袁守利 陳立春 劉志恩 盧熾華

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

排氣噪聲是汽車主要的噪聲源之一，在整車已經(jīng)定型的情況下，通過優(yōu)化排氣尾管噪聲來降低車內(nèi)噪聲是節(jié)省成本和效率最高的方式.排氣系統(tǒng)主要通過消聲器的消聲性能來降低尾管噪聲[1].在發(fā)動機和排氣系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)已確定的情況下，可以改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來控制尾管噪聲.

現(xiàn)針對某款1.8 L排量的自然進氣乘用車，當(dāng)汽車處于三檔急加速(3G-WOT)工況下，車內(nèi)后排可明顯聽到排氣噪聲，車速越高排氣噪聲越大，聲品質(zhì)極差，嚴(yán)重影響駕駛員和乘客的乘坐舒適性.為了解決此類工程問題，首先采用LMS診斷出車內(nèi)前排、后排噪聲峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和頻段，然后針對該問題頻段對消聲器進行聲學(xué)性能分析，最后用試驗驗證優(yōu)化方案聲品質(zhì)較好.

1 樣車車內(nèi)聲品質(zhì)問題診斷

車內(nèi)運動感聲品質(zhì)的主要影響因素是加速噪聲和階次分布.Ohsasa等[2]通過建立運動感噪聲的主觀評價數(shù)學(xué)模型，定量的描述運動感噪聲的組成.

(1)

測試地點選擇新修的瀝青路面公路，行車稀少，路況好，背景噪聲低，有較長直道.在排氣系統(tǒng)尾管距離出口45°，50 cm處布置傳感器，監(jiān)測3G-WOT工況下，排氣系統(tǒng)尾管噪聲.在車內(nèi)前排駕駛員右側(cè)位置和后排中間位置布置傳感器，監(jiān)測3G-WOT工況下，車內(nèi)前排和后排噪聲.測試地點和各個測點的位置見圖1.

圖1 測試地點和傳感器布置位置

圖2 3G-WOT工況下車內(nèi)前排噪聲

圖2a)為3G-WOT工況下，車內(nèi)前排噪聲的Overall及各階次分解圖.由前排噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 300，2 300，3 100，4 100 r/min附近時，車內(nèi)前排噪聲出現(xiàn)明顯的峰值；由各階次分解曲線可知，發(fā)動機第二階噪聲對前排噪聲的峰值貢獻最大.圖2b)為3G-WOT工況下，車內(nèi)前排噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知前排噪聲出現(xiàn)了寬頻噪聲，頻率范圍為100～600 Hz.

圖3 3G-WOT工況下車內(nèi)后排噪聲

圖3a)為3G-WOT工況下，車內(nèi)后排噪聲的Overall及各階次分解圖.由后排噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min附近時，車內(nèi)后排噪聲出現(xiàn)明顯的峰值；由各階次分解曲線可知，發(fā)動機第二階噪聲對后排噪聲的峰值貢獻最大.圖3b)為3G-WOT工況下，車內(nèi)后排噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知后排噪聲出現(xiàn)了寬頻噪聲，頻率范圍為50～500 Hz.

圖4a)為3G-WOT工況下，排氣尾管噪聲的Overall及各階次分解圖.由尾管噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時，排氣尾管聲壓級分別為79.80，83.58，89.11，94.20 dB(A)超過目標(biāo)值79.50，83.00，86.00，90.00 dB(A)；由各階次分解曲線可知，發(fā)動機第二階噪聲對排氣尾管噪聲貢獻最大.圖4b)為3G-WOT工況下，排氣尾管噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段內(nèi)均偏高.

圖4 3G-WOT工況下排氣尾管噪聲

綜合車內(nèi)前排噪聲、后排噪聲及排氣尾管噪聲分析，可以總結(jié)出引起車內(nèi)運動感噪聲的頻率范圍在50～600 Hz，影響車內(nèi)運動感噪聲的階次噪聲為2，4，6階，主要階次噪聲為2階.考慮到通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)尾管噪聲來提升車內(nèi)聲品質(zhì).因此需要降低排氣尾管噪聲來降低車內(nèi)中低頻噪聲峰值.

2 消聲器聲學(xué)特性分析

為了降低車內(nèi)前、后排噪聲峰值，可以通過提高排氣消聲器在50～600 Hz的降噪能力.選擇合理的消聲器結(jié)構(gòu)能夠使排氣尾管噪聲降低20～40 dB(A)[3].該款車型的排氣系統(tǒng)包括前、后兩級消聲器，具體結(jié)構(gòu)見圖5.

在工程應(yīng)用中，一般采用傳遞損失來評價排氣系統(tǒng)消聲器的消聲量.傳遞損失也可以描述排氣消聲器自身的消聲特性，用于評定優(yōu)化后的消聲器在消聲特性上是否滿足[4].

