基于动力性和声品质提高的汽车消声器改进

引言

随着家用轿车的普及和产品竞争的日益激烈，开发的新车型除了满足噪声国标要求外，还要满足人们对汽车声品质要求和个性化运动感的追求[1]。在城市交通中，汽车噪声主要来源于发动机的排气噪声，而工程上控制汽车发动机排气噪声最经济可靠的方法是采用消声器[2-3]。消声器性能直接影响整车噪声大小，影响发动机的动力输出，尤其是消声器空气动力性，直接影响汽车发动机的功率输出和燃油消耗，也对整车声品质和运动感觉具有重要影响[4]。目前，有限元、边界元数值计算方法在消声器开发阶段应用越来越普遍，传声损失计算也比较准确[5]。宫建国等利用声学软件计算了消声器内部声压分布和传声损失，改进了消声器结构，使消声器消声性能有了较大提高[6]。石岩等利用流场数值计算方法仿真了消声器声学性能，发现在处理结构较为复杂的消声器时，计算结果更接近于实验结果[7]。近年来，声品质评价作为对车辆主观感受的一种重要方法受到普遍关注。国内外学者对汽车声品质主观评价进行了深入探讨和研究。康润程等通过相关分析和多元回归分析，建立了匀速车内噪声主观偏好性与心理声学参数间的数学模型[8]。但是，利用流场数值计算方法改进消声器，用于提高发动机动力性和整车声品质的研究还相对较少。

本文在试制阶段对样车进行声品质主观评价并和对标车进行对比，建立原车消声器声场和流场数值计算模型，同时进行传声损失、速度分布、压力分布、压力损失计算，与压力损失试验进行对比。为此，对消声器进行基于动力性提高的结构改进，对比改进前后压力损失，进行发动机功率损失和车外加速试验，最后进行声品质运动感主观评价，并和改进前进行对比。

1 样车的主观评价

声品质主观评价在该样车的常用转速下进行，分别为怠速750r/min、一档1000r/min、二档2000r/min、三档2500r/min、四档3500r/min、五档4000r/min六个工况。主观评价采用评审团评价方法，人员广泛，来自于试车手2人、具有15年以上驾驶经验的专职司机3人、具有10年以上汽车维修经验的师傅3人、5年以上的业余司机2人，共10个人组成评审团。运动感分为动力感和活跃感[9]。根据动力和活跃的感觉程度，采用5分制，感觉上分别用极好、好、可接受、差和坏进行打分。如果在两者感觉之间，也可以打半分进行区分。分别对标车和样车进行打分，结果对比如图1所示。从图1对比结果可知，样车和对标车存在很大差距，对标车在各个工况下都达到了好以上的程度，而样车评价值普遍较低，仅仅是可接受的程度，在四档3500r/min、五档4000r/min两工况下评价更低，介于差与可接受之间，说明样车在各个工况都需要大力改进。而改进声品质运动感主观评价，提高舒适性动力性能较好的方法就是改进消声器的空气动力性和声学性能。

图1 原样车和对标车的声品质主观评价对比

2 原消声器声学和流体性能计算

2.1 模型建立及分析

软件GT-Power建立和处理模型效率高，声场数值计算快捷，便于改进结构，缺点是流场的计算结果误差大。软件ANSYS/CFX流场计算准确，效率高，但声场的有限元模型处理非常繁琐，计算速度也慢。因此，本研究中消声器的声场计算采用GT-Power软件，而流场数值计算则采用CFX软件。利用GT-Power建立的消声器声场计算模型，包括声源模块speaker、消声器结构模块Assembly1、传声损失模块TL和消声终端模块Anechoic四部分。不同的消声器进行计算时，只需更换对应的消声器模块Assembly1，就能方便计算不同消声器的传声损失。

消声器的空气动力通过计算流场分布，可以获得消声器内部不同部位流体分布信息特征，如压力分布、速度分布、湍动能分布等，进而也可以计算压力损失。压力损失又称阻力损失，根据阻力损失的机理不同，可把阻力损失分为两大类，摩擦阻力损失和局部阻力损失。消声器总阻力损失等于摩擦阻力损失和局部阻力损失之和。摩擦阻力损失，又称沿程阻力损失，是消声器内壁与气流之间的摩擦产生的。局部阻力损失是指气流通过消声器或管道时，由于消声器或管道结构的变化，使机械能不断损耗，从而产生阻力损失。消声器本身结构尺寸分布不均匀，有些局部尺寸很小，如穿孔板和穿孔管上的小孔只有3mm左右，而空腔部分结构尺寸大。为了获得准确的流场信息，又能保证计算效率，采用变尺寸法处理消声器流场计算模型。细节部分如小孔部分网格最小尺寸1mm，空腔中间网格最大尺寸7mm，采用三角形面单元直接产生四面体单元。有限元模型处理结果如图2所示，单元数量共62821个。

