劉一航，安偉

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

汽油機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，以其良好的經(jīng)濟(jì)性、動力性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)在各種動力裝置上得到了廣泛的應(yīng)用。但隨之而來產(chǎn)生的尾氣和噪聲成為了重要的環(huán)境污染源，而國家對排放的標(biāo)準(zhǔn)愈來愈嚴(yán)格，這使得消聲器的設(shè)計要求也越來越高［1］。一款設(shè)計合理的消聲器對提升整車NVH 品質(zhì)意義重大。我國的消聲器設(shè)計主要基于經(jīng)驗(yàn)，本文對某轎車前期開發(fā)的消聲器進(jìn)行傳遞損失模擬分析，對比頻譜及傳遞損失，找到消聲器傳遞損失較小的頻譜段，針對性地提出對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，最后生產(chǎn)出樣件并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其是否達(dá)標(biāo)。

1 原消聲器測試數(shù)據(jù)分析

1.1 原消聲器問題簡析

針對某款汽車，搭配四缸汽油發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)型號為4A91，前期開發(fā)一款消聲器，對新車NVH 性能進(jìn)行評價測試，在節(jié)氣門全開的情況下進(jìn)行從怠速800 r/min 加速到5 000 r/min，發(fā)現(xiàn)在低速行駛時，排氣噪聲不大，乘客比較舒適，但當(dāng)3 檔加速近3 000 r/min 的時候，可以明顯聽到比較大的轟鳴聲，壓耳現(xiàn)象比較明顯，此時必須換檔讓轉(zhuǎn)速降下來。

通過分析其噪聲頻譜可以看出其在3 000 r/min 狀態(tài)，排氣噪聲在500 Hz 以下時，波峰較多，且峰值較大，因此，其噪聲聲壓較大。噪聲頻譜如圖1 所示。

圖1 3 000 r/min 噪聲頻譜

發(fā)動機(jī)的排氣噪聲成分比較復(fù)雜，在研究過程中需要對不同的階次噪聲進(jìn)行分析(圖2～圖4)，通過測量4A91 發(fā)動機(jī)尾管噪聲值，可以看出1 階8 階對整體噪聲影響不是很大，在1 200 r/min 時，4 階對整個排氣噪聲的影響比較大，在2 000 r/min～3 000 r/min 時，2 階對于整個排氣噪聲的影響較大。尤其在2 800 r/min～3 000 r/min間，2 階噪聲對其影響特別大?？梢钥闯黾铀僭肼曋饕怯? 階和4 階噪聲組成的，在3 000 r/min 時候有一個明顯的波峰，對此，需要著重研究的頻率范圍在100 Hz～500 Hz。

圖2 全油門加速噪聲

圖4 聲壓圖

1.2 原消聲器模型仿真分析

通常消聲器的設(shè)計是后消聲器為主消聲器，但是由于眾泰A01 后備箱導(dǎo)致的安裝問題，將前、后消聲器的位置互換，前消聲器為12L 的主消聲器，后消聲器為6 L 的消聲器。

利用GT－POWER 的MUFFLER 模塊［2］對消聲器的前、后極進(jìn)行傳遞損失的計算(圖5～圖6)，發(fā)現(xiàn)前消聲器在250 Hz～500 Hz 的范圍有明顯的波谷，此范圍內(nèi)對噪聲消除作用很小。而后消聲器主要針對220 Hz 以上的噪聲消除，對150 Hz 以下的噪聲貢獻(xiàn)比較小。

圖5 前消聲器傳遞損失

圖6 后消聲器傳遞損失

將前、后消聲器連接在一起進(jìn)行傳遞損失的測量(圖7)，發(fā)現(xiàn)小于150 Hz 傳遞損失比較小，300 Hz 附近有1 個比較大的波谷，整個傳遞損失曲線起伏比較大，這說明在設(shè)計消聲器上有改進(jìn)的空間，由于設(shè)計的不合理導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)工作時候的噪聲值超過了噪聲控制線，而且音品質(zhì)比較差。

圖7 前、后消聲器偶合后傳遞損失

1.3 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過上文的分析，需要加強(qiáng)前消200 Hz～500 Hz 段的傳遞損失，加強(qiáng)后消150 Hz 以下的傳遞損失。