Young等[5]最早采用有限元法對簡單擴張腔式消聲器進行傳遞損失計算.之后越來越多學(xué)者使用有限元法分析排氣系統(tǒng)消聲器的聲場特性，并驗證了仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差很小[6-8].GT-Power是基于有限元分析法分析聲場特性精度較高的軟件，下面采用該軟件對該排氣系統(tǒng)進行傳遞損失分析.

采用GEM3D建立前、后級消聲器三維模型，見圖6.

圖6 兩級消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖6a)可知，前消是抗式消聲器，氣流由消聲器進口端進入共振腔，然后進入擴張腔，最后由出口端流出.在共振腔進口管第I段和第II段分別穿24×φ3 mm的小孔.中低頻氣流噪聲波長較長，經(jīng)過小孔時容易產(chǎn)生共振，從而削弱聲能量降低排氣系統(tǒng)噪聲.圖6b)可知，該后消屬于復(fù)合消聲器，內(nèi)部的左右兩塊隔板中心84 mm×96 mm范圍內(nèi)穿72×φ6 mm的小孔.進氣管上有三段穿孔區(qū)域，第I段穿162×φ4 mm的小孔，并帶有長102 mm、內(nèi)徑φ63.5 mm的蘆弗管1；第II段穿1圈17×φ4 mm的孔；第III段穿192×φ3 mm的小孔.出氣管上穿410×φ3 mm的小孔，并帶有長120 mm、內(nèi)徑φ63.5 mm的蘆弗管2.其中共振和擴張結(jié)構(gòu)能降低部分中低頻噪聲，蘆弗管結(jié)構(gòu)能降低高頻氣流再生噪聲.

采用GT-Power建立傳遞損失計算模型，見圖7.圖8為計算得到的原方案的前、后級消聲器的傳遞損失曲線.由圖8a)可知，前級消聲器在50～200 Hz頻段范圍內(nèi)，傳遞損失幾乎為零，基本上沒有起到消聲作用.由圖8b)可知，后級消聲器在300～600 Hz頻段范圍內(nèi)，傳遞損失存在消聲波谷.消聲器在某些頻段消聲性能差是排氣系統(tǒng)影響車內(nèi)乘客舒適性的主要因素[9].因此需要對前、后級消聲器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升50～600 Hz頻段范圍內(nèi)的傳遞損失.

圖7 傳遞損失計算模型

圖8 原方案傳遞損失曲線

3 優(yōu)化方案與試驗驗證

3.1 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于穿孔式消聲器集中參數(shù)模型，其共振頻率計算公式為

(2)

式中：c為聲速；n為穿孔孔數(shù)；S為穿孔截面積；V為共振腔體積；L為穿孔的有效長度.為提高穿孔管(消聲器進氣管)的中低頻消聲效果，在V和L不變時，減小穿孔孔數(shù)和穿孔截面積；在n和S不變時，增大共振腔體積和穿孔的有效長度.

通常頻帶寬度選擇1/3倍頻程.對于這種頻帶寬度下的共振消聲器的消聲量，式(2)為

LNR=10lg[1+19K2]

(3)

(4)

式中：LNR為消聲量；K為共振系數(shù).計算出V值后代入式(2)即可求出對應(yīng)的開孔截面積、有效長度和共振頻率所需的穿孔孔數(shù)和共振腔體積.

基于企業(yè)提供的排氣系統(tǒng)運動感聲品質(zhì)階次目標(biāo)值，綜合運用消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲器傳遞損失的影響分析經(jīng)驗.對于前級消聲器，結(jié)合共振頻率計算公式(2)，后級消聲器結(jié)合式(2)～(4)，優(yōu)化前、后消內(nèi)部結(jié)構(gòu).建立消聲器三維模型，優(yōu)化后的前、后消內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖9，具體參數(shù)變化見表1.

表1 原方案與優(yōu)化方案參數(shù)對比

圖9 優(yōu)化方案消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖9a)為優(yōu)化后的前級消聲器，相比原方案進氣管加長84 mm同時隔板向右移動84 mm，增大共振腔的容積，提升前級消聲器共振消聲性能，以降低中低頻段噪聲.圖9b)為優(yōu)化后的后級消聲器，對比原方案進氣管加長100 mm，同時隔板II右移42 mm，進氣管第三段改為穿24×φ4 mm的小孔，進氣管第四段穿100×φ5 mm的孔，穿孔角度為240°，并將進氣管右端封閉.增加進氣管長度、改變進氣管穿孔區(qū)域及封閉進出管右出口端，使大部分氣流經(jīng)過小孔，增大中頻消聲效果.

