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摘要：隨著工業制造水平的不斷提高，汽車制造業獲得了長足的發展，加之人們生活水平的提升，汽車保有量迅速增加，這些都為汽車工業的快速發展打下了堅實的基礎。但同時汽車噪音問題也開始備受關注，特別是隨著噪聲法規的日漸完善，汽車降噪處理的任務也更加繁重。在信息技術的推動下，利用軟件對噪聲進行仿真分析，能夠進一步優化汽車消聲器設計。本文運用GT-Power軟件的仿真功能，對汽車排氣消聲器結構予以優化設計。
1汽車排氣噪聲產生原理和消聲器的機理研究
噪聲是汽車發動機運行中十分常見的一種故障現象，主要由于發動機氣缸內部發生了急劇的高溫廢氣變化情況，強大的氣壓波迅速產出排放時，產生的巨大的聲音。根據噪聲的振幅、頻率和結構位置，可以劃分為基頻排氣噪聲、亥姆霍茲共振噪聲、廢氣噴注噪聲、排氣道內避面的紊流噪聲、沖擊噪聲等。其中基頻排氣噪聲最為常見。因此，汽車排氣消聲器的設計研究就顯得尤為必要。當前消聲器可以細分為有源和無源兩種，相對而言，有源消聲器使用繁瑣，應用的范圍較小，而無源消聲器則有著較為廣泛的應用市場。
1.1汽車排氣噪聲產生原理
汽車的發動機開始運行的時候，氣缸內部將會產出高速和高溫的廢氣，這些廢氣經由排氣口排出，將會形成低頻和周期性的噪聲，亦可以稱之為基頻排氣噪聲，也是汽車發動機最為主要的噪聲來源。其基頻和諧波的運算公式為：fk=knz60τ式中，k表示諧波的次數；n表示發動機轉速，單位為r/min；z為發動機氣缸的數量；τ表示沖程系數，其中二沖程的τ值為1，四沖程的τ值為2。
1.2汽車排氣消聲器的機理研究
為有效降低汽車發動機噪聲，可以在汽車氣動裝置的空氣流道上面安裝汽車消聲器。其原理在于借助聲波的作用，實現聲波之間的互相干擾，以此對聲音壓強進行降低，減少噪聲的發出，以此實現消聲目標。消聲器可以劃分為主動消聲器和無源消聲器。其中主動消聲器是發射出等同于噪聲振幅但是相位相反的聲波，以此對噪聲聲波進行干擾和抵消，從而實現降噪的目標。不過主動消聲器的使用相對較為復雜，應用不夠普及。無源消聲器則包括以下幾種：①抗性消聲器。該消聲器主要是對聲阻抗進行改變，其在管道界面產生反射和干擾作用，以此來對噪聲進行消除。該消聲器適用于中頻和低頻噪聲中。②阻性消聲器。該消聲器則是借助多孔吸音材料來對噪音進行消除。噪音進入到吸音材料中后，氣體和材料間進行摩擦作用，促使部分聲能轉化為熱能，從而消除部分噪音。該消聲器多用于中高頻噪音消除中。③阻抗復合消聲器。顧名思義，是將上述兩種消聲器進行有效的融入，以此實現更為廣闊的適用性。
2基本消聲單元的性能以及消聲器的設計方法
2.1基本消聲單元的性能分析
對于消聲器設備而言，消聲器單元是其最為基本的組成部分?？茖W開展消聲器單元數據分析，能夠更好的明確不同的結構形式對于消聲器的具體影響，為后續開展消聲器設計研究體用基礎數據。本文則借助仿真軟件，開展了擴張式消聲器的數據計算研究，該消聲器屬于抗性消聲器的一種，其原理在于利用管道界面的改變，來干擾和影響管道內部的噪聲傳遞頻率，從而降低噪音。就目前來看，最為常見的擴張式消聲器主要為簡單的擴張腔。當sin（kL）=1時，消聲量最大，相應頻率稱為中心頻率，表達為：fc=2n-14•cL當sin（kL）=0時，消聲量等于零，相應頻率稱為通過頻率，表達為：fi=n-12•cL本次研究對象選取的擴張腔結構為：進出口的管徑分別為50mm，擴張腔的直徑為150mm，腔體的長度為200mm。
①擴張比及腔體長度的影響。a）擴張比越大，消聲量越大。fH=1.22式中，c為聲速，m/s；D為擴張腔的特征尺寸，對于圓截面，D為直徑，對于其它形狀，D=S（S為截面積），m。b）伴隨著不斷增加的腔體長度，上限的頻率保持不變，整體的波形朝向零點的方向壓縮。
②擴張腔截面形狀的影響。通過分析可知，在低頻區域，不同形狀所產生的傳遞損失曲線幾乎重合，也就是說，腔體形狀幾乎不會對低頻產生影響。正方形和圓形界面，所產生的聲學特性幾乎一致，僅僅區別為：上限頻率較高的為圓形界面，上限頻率前的消聲量較高的為正方形。橢圓形的截面形狀的上限頻率，從較高頻率朝向低頻區域傾斜，且拱形峰值也呈下降趨勢。超過上限頻率后，該形狀依然可以實現一定的消聲能力。
