林勝，段龍楊，翁建生,2，吳趙生

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心NVH實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330000；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

前沿

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，人們對汽車噪聲要求越來越嚴(yán)格。汽車排氣噪聲是汽車的主要噪聲源，采用結(jié)構(gòu)合理的排氣消聲器是降低排氣噪聲最有效的方法。由于排氣消聲器聲學(xué)性能與發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)有密切的關(guān)系，傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)傳遞損失不能完全滿足排氣NVH設(shè)計(jì)要求[1]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，一維GT-Power仿真軟件為消聲器NVH性能設(shè)計(jì)的提供了支持。實(shí)踐證明，這種一維模型在計(jì)算排氣尾管噪聲特別是低于1000 Hz的中低頻噪聲時(shí)有相當(dāng)高的精確度[2]。

本文分析了某款車內(nèi)低速轟鳴噪音的來源，對排氣尾管轟鳴的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討，并且通過模擬分析與整車尾管噪聲試驗(yàn)相結(jié)合的方法，消除了排氣尾管產(chǎn)生的轟鳴，提升了車內(nèi)NVH的舒適性。

1 問題描述

進(jìn)行整車噪聲評價(jià)試驗(yàn)時(shí)，車輛在3檔全油門加速，轉(zhuǎn)速在1500 rpm附近時(shí)，車內(nèi)后排位置有較明顯的轟鳴聲。對排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)狀態(tài)樣件進(jìn)行排查測試，從排氣尾管噪聲的階次切片圖1中可以看出2階在1500 rpm附近存在峰值。通過噪聲回放及增加絕對消聲器后對比，斷定車內(nèi)轟鳴的主要貢獻(xiàn)來自排氣系統(tǒng)尾管噪聲。

圖1 實(shí)測排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)狀態(tài)OA及2階數(shù)據(jù)

2 轟鳴產(chǎn)生機(jī)理

排氣尾管噪聲主要包括空氣噪聲，沖擊噪聲，輻射噪聲以及氣流噪聲等。本文的排氣尾管轟鳴主要是基頻空氣噪聲，發(fā)動機(jī)在工作時(shí)候產(chǎn)生壓力波，這種壓力波在排氣管道中傳播而形成基頻空氣噪聲。基頻空氣噪聲的頻率可由下面公式計(jì)算[3]：

其中，z=內(nèi)燃機(jī)氣缸數(shù)；n=內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速；t=行程系數(shù)。

某車型排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)狀態(tài)在轉(zhuǎn)速1500rpm附近存在明顯的轟鳴聲，故該基頻空氣噪聲的頻率為：

3 分析模型建立

3.1 發(fā)動機(jī)模型建立

GT-power 所應(yīng)用的是一維流體假設(shè)的動力學(xué)模型，它綜合了發(fā)動機(jī)性能的分析模塊，并幾乎包含了發(fā)動機(jī)所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動機(jī)不同工況的性能變化[4]。

圖2 某車型發(fā)動機(jī)GT模型

建立發(fā)動機(jī)的仿真模型，根據(jù)模型計(jì)算得到外特性不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率，并與臺架試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)誤差控制在 5%以內(nèi)，說明所建立的模型能夠真實(shí)地反映發(fā)動機(jī)的工作工程[5]。

圖2為某車型發(fā)動機(jī)GT-Power模型。

3.2 發(fā)動機(jī)模型對標(biāo)

進(jìn)行優(yōu)化分析前需要利用 GT-Power軟件進(jìn)行整機(jī)外特性進(jìn)行對標(biāo)，確保模型的準(zhǔn)確性。GT-Power扭矩曲線、功率曲線、渦后溫度、渦后壓力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致(圖3-6)，在低、高速段曲線捏合較好，在中轉(zhuǎn)速（2500-3000rpm）功率和扭矩略低于實(shí)驗(yàn)值，但是誤差值均在 5%以內(nèi)，該發(fā)動機(jī)模型達(dá)到較高的計(jì)算精度。

圖3 扭矩曲線對比

圖4 功率曲線對比

圖5 渦后溫度曲線對比

圖6 渦后壓力曲線對比

3.3 排氣系統(tǒng)模型建立

根據(jù)發(fā)動機(jī)排量，對主、副消聲器的消聲容積、進(jìn)出口管徑尺寸等進(jìn)行計(jì)算，完成對排氣消聲器的初步設(shè)計(jì)。排氣系統(tǒng)后消是阻、抗式組合復(fù)雜消聲器。

對照消聲器的三維Catia模型，利用GT-SUIT進(jìn)行消聲器三維建模，逐步建立消聲器的外部輪廓、消聲器的隔板、隔板的穿孔數(shù)目、消聲器內(nèi)部管道及小孔、套筒等。圖7為基礎(chǔ)狀態(tài)的排氣系統(tǒng)后消模型。圖8為排氣系統(tǒng)GT模型。

