汽车排气消声器性能研究及设计开发探究

田松 张哲明

摘要： 随着工业制造水平的不断提高，汽车制造业获得了长足的发展，加之人们生活水平的提升，汽车保有量迅速增加，这些都为汽车工业的快速发展打下了坚实的基础。但同时汽车噪音问题也开始备受关注，特别是随着噪声法规的日渐完善，汽车降噪处理的任务也更加繁重。在信息技术的推动下，利用软件对噪声进行仿真分析，能够进一步优化汽车消声器设计。本文运用GT-Power软件的仿真功能，对汽车排气消声器结构予以优化设计。

Abstract： With the continuous improvement of industrial manufacturing level， the automobile manufacturing industry has achieved considerable development， coupled with the improvement of people's living standard， the rapid increase of car ownership， which has laid a solid foundation for the rapid development of the automobile industry. But at the same time， the problem of automobile noise also began to be concerned， especially with the improvement of noise regulations， the task of automobile noise reduction is also more onerous. Under the impetus of information technology， the simulation analysis of noise by software can further optimize the design of automobile muffler. This paper uses the simulation function of GT-Power software to optimize the design of automobile exhaust muffler structure.

關键词： 汽车噪声;排气消声器;声学性能;设计开发

Key words： vehicle noise;exhaust muffler;acoustic performance;design and development

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0018-02

1  汽车排气噪声产生原理和消声器的机理研究

噪声是汽车发动机运行中十分常见的一种故障现象，主要由于发动机气缸内部发生了急剧的高温废气变化情况，强大的气压波迅速产出排放时，产生的巨大的声音。根据噪声的振幅、频率和结构位置，可以划分为基频排气噪声、亥姆霍兹共振噪声、废气喷注噪声、排气道内避面的紊流噪声、冲击噪声等。其中基频排气噪声最为常见。因此，汽车排气消声器的设计研究就显得尤为必要。当前消声器可以细分为有源和无源两种，相对而言，有源消声器使用繁琐，应用的范围较小，而无源消声器则有着较为广泛的应用市场。

1.1 汽车排气噪声产生原理

汽车的发动机开始运行的时候，气缸内部将会产出高速和高温的废气，这些废气经由排气口排出，将会形成低频和周期性的噪声，亦可以称之为基频排气噪声，也是汽车发动机最为主要的噪声来源。其基频和谐波的运算公

式为：fk=■

式中，k表示谐波的次数;n表示发动机转速，单位为r/min;z为发动机气缸的数量;τ表示冲程系数，其中二冲程的τ值为1，四冲程的τ值为2。

1.2 汽车排气消声器的机理研究

为有效降低汽车发动机噪声，可以在汽车气动装置的空气流道上面安装汽车消声器。其原理在于借助声波的作用，实现声波之间的互相干扰，以此对声音压强进行降低，减少噪声的发出，以此实现消声目标。消声器可以划分为主动消声器和无源消声器。其中主动消声器是发射出等同于噪声振幅但是相位相反的声波，以此对噪声声波进行干扰和抵消，从而实现降噪的目标。不过主动消声器的使用相对较为复杂，应用不够普及。无源消声器则包括以下几种：①抗性消声器。该消声器主要是对声阻抗进行改变，其在管道界面产生反射和干扰作用，以此来对噪声进行消除。该消声器适用于中频和低频噪声中。②阻性消声器。该消声器则是借助多孔吸音材料来对噪音进行消除。噪音进入到吸音材料中后，气体和材料间进行摩擦作用，促使部分声能转化为热能，从而消除部分噪音。该消声器多用于中高频噪音消除中。③阻抗复合消声器。顾名思义，是将上述两种消声器进行有效的融入，以此实现更为广阔的适用性。

2  基本消声单元的性能以及消声器的设计方法

2.1 基本消声单元的性能分析

对于消声器设备而言，消声器单元是其最为基本的组成部分。科学开展消声器单元数据分析，能够更好的明确不同的结构形式对于消声器的具体影响，为后续开展消声器设计研究体用基础数据。本文则借助仿真软件，开展了扩张式消声器的数据计算研究，该消声器属于抗性消声器的一种，其原理在于利用管道界面的改变，来干扰和影响管道内部的噪声传递频率，从而降低噪音。

就目前来看，最为常见的扩张式消声器主要为简单的扩张腔。

当sin（kL）=1时，消声量最大，相应频率称为中心频率，表达为：fc=■·■

当sin（kL）=0时，消声量等于零，相应频率称为通过频率，表达为：fi=■·■

本次研究对象选取的扩张腔结构为：进出口的管径分别为50mm，扩张腔的直径为150mm，腔体的长度为200mm。

①扩张比及腔体长度的影响。

a）扩张比越大，消声量越大。

fH=1.22■

式中，c为声速，m/s;D为扩张腔的特征尺寸，对于圆截面，D为直径，对于其它形状，D=S（S为截面积），m。

b）伴随着不断增加的腔体长度，上限的频率保持不

变，整体的波形朝向零點的方向压缩。

②扩张腔截面形状的影响。

通过分析可知，在低频区域，不同形状所产生的传递损失曲线几乎重合，也就是说，腔体形状几乎不会对低频产生影响。正方形和圆形界面，所产生的声学特性几乎一致，仅仅区别为：上限频率较高的为圆形界面，上限频率前的消声量较高的为正方形。椭圆形的截面形状的上限频率，从较高频率朝向低频区域倾斜，且拱形峰值也呈下降趋势。超过上限频率后，该形状依然可以实现一定的消声能力。

