的结构，尾管的结构提出了要求。

本文在对汽车消音器进行大量的理论分析计算和试验的基础上，提出消音器和尾管结构参数的最优选取，以及排气管结构的最大优化，为设计人员在对消音器结构设计提供参考。

1  尾管气流噪音产生的机理及成分分析

仿真计算阶段，采用CFD仿真计算方法对双排气尾管和单排气管消音器进行分析。计算结果显示，若采用Y型双出气管结构，随着气流速度增加，尾管噪音急剧增加，其中双尾管噪音超出预计目标值（图1、图2）。

台架试验阶段，采用相同消音器结构、不同排气管类型进行对比试验。对比试验结果显示，采用Y型出气管结构的消音器在发动机转速超过3400RPM时，排气整体噪音急剧增加。而采用单出气尾管结构消音器，其测试值满足设计要求。经对比分析，单排气管与双排气管尾管噪音，低转速时差别较小。高转速时，单排气管的噪音远低于双排气管（图3）。

分析：双排气管排气噪音的组成，载流量小速度低时，空气动力噪声占主要成分;流量大和速度快时，摩擦噪声占主要成分（图4）。

试验表明，双尾管结构消音器在尾管Y型分叉处存在形状变化较大，由于高速气流的作用，在此处产生较大的气体湍流造成气体震动，尾管后面没有消音元件，气流噪音随着气流脉冲向周围辐射。排气尾管设计时需要避免尾管存在分叉结构，避免气流摩擦产生噪音。

2  尾管噪音的分析及消音器的优化

2.1 消音器及尾管消音计算公式

噪音频率，计算噪音频率时采用公式：

Hz为噪音频率，rpm为发动机转速，Order为噪音阶次。

确定排气尾管的长度：

当消音器的容积足够大，消音器与尾管的交界面可以近似地处理为开口管端，这样尾管就可以看成具有一个“开口-开口”的边界条件。

尾管长度与调节频率的关系公式：

L为尾管长度，λ为噪音波长，c为音速，f为噪音频率。

温度对音速的影响：

消音器消音效果设计，其消音器内部结构采用采用三迷路试结构，其结构相当于合成的赫尔姆兹谐振腔和膨胀腔结构，其模型简图如图6。

赫尔姆兹谐振腔消音频率为：

膨胀腔消音范围（图7）。

膨胀腔的传递损失计算公式：

2.2 消音器建模及试验

避免尾管存在分叉结构导致气流摩擦噪产生音，设计采分离式的双出气尾管。以单尾管噪音阶噪音分析值作为设计参考值。经过初步计算，消音器结构可有效消除高频噪音，所以取消传统中间腔增加消除高频噪音的玻璃纤维，初步方案消音器采用空腔三迷路结构，出气管采用分离式。初步2种设计方案。方案一见图8，方案二见图9。

试验数据分析：方案一和单尾管消音器噪音值比较接近，在1000rpm到2400rpm之间噪音值比单尾管低（图10）。催化器前、后最大背压分别比单尾管结构消音器增加46.1kPa和31.5kPa（图11）。

方案二和单尾管消音器噪音值比较接近，且在1500rpm附近噪音值很小，高转速时和单尾管結构噪音接近（图12）。催化器前、后最大背压分46kPa和31.5kPa（图13）。

试验结果：两种消音器方案在低速方面消音表现的比原先单尾管消音效果显著，在高速阶段消音效果和单尾管接近。但背压方面比单尾管结构消音器有所增加，需要进行优化结构。

2.3 消音器优化

优化方案：基于分离式双出气管试验结果，从成本和背压降低考虑，减少消音器一根内管。采用2种方优化案进行试验分析。其中优化方案一将隔板前移，消除出气管打孔，其效果等于增加膨胀腔的体积，减少1/4波长管的数量。方案二增加隔1板穿孔数量，打通进气管端口，加长插入膨胀腔管长度，其效果相当于增加谐振腔连接管的直径和增加排气管径，在消除的低频噪音的能力方面和气流顺畅方面有所增加（图14，图15）。

试验结果：在减少一根内管的方案优化中，优化方案二，将进气管端口打通，增加隔板穿孔率，成功减少排气系统的背压至目标值（45kPa）。在3000rpm转速之内低速，其噪音值较优化之前有所增加，但在目标值离基线还有很大范围。在3000rpm高速区域，噪音值较优化之前有较大的降低（图16）。噪音和背压结果满足设计的要求，最终采取优化方案二作为设计最终方案。

3  结论

①基于计算及试验分析，提出了双排气尾管的选型对尾管噪音的影响，在设计消音器尾管时，提出双尾管的形状合理选型原则。

②通过大量试验数据对比，在消音器内部结构的变化对排气背压和排气噪音的影响方面进行分析。在符合噪音及背压要求前提下，提出消音器内部结构最有选型原则。

③应以外观、噪音、背压和成本作为设计输入，进行消音噪音、背压分析，得出基础数据。

④以试验数据为基础输入，对消音器内部结构及尾管长度进行计算。

参考文献：

[1]靳晓雄，张立军.汽车噪声的预测与控制[M].上海：同济大学出版社，2003：1-229.

[2]庞剑，谌刚，等.汽车噪声与振动[M].北京理工大学出版社，2006，6.

[3]方周群.空气动力性噪声与消声器[M].北京：科学出版社，1978.

[4]何渝生.汽车噪声控制[M].北京：机械工业出版社，1995.