程志謀

摘 要：本文針對(duì)我司某SUV的排氣低頻噪聲聲品質(zhì)問題進(jìn)行改善提升，通過對(duì)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在共振消聲器內(nèi)部采用排氣閥改善排氣低頻噪聲。并通過理論分析和實(shí)車測試，對(duì)改進(jìn)前后的排氣低頻噪聲及整車排氣背壓進(jìn)行了分析，成功解決了排氣低頻噪聲問題。

關(guān)鍵詞：排氣低頻噪聲 共振消聲器 排氣閥 排氣背壓

Optimization of Exhaust Low Frequency Noise of an SUV Model

Cheng Zhimou

Abstract：This article aims to improve the quality of the exhaust low-frequency noise of an SUV in a company. By optimizing the internal structure of the muffler， an exhaust valve is used in the resonance muffler to improve the low-frequency noise of the exhaust. And through theoretical analysis and actual vehicle test， the exhaust low-frequency noise before and after the improvement and the exhaust back pressure of the whole vehicle were analyzed， and the problem of exhaust low-frequency noise was successfully solved.

Key words：exhaust low-frequency noise， resonance muffler， exhaust valve， exhaust back pressure

1 引言

本文研究的課題來源于東風(fēng)柳汽某SUV車型，在ET-lot階段進(jìn)行NVH性能測試時(shí)存在2階和4階低頻排氣噪聲問題，將會(huì)影響客戶的駕駛感受。因此，需要針對(duì)排氣低頻噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該車的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

排氣階次噪聲屬于低頻噪聲，排氣系統(tǒng)中一般設(shè)計(jì)復(fù)雜的抗性結(jié)構(gòu)對(duì)低頻噪聲進(jìn)行消除，在抗性結(jié)構(gòu)中，共振器具有較強(qiáng)的低頻消聲效果，在管道系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。行業(yè)內(nèi)對(duì)赫姆霍茲共振消聲器的形式腔體長徑比變化對(duì)聲學(xué)性能的影響，內(nèi)插管的形狀，尺寸和穿孔部分的穿孔率對(duì)共振器聲學(xué)性能的影響，以及雙共振器回流式共振器和旁支管消聲器等結(jié)構(gòu)形式來消除低頻噪聲。

以上提到的幾種結(jié)構(gòu)形式的消聲器，對(duì)于單個(gè)共振器的設(shè)計(jì)尺寸一旦確定，共振器的共振頻率將不再變化，將難以消除在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的低頻階次噪聲。而采用多個(gè)共振器或腔體串并聯(lián)的方式，會(huì)因體積過大，成本太高而難以采用。為了克服以上缺點(diǎn)，在消聲器內(nèi)部采用排氣閥，通過優(yōu)化共振器結(jié)構(gòu)及閥門開度來改善一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的排氣低頻噪聲。

2 目標(biāo)車型排氣噪聲問題描述

該SUV車型經(jīng)實(shí)車排氣噪聲測試，客觀測試數(shù)據(jù)顯示（如圖2所示）在2階和4階發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000～4000rpm范圍內(nèi)存在噪聲惡化，2階噪聲尤其明顯，低頻的轟鳴聲給人耳感官體驗(yàn)很差。其車型的基本信息如表1所示。

3 消聲器噪聲問題解析及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 消聲器噪聲問題解析

該車消聲器總成包含為前級(jí)消聲器和后級(jí)消聲器，其中前級(jí)消聲器容積為7L，后級(jí)消聲器容積是32L，總?cè)莘e為39L。前級(jí)消聲器內(nèi)部填充吸音棉，可吸收中高頻噪聲，內(nèi)部還包含一旁支管結(jié)構(gòu)，可消除特定頻率排氣噪聲。后級(jí)消聲器，內(nèi)部含有一個(gè)消聲管（其上分布消聲孔），以及4個(gè)消聲擋板，將后級(jí)消聲器分成5個(gè)腔體，同時(shí)在第二和第四腔體內(nèi)部填充吸音材料。因此后級(jí)消聲器是阻抗符合性消聲器，能夠消除中、低、高頻噪聲。目標(biāo)車型在2階和4階發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000～4000rpm范圍內(nèi)存在噪聲惡化，需要更改消聲器結(jié)構(gòu)或增大容積，但實(shí)現(xiàn)難度較大。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

如果重新更改消聲器腔體結(jié)構(gòu)形式，無法滿足開發(fā)周期。因此，經(jīng)研究保持現(xiàn)有的共振腔結(jié)構(gòu)基本不變，在其中導(dǎo)入排氣閥來控制低階較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲問題。消聲器優(yōu)化改進(jìn)方案如圖3：

改進(jìn)方案說明：排氣管前段總成和前消聲器總成不變，后級(jí)消聲器總成外部輪廓尺寸均保持不變。一般排氣閥主要設(shè)置在后級(jí)消聲器內(nèi)（較大的容積腔體內(nèi)），以起到改變共振腔的結(jié)構(gòu)和容積來消除低頻噪聲。改動(dòng)后級(jí)消聲器內(nèi)部#1擋板，將原Φ63.5mm 通孔改為Φ8mm小孔，另一Φ63.5mm 通孔改為Φ60.5mm孔;#3擋板原Φ25mm孔處安裝排氣閥，原Φ7mm孔取消，其他結(jié)構(gòu)保持不變。具體變更如圖4所示。