原前消聲器分為四個腔，每個腔體長度比較平均，形成的長徑比較小，合理分配每個腔體的長度，通過調(diào)節(jié)四個腔的長度，形成較大的長徑比，使其作用于低頻［3］，考慮到最后一腔排氣溫度最低，根據(jù)傳遞損失原理［4］，對于相同的腔長，溫度越低，有效果的消聲頻率越向低頻移動，為了提高在低頻的消聲量，故設(shè)計最后一腔為最長腔?？s短進(jìn)、排管長度，第一腔成為共振腔，第二腔變?yōu)榕蛎浨?，這樣的目的使氣流通過膨脹腔消耗部分聲波和氣流，達(dá)到衰減噪聲的效果，并且膨脹腔對低頻比較敏感，提高對低頻消聲效果。在中間的隔板插入兩個內(nèi)插管可以抑制部分通過頻率，由于在擴(kuò)張式內(nèi)插入管長1/2 時，可消除奇數(shù)倍的通過頻率;插入管長1/4 時，可消除偶數(shù)倍的通過頻率［5］，所以進(jìn)氣管插入第二腔室1/4，內(nèi)插管插入第二腔室1/2，插入第三腔室1/4。同理排氣管插入第三腔室1/2，見圖8。

圖8 前消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原后消聲器為單傳的阻性消聲器，主要作用高頻，但結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有充分利用其空間，故在中間加入2 塊隔板，此時原來的共振室變?yōu)? 個腔室，中間的腔室變?yōu)榕蛎浭遥⒐苌闲】诇p少并平均分布到前后兩腔，進(jìn)氣口的穿孔段靠左端，出氣口的穿孔段靠右段。這是因?yàn)榇┛锥纹x中心位置則共振腔共振頻率移向低頻［6］。在隔板上開直徑為20 mm 的孔，目的將低頻的消聲頻帶加寬。最后將多孔吸聲材料去掉，見圖9。

圖9 后消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真，通過對前、后消聲器傳遞損失圖所示(圖10～圖12)，前消聲器雖然在200 Hz 的峰值雖然下降，但是在250 Hz～500 Hz 的波谷明顯消除，明顯好于原模型，效果顯著。后消聲器雖然整體提升不是很大，但是在100 Hz 附近消聲量有提升。高頻處的消聲效果降低是因?yàn)橐瞥宋暡牧系脑?，影響不大?］。

圖10 前消聲器傳遞損失對比

圖11 后消聲器傳遞損失對比

圖12 前、后消聲器偶合后傳遞損失對比

2 噪聲試驗(yàn)測試

對優(yōu)化后的汽車消聲器進(jìn)行加工制造，利用比利時LMS International N.V 的振動測試分析系統(tǒng)和噪聲測試系統(tǒng)測定發(fā)動機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的聲壓級大小。測量時，發(fā)動機(jī)油門100%開啟，運(yùn)行到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再進(jìn)行噪聲信號采集、記錄，見圖13。

圖13 全油門加速噪聲對比

通過800 r/min～6 000 r/min 轉(zhuǎn)速下的對比試驗(yàn)，優(yōu)化后噪聲有明顯下降，3 000 r/min 時排氣聲壓級由原來的90 dB(A)降低至83 dB(A)，排氣轟鳴聲消除，滿足要求。優(yōu)化后方案總聲壓級低于原狀態(tài)，且滿足目標(biāo)控制線，整個加速過程中無明顯波峰。

3 結(jié)論

消聲器設(shè)計主要基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，沒有完整的設(shè)計理論，本文利用GT－POWER 軟件，針對于發(fā)動機(jī)具體頻率產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析，從而優(yōu)化消聲器結(jié)構(gòu)來滿足發(fā)動機(jī)需要的消聲量，在此過程中起到指導(dǎo)意義，減少樣件制作數(shù)量，縮短研發(fā)周期。

［1］GB1495—2002，汽車加速行駛車外噪聲限制及測量方法［S］.

［2］Technologies G.GT2POWER USER’SMANUAL.2003.

［3］馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京:機(jī)械 工業(yè)出版社，2002.

［4］龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動［M］.北京:北京理 工大學(xué)出版社，2006.

［5］容江峰，魏存海.柴油機(jī)排氣噪聲頻率［J］.2010.

［6］羅虹，鄧海濤，董紅亮，等.消聲器共振腔及穿孔隔板消聲特性數(shù)值分析［J］.2008.

［7］鄭殿民，任越光，李向雷.汽車排氣消聲器的設(shè)計［J］.2006.