③出入管偏置的影响。

关于出入管偏置的情况可以细分为以下两种类型：第一，出入管的一端出现偏置。固定入口位置，偏置出口管20mm、40mm。或者固定出口位置，偏置入口管20mm、40mm。以此来分析一端出现偏置的情况下，对于声学的具体影响。结果可知，出口或者入口偏置相同距离，其对于声波的影响是完全相同的。当上限频率确定为2700Hz时，在此之前，消声量几乎产生改变，也就是说，偏置情况对于中低频的影响是极小的。但是在上限频率之后，偏置的距离越大，其对于消声的影响越大。也就是说，在实际设计消声器时，可以适当的采取一端偏置的情况，特别是对于高频噪音的消除具有重要作用。第二，两端出入口同时进行偏置。按照25mm、50mm、75mm的距离进行出入口两端的同时偏置。结果可知，同样是对低频段无影响。而对于中高频段而言，本例中为1000-2700Hz频段，偏置的距离越大，反而降低了消声性能。而进入到高频阶段，偏置距离越大，消声性能却越好。

2.2 消声器的设计方法

消声器的结构原理主要包括气流结构、传热结构、振动结构和发动机性能。消声器利用这些结构来消音，这些结构有一定程度的复杂性。消声器的设计方法有很多，比较传统的方法主要是理论分析、实验验证和设计验证。排气系统的外形越简单，相关理论和设计就越成熟。然而，虽然该方法已经成熟，但更多的是基于理论层面，缺乏实践验证。目前，随着科学技术的进步和汽车工业的发展，汽车排气系统消声器的设计也逐渐发生了变化。主要表现在理论指导的结合和CAE设计与经验设计的结合。在进行设计工作时，工作人员利用计算机软件的测试功能进行模拟和测试。本文的设计方法是基于GT-Power软件的仿真分析功能。利用软件仿真得到了消声器的插入损耗和传输损耗，并根据这些参数对消声器进行了优化设计。

3  汽车排气消声器的优化设计思路

3.1 模型建立

3.1.1 发动机模型

GT-Power主要是利用一维流体架设模型来实现对发动机不同工况的模拟。发动机系统亦可以细分为不同的控制单元，且每一个单元还包括了众多的交错网格，这也是发动机得以运行的重要基础。本文以某OEM发动机为例，构建基础模型。

3.1.2 消声器模型

本文利用工具来对消声器结构进行描述，并离散为模型。最终在排气系统仿真模型中进行该模型的添加。

3.2 消声器的仿真计算

3.2.1 传递损失计算

耦合之前构建的两个模型，对声功率的差异进行计算，然后构建传输损耗仿真模型。设定完毕参数后，得到最终的仿真结果：后置消声器于低频范围内，性能更优;前置消声器在高频范围内，性能更优。

3.2.2 插入损失计算

经过分析可知，插入损失和声源本身特性密切相关。因此需要连接发动机模型和消声器，以此来对连接前后的噪声进行分析。从分析结果可知，消声器高频部分能够满足需求，而低频部分效果欠佳，这表明消声效果不够，还存在一定的优化空间。

3.3 发动机消声器的优化设计

依据上述的计算结果可知，在进行消声器优化设计时，其内径需要超过0.051m。之前的排气系统管道的内径经测算，为0.054m，符合消声器的流速要求。因此优化设计时沿用该参数即可。针对抗性消声单元而言，扩张比的大小直接决定了消声量的大小，二者的关系如表1所示。同时，结合设计经验可知，消声器的扩张比多曲江与最高的消声目标。经过计算可知，原先的排气系统的扩张比为19.76，其对应的消声量大致为19.9dB（A），几乎和最高的消声目标20.3dB（A）持平。因其他工况对于消声量要求较低，不高于19dB（A）即可。因此可以继续采用之前的主消扩张比，也就是按照原先0.045254m2的截面面积进行计算。在实际设计时，对消声器的内部管径进行提升或者进行共振，以此实现最高消声量的基本要求。

针对如上仿真分析识别的性能不足，优化设计方法为：一是将设备的膨胀比进行增加，促使发动机消声器性能提升;二是将高频区域内的消声器的再生量进行改变，也就是对穿孔范围进行扩大，降低穿孔的孔径;三是后移消声器右侧的隔板50mm左右，以此来对消声器的体积和密度进行适当的增加;四是改变消声器喷嘴为喇叭状，以此来增加消声器的消声量。

3.4 优化结果

优化改进之后的消声器，其传输损耗比原先的消声器高2-5dB（A）左右。经过上述措施优化后，极大的改善了消声器的整体性能，高频区域消声效果更优，低频范围内也满足相关标准要求。

本文利用GT-Power软件对排气系统的传递损耗和插入损耗进行了分析，实现了对汽车排气消声器的优化改进设计，有助于缩短设计时间，降低设计成本，期望能够对同类课题提供一定的借鉴意义。

参考文献：

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