圖7 排氣系統(tǒng)后消基礎(chǔ)模型

圖8 排氣系統(tǒng)GT模型

3.4 排氣基礎(chǔ)狀態(tài)模型對標(biāo)

圖9 實(shí)測與仿真2階噪聲對比

圖10 實(shí)測與仿真4階噪聲對比

圖11 實(shí)測與仿真6階噪聲對比

為了獲得高精度的排氣系統(tǒng)模型，必須對排氣系統(tǒng)的管壁溫度、內(nèi)部壓力，外部環(huán)境溫度、壓力，高頻管吸音棉等參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。并把排氣系統(tǒng)模型與發(fā)動機(jī)模型、進(jìn)氣系統(tǒng)模型一起搭建形成 GT-power系統(tǒng)模型，分析排氣系統(tǒng)的階次噪聲，對標(biāo)實(shí)測與GT仿真結(jié)果，以獲得高精度的仿真分析模型。其中由于 GT-power屬于一維分析軟件，未考慮氣流對總聲壓值得影響，需要加入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行修正[5]。在從2、4、6階次噪聲實(shí)測與仿真數(shù)據(jù)對比來看(圖9-11)，總體趨勢一致性較好，存在的誤差在5%范圍內(nèi)。

4 排氣系統(tǒng)優(yōu)化

排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)狀態(tài)樣件，在中心轉(zhuǎn)速1500rpm附近存在2階噪聲大問題，未滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要進(jìn)行優(yōu)化。針對降低50Hz附近噪聲，主要設(shè)計(jì)思路為去掉原來后消一塊隔板，利用彎管增加出氣管的長度，利于降低低頻噪聲，同時(shí)增加腔體的吸音棉的數(shù)量，保證高頻的效果，如表1所示。

對比兩種狀態(tài)后消聲器的傳遞損失(圖12)，優(yōu)化后的方案在30-80Hz比基礎(chǔ)狀態(tài)優(yōu)化6-10dB(A)。傳遞損失作為一個(gè)參考，畢竟不能直觀的表達(dá)階次噪聲的問題，需要對該優(yōu)化方案進(jìn)行 GT-Power對比驗(yàn)證。從階次噪聲來看(圖 13)，優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)相比原來基礎(chǔ)樣件在 2階 1500rpm優(yōu)化5dB(A)，4/6階不惡化（圖14-15），滿足了目標(biāo)曲線。

表1 排氣系統(tǒng)優(yōu)化思路

圖12 優(yōu)化前后排氣系統(tǒng)后消聲器傳遞損失對比

圖13 排氣尾管口2階噪聲對比

圖14 排氣尾管口4階噪聲對比

圖15 排氣尾管口6階噪聲對比

對優(yōu)化后排氣系統(tǒng)樣件進(jìn)行實(shí)測，并進(jìn)行階次噪聲對比，其中 2階在 1500rpm附近相比基礎(chǔ)狀態(tài)優(yōu)化 4-8dB(A)（圖16），主觀駕評優(yōu)化后狀態(tài)轟鳴聲消失，主客觀均可接受。

圖16 優(yōu)化后排氣尾管口噪聲對比

5 結(jié)論

本文對某款車排氣系統(tǒng)轟鳴的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。應(yīng)用GT-Power軟件可以對汽車排氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行分析，改進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)問題頻率傳遞損失更好的消聲器，優(yōu)化排氣系統(tǒng)階次噪聲，為排氣開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)：

（1）基于GT-power排氣系統(tǒng)的開發(fā)，需要高精度的發(fā)動機(jī)模型，需要校核發(fā)動機(jī)的外特性。

（2）基于GT-power排氣系統(tǒng)的階次噪聲仿真，需要與實(shí)測模型進(jìn)行對標(biāo)。

（3）改進(jìn)后的排氣系統(tǒng)，較基礎(chǔ)狀態(tài)在 1500rpm有較大的優(yōu)化，滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)，避免排氣階次噪聲引起車內(nèi)轟鳴。

（4）通過GT-power分析輔助設(shè)計(jì)，可以提高效率，縮短開發(fā)周期，滿足設(shè)計(jì)性能要求。

[1] 劉詩嘉,胡習(xí)之,朱富貴.汽車排氣消聲器的正向設(shè)計(jì)研究[J].應(yīng)用聲學(xué),2016,(05):447-456.

[2] 顏伏伍,楊倫,劉志恩,等.GT-Power軟件的微型車消聲器設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2010 ,31(2):64-67.

[3] 褚志剛,陸小華,沈林邦,等.抗性消聲結(jié)構(gòu)聲腔模態(tài)對其消聲特性的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2016,(04):147-154.

[4] 張永波,黃其柏,王勇,等.基于 GT_Power的并聯(lián)內(nèi)插管雙室擴(kuò)張式消聲器插入損失研究[J].噪聲與振動控制,2007,27(1): 87-89.

[5] 熊樹生,任曉帥,謝蓮,等.基于GT-Power對HCNG發(fā)動機(jī)的數(shù)值模擬[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2013,47(2):273-279.