圖5所示為排氣閥的結(jié)構(gòu)尺寸圖，將排氣閥后端安裝并焊接在#3擋板上，排氣閥后端的鎖緊彈簧使閥門保持關(guān)閉。該閥體在低轉(zhuǎn)速工況下保持關(guān)閉，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2800rpm及以上時(shí)，消聲器內(nèi)的排氣氣流壓力將排氣閥門推開，第三腔體與第四腔體之間有大孔通道聯(lián)通，形成雙共振器回流式共振器，可以將此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的排氣噪聲由低頻向高頻推移，從而減少或消除該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的低頻噪聲。

4 消聲器優(yōu)化方案驗(yàn)證

采用排氣閥從理論上講可以改善（消除）低頻噪聲，但改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)首先會(huì)對(duì)排氣背壓產(chǎn)生影響，然后再檢討噪聲的改進(jìn)效果及影響。因此方案還需要經(jīng)過理論計(jì)算分析及實(shí)際測試驗(yàn)證。

4.1 計(jì)算對(duì)排氣背壓的影響

由于排氣背壓對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，需要首先計(jì)算新方案對(duì)排氣背壓的影響。若排氣背壓增加過多或超出目標(biāo)要求，則需要重新優(yōu)化方案。利用GT-Power軟件可以準(zhǔn)確的計(jì)算出排氣背壓變及噪聲的變化。

搭建排氣系統(tǒng)GT-Power模型，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行排氣背壓和噪聲分析。

該SUV車型的冷端排氣背壓目標(biāo)要求：≤400mbar @480kg/h，860℃

B/P=P'X（Qm/Qm'）2X（T/T'）=P'X（480/421）'X（860/273）/（843/273）=P'X1.43

排氣背壓系數(shù)為1.43，小于1.7的要求，分析得出新方案排氣系統(tǒng)的排氣背壓值為36.545Kpa。

通過GT-Power計(jì)算分析得知，改進(jìn)方案的排氣背壓計(jì)算結(jié)果滿足目標(biāo)要求。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證排氣背壓

測試介質(zhì)為通氣燃燒的天然氣，流經(jīng)排氣管內(nèi)部的氣體介質(zhì)是帶溫度和背壓的，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況。

測點(diǎn)位置如下圖7所示，分別取前端排氣管進(jìn)氣法蘭后端P1點(diǎn)，前消進(jìn)口前端P2點(diǎn)，以及后端P3點(diǎn)。

※：排氣流量7.5m^3/min時(shí)相當(dāng)于功率點(diǎn)的排氣流量。

臺(tái)架測量的實(shí)際排氣背壓測試結(jié)果為：36.67kPa，與GT-Power計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，且優(yōu)于原始方案，滿足要求。

4.3 改進(jìn)方案排氣噪聲分析

排氣背壓滿足要求后，再對(duì)排氣噪聲改善效果進(jìn)行仿真分析，檢討能否達(dá)到優(yōu)化的目的。噪聲仿真分析結(jié)果如圖7所示：

（1）在20～500Hz常用轉(zhuǎn)速基本都在目標(biāo)線以下。（2）2階成分，在2800 rpm～42000rpm范圍內(nèi)噪聲改善明顯，大約減少10dB（A）以上。（3）4階成分在3500rpm～4000rpm時(shí)有惡化、該區(qū)域不是常用區(qū)域，影響較少、預(yù)計(jì)OK。

4.4 排氣噪聲實(shí)車測試驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)車測試，測量新方案排氣系統(tǒng)噪聲，車內(nèi)駕駛員座椅處噪聲;

測試結(jié)果如下：

（1）新方案2階排氣噪聲在2000rpm～40000rpm范圍內(nèi)噪聲改善明顯。（2）2階和4階車內(nèi)駕駛員座椅噪聲基本在目標(biāo)值以下。

5 結(jié)語

本文以SUV車型排氣低頻噪聲的優(yōu)化為研究對(duì)象，對(duì)帶排氣閥消聲器的性能進(jìn)行仿真分析及臺(tái)架和整車測試驗(yàn)證，對(duì)帶排氣閥消聲器及排氣系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)提供了有效的參考價(jià)值，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程意義。概括總結(jié)可以得出以下結(jié)論：

（1）采用帶排氣閥的方案，有效的解決了該SUV車型存在的2階和4階排氣低頻噪聲問題。（2）消聲器排氣閥體可以改變共振器集總聲質(zhì)抗，使排氣共振頻率可以向高頻發(fā)生送移動(dòng)。（3）研究排氣閥對(duì)噪聲的影響，排氣閥對(duì)排氣噪聲影響明顯?？梢越档洼^寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的低頻排氣噪聲，是降低排氣噪聲改善其聲品質(zhì)的有效方法之一，但是必須兼顧對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]李松波. 車輛排氣系統(tǒng)振動(dòng)建模與動(dòng)力學(xué)特性研究[D]上海：上海交通大學(xué)，2008.