改善几何参数设计以优化汽车排气噪声和气流噪声

某汽车企业开发一款新车型，车型匹配的发动机阶次噪声问题突出，急需改进排气系统。在前期排气系统开发中，后消声器采用了第 4章介绍的带阀消声结构，但四阶的阶次噪声依然超过了厂家要求的标准控制线。后消声器由于底盘空间限制无法继续进行改进，于是转向进行中部消声器结构改进。

如图5.27所示，原中部消声器采用对置双赫姆霍兹共振结构，以提高中部消声器的低频消声能力。对原车的排气尾管辐射噪声进行测试，并提取阶次噪声，如图5.28和图5.29所示。

图5.27　原中部消声器结构

从图5.28和图5.29可知，使用原中部消声器，二阶、六阶以及八阶曲线基本都在标准控制线以下，但四阶曲线在1 200 r/min、1 800～2 300 r/min、3 500 r/min、4 100 r/min左右都超出了标准控制线，其中1 800～2 300 r/min是汽车常用转速，该转速范围内的四阶阶次噪声应当作为重点消除对象，此转速范围对应的四阶噪声频率为120～153 Hz。

图5.28　原中部消声器的二阶声压级曲线

图5.29　原中部消声器的四、六、八阶声压级曲线

从上面的测试结果可知，原中部消声器中的对置双赫姆霍兹共振器结构的消声能力还不足以完全控制四阶阶次噪声，需要采用性能更好的低频消声结构。通过5.3节的分析可知，锥颈共振器可以有效提高共振器的消声频带，在不增加腔体体积的情况下提高共振器的低频消声性能，因而考虑将原中部消声器中的常规赫姆霍兹共振器改进成锥颈共振器，如图5.30所示。

图5.30　改进中部消声器结构(www.xing528.com)

改进的中部消声结构在原来的基础上将共振器颈部的直管换成锥管，改进成为对置双锥颈共振器结构。而对置双锥颈共振器几何结构参数的设计，需要进行细致的计算。由于车底盘空间的限制，中部消声器的外形不能改变，因而双锥颈共振器的共振腔腔体体积主要由隔板 1和隔板 2的位置决定。颈部锥管尺寸在保证不干涉的情况下，可以进行较大范围的调整。因而对置双锥颈共振器的声学设计参数主要由隔板1、隔板 2的位置以及两个锥形管的几何尺寸控制。详细的声学参数设计流程如图5.31所示。

图5.31　中部消声器结构设计流程

重点消除的噪声频段为 120～153 Hz，因而将中部消声器的两个锥颈共振器的共振频率分别定在120 Hz和150 Hz，然后利用传递矩阵模型以及共振频率计算公式对锥颈共振器的结构参数进行初步设计，并根据实际消声器结构和空间大小对参数进行快速反复调整，最后确定的两个锥颈共振器的设计参数见表5.3。

表5.3　对置双锥颈共振器几何尺寸参数

按照表5.3中的尺寸参数，建立改进的中部消声器的几何结构。然后运用排气系统专用仿真软件 GT-power对原中部消声器和改进后的中部消声器进行传递损失仿真。仿真时结构内部的介质温度按一般中消结构实车测试的温度400°进行仿真计算，仿真结果如图5.32所示。

图5.32　中部消声器传递损失曲线对比

从图5.32中可以看出，改进后的中部消声器的传递损失在共振峰处的消声带宽要宽于原中部消声器，而且峰值处的消声量也高于原中部消声器。另外，图中传递损失曲线有两个峰值，峰值频率分别位于 120 Hz和150 Hz附近，充分说明改进后的中部消声器中的对置双锥颈共振器几何尺寸参数设计的准确性。