③出入管偏置的影響。關于出入管偏置的情況可以細分為以下兩種類型：第一，出入管的一端出現偏置。固定入口位置，偏置出口管20mm、40mm。或者固定出口位置，偏置入口管20mm、40mm。以此來分析一端出現偏置的情況下，對于聲學的具體影響。結果可知，出口或者入口偏置相同距離，其對于聲波的影響是完全相同的。當上限頻率確定為2700Hz時，在此之前，消聲量幾乎產生改變，也就是說，偏置情況對于中低頻的影響是極小的。但是在上限頻率之后，偏置的距離越大，其對于消聲的影響越大。也就是說，在實際設計消聲器時，可以適當的采取一端偏置的情況，特別是對于高頻噪音的消除具有重要作用。第二，兩端出入口同時進行偏置。按照25mm、50mm、75mm的距離進行出入口兩端的同時偏置。結果可知，同樣是對低頻段無影響。而對于中高頻段而言，本例中為1000-2700Hz頻段，偏置的距離越大，反而降低了消聲性能。而進入到高頻階段，偏置距離越大，消聲性能卻越好。
2.2消聲器的設計方法
消聲器的結構原理主要包括氣流結構、傳熱結構、振動結構和發動機性能。消聲器利用這些結構來消音，這些結構有一定程度的復雜性。消聲器的設計方法有很多，比較傳統的方法主要是理論分析、實驗驗證和設計驗證。排氣系統的外形越簡單，相關理論和設計就越成熟。然而，雖然該方法已經成熟，但更多的是基于理論層面，缺乏實踐驗證。目前，隨著科學技術的進步和汽車工業的發展，汽車排氣系統消聲器的設計也逐漸發生了變化。主要表現在理論指導的結合和CAE設計與經驗設計的結合。在進行設計工作時，工作人員利用計算機軟件的測試功能進行模擬和測試。本文的設計方法是基于GT-Power軟件的仿真分析功能。利用軟件仿真得到了消聲器的插入損耗和傳輸損耗，并根據這些參數對消聲器進行了優化設計。
3汽車排氣消聲器的優化設計思路
3.1模型建立
3.1.1發動機模型
GT-Power主要是利用一維流體架設模型來實現對發動機不同工況的模擬。發動機系統亦可以細分為不同的控制單元，且每一個單元還包括了眾多的交錯網格，這也是發動機得以運行的重要基礎。本文以某OEM發動機為例，構建基礎模型。
3.1.2消聲器模型
本文利用工具來對消聲器結構進行描述，并離散為模型。最終在排氣系統仿真模型中進行該模型的添加。
3.2消聲器的仿真計算
3.2.1傳遞損失計算
耦合之前構建的兩個模型，對聲功率的差異進行計算，然后構建傳輸損耗仿真模型。設定完畢參數后，得到最終的仿真結果：后置消聲器于低頻范圍內，性能更優；前置消聲器在高頻范圍內，性能更優。
3.2.2插入損失計算
經過分析可知，插入損失和聲源本身特性密切相關。因此需要連接發動機模型和消聲器，以此來對連接前后的噪聲進行分析。從分析結果可知，消聲器高頻部分能夠滿足需求，而低頻部分效果欠佳，這表明消聲效果不夠，還存在一定的優化空間。
3.3發動機消聲器的優化設計
依據上述的計算結果可知，在進行消聲器優化設計時，其內徑需要超過0.051m。之前的排氣系統管道的內徑經測算，為0.054m，符合消聲器的流速要求。因此優化設計時沿用該參數即可。針對抗性消聲單元而言，擴張比的大小直接決定了消聲量的大小，二者的關系如表1所示。同時，結合設計經驗可知，消聲器的擴張比多曲江與最高的消聲目標。經過計算可知，原先的排氣系統的擴張比為19.76，其對應的消聲量大致為19.9dB（A），幾乎和最高的消聲目標20.3dB（A）持平。因其他工況對于消聲量要求較低，不高于19dB（A）即可。因此可以繼續采用之前的主消擴張比，也就是按照原先0.045254m2的截面面積進行計算。在實際設計時，對消聲器的內部管徑進行提升或者進行共振，以此實現最高消聲量的基本要求。針對如上仿真分析識別的性能不足，優化設計方法為：一是將設備的膨脹比進行增加，促使發動機消聲器性能提升；二是將高頻區域內的消聲器的再生量進行改變，也就是對穿孔范圍進行擴大，降低穿孔的孔徑；三是后移消聲器右側的隔板50mm左右，以此來對消聲器的體積和密度進行適當的增加；四是改變消聲器噴嘴為喇叭狀，以此來增加消聲器的消聲量。
3.4優化結果
優化改進之后的消聲器，其傳輸損耗比原先的消聲器高2-5dB（A）左右。經過上述措施優化后，極大的改善了消聲器的整體性能，高頻區域消聲效果更優，低頻范圍內也滿足相關標準要求。本文利用GT-Power軟件對排氣系統的傳遞損耗和插入損耗進行了分析，實現了對汽車排氣消聲器的優化改進設計，有助于縮短設計時間，降低設計成本，期望能夠對同類課題提供一定的借鑒意義。
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作者：田松 單位：張哲明