3.2 優(yōu)化方案仿真分析

建立優(yōu)化后的前、后級消聲器的傳遞損失計算模型，分別進行數(shù)值計算，得到原方案與優(yōu)化方案的傳遞損失對比曲線，見圖10.

圖10 優(yōu)化方案與原方案傳遞損失對比曲線

由圖10a)可知，前級消聲器對50～500 Hz頻段范圍的降噪性能的明顯改善，尤其是在50～200 Hz頻段范圍實現(xiàn)了降噪.由圖10b)可知，后級消聲器對整個頻段的降噪性能大幅提升，50～300 Hz頻率范圍內(nèi)，傳遞損失相比原方案略有提升；300～600 Hz原問題頻率段的消聲波谷得到提升，原最低點的570 Hz傳遞損失增量在14 dB以上，200～1 360 Hz頻率段傳遞損失平均增量在10 dB，最大增量在35 dB，說明優(yōu)化后的消聲器消聲效果良好.

由圖11可知，在催化器2出氣口壓力114 kPa與排氣尾管出口端壓力97.8 kPa作差計算得到優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)催化器2出氣端與前消進氣端之間的排氣背壓為16.2 kPa，相比原方案的排氣背壓12.7 kPa增加了3.5 kPa，但是仍在企業(yè)目標(biāo)值20 kPa以內(nèi).

圖11 優(yōu)化方案催化器2處排氣背壓計算結(jié)果

3.3 試驗驗證

按照優(yōu)化后消聲器的尺寸制成樣件替換樣車排氣系統(tǒng)上對應(yīng)的消聲器，在相同測試環(huán)境、測點和工況下進行試驗驗證.測試結(jié)果見圖12～14.

圖12 3G-WOT工況下優(yōu)化方案排氣尾管噪聲

由圖12a)優(yōu)化前后排氣尾管噪聲的Overall曲線對比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時，優(yōu)化后的排氣尾管聲壓級分別為79.21，82.71，85.47，89.69 dB(A)與原方案相比分別提高了0.59，0.87，3.64，4.51 dB(A)均在企業(yè)目標(biāo)值以內(nèi)；對比圖12b)與圖4b)的尾管噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化后的尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)得到明顯改善.

圖13 3G-WOT工況下優(yōu)化方案車內(nèi)前排噪聲

由圖13a)優(yōu)化前后車內(nèi)前排噪聲的Overall曲線對比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 300，2 300，3 100，4 100 r/min附近時，優(yōu)化方案的前排噪聲峰值得到降低，分別降低3.64，1.57，3.28，0.49 dB(A)；對比圖13b)與圖2b)的車內(nèi)前排噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化方案在100～600 Hz頻段范圍內(nèi)噪聲得到改善.

圖14 3G-WOT工況下優(yōu)化方案車內(nèi)后排噪聲

由圖14a)優(yōu)化前后后排噪聲的Overall曲線對比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min附近時，優(yōu)化方案的后排噪聲峰值得到降低，分別降低1.72，1.09，2.19，0.47 dB(A)；對比圖14b)與圖3b)的車內(nèi)后排噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化方案在50～500 Hz頻段內(nèi)噪聲得到改善.

4 結(jié) 論

1) 通過對LMS測量的數(shù)據(jù)做后處理分析得知，該車在3G-WOT工況下排氣尾管噪聲對車內(nèi)運動感聲品質(zhì)的影響頻率段為50～600 Hz，主要階次為2階.

2) 采用GT-Power進行傳遞損失分析，得到原方案前級消聲器在50～200 Hz幾乎不消聲，后級消聲器在300～600 Hz頻段內(nèi)存在消聲波谷.

3) 對優(yōu)化后的消聲器進行傳遞損失分析得知前級消聲器在50～200 Hz起到消聲效果，后級消聲器原最低點的570 Hz傳遞損失增量在14 dB以上，且優(yōu)化方案排氣背壓滿足企業(yè)要求.

4) 經(jīng)過試驗得知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時，優(yōu)化后的排氣尾管聲壓級分別為79.21，82.71，85.47，89.69 dB(A)與原方案相比分別提高了0.59，0.87，3.64，4.51 dB(A)滿足企業(yè)優(yōu)化目標(biāo)值，排氣尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段內(nèi)得到明顯改善，聲品質(zhì)有很大提升；前排噪聲峰值分別降低3.64，1.57，3.28，0.49 dB(A)，在100～600 Hz頻段內(nèi)的噪聲得到改善；后排噪聲峰值分別降低1.72，1.09，2.19，0.47 dB(A)，在50～500 Hz頻段內(nèi)噪聲問題得到改善.車內(nèi)整體降噪1 dB(A)，車內(nèi)聲品質(zhì)有所提升.