图2 原消声器流场数值计算有限元模型

2.2 传声损失和流场分布

样车原消声器的传声损失在20～2500Hz频率范围内进行计算，结果如图3所示。从图3可以看出，消声性能整体基本可以，但频率从低到高的消声量一致性较差，尤其是1600～1800Hz左右，消声能力显著不足，故需要调整结构，尤其是一些局部结构。

图3 原消声器的传声损失

样车原消声器的流场计算完成后，可以任取某一截面，显示详细的速度、压力、湍动能等流场信息特征。流场分布具体数值与发动机运行工况有关，具体到计算时，需要施加不同的边界条件。在发动机转速为4000r/min的工况条件下，消声器某截面速度分布如图4所示。从图4可以看出，整体速度分布较高，在内插管出口处局部速度高达121.4m/s，一般都能达到约45m/s。同等工况下，某截面的压力分布如图5所示。从图5可以看出，整体压力较大，有些腔整体压力高达14200Pa，另一腔壁附近压力也较高，达到了9000Pa，而后面的压力损失计算和试验结果也能证明这一点。

图4 某截面速度分布

图5 某截面压力分布

为了提高发动机的动力性能，深入修改流场分布结构和特征，进行了消声器的压力损失计算。同时，为了验证结果的正确性，还进行了实验验证。压力损失采用九点法，即在消声器流场计算完成后，在消声器进口管某一截面上均匀取九个点的压力进行平均，得到进口压力。同样方法在出口管某一截面处理得到出口压力，二者之差即压力损失。和实验对比，结果如图6所示。从图6可以看出，在发动机750、1000、2000、2500、3500、4000r/min六种工况下的误差分别为6.25%、7.87%、7.22%、7.26%、5.81%和9.57%，最高误差为9.57%（不超过10%），最小误差5.81%，说明流场计算比较准确，可以作为改进计算的依据。

图6 不同工况下压力损失计算与试验值对比

3 改进前后的性能分析

根据声场和流场计算结果调整结构，在总长度不变的情况下，由四腔改为三腔，进口端部由直口改为减缩形状、出口端部由直口改为渐扩形状，改变穿孔板和穿孔管上的穿孔率和布置，进口管、出口管和中间穿孔管的端部插入腔内的长度分别改为其1/2或1/4。改进后的三维模型分别由前腔、后腔和中间腔三腔，进气管、出口管和中间穿孔管三管，前隔板和后隔板等组成。

3.1 消声性能对比

改进后，传声对比如图7所示。从图7可以看出，改进后的总体消声趋势的一致性较好，随着频率增大，消声量也逐渐增大，尤其是针对原结构在频率1600～1800Hz范围内传声损失突然下降的缺点，改进后的结构中传声损失得到了较大提高，说明改进方法比较恰当，从计算上改进效果较显著。

图7 改进前后消声器传声损失对比

3.2 压力损失对比

改进结构时，重点考虑了动力性能，即在满足消声量和消声频率的前提下，改进消声器内部流场结构，具体体现在流场速度分布和压力分布。结果显示，整体速度改善较大，进口管出口速度从121.4m/s降到73.37m/s，其他部位一般为15～20m/s。同等工况下，某截面的压力分布显示，进口管内压力仅有10140Pa，压力最大的一腔仅为7500Pa。由此说明，消声器的内部气流速度和压力数值普遍降低，但整体动力性需要通过压力损失来验证。

为了研究改进前后消声器整体空气动力性能，在发动机 750、1000、2000、2500、3500、4000r/min六 种 工 况下进行对比，结果如图8所示。从图8可以看出，六种工况下的压力损失分别降低了50.98%、20.73%、53.72%、40.26%、37.87%和44.06%，最高降低53.72%，发生在转速2000r/min的工况下，最小降低20.73%，发生在转速1000r/min工况下。改进后，压力损失随发动机转速提高而逐渐增加，一致性较好，而原结构的压力损失随发动机转速变化比较突然。

图8 不同工况下压力损失改进前后对比

4 实车验证及主观评价

4.1 功率损失测试对比

6)与Gumbel(min)(极小值)函数相关系数的计算。生成3 180×1的Gumbel(min)(极小值)函数随机矩阵数据，然后以z=corrcoef(A,G)指令计算相关系数，zGumbel(min)=-0.003 3。

表1 消声器改进前后发动机功率损失对比

4.2 主观评价及车外加速噪声测试

测试安装消声器后的发动机功率损失的情况需要在发动机台架上进行。发动机分别安装原消声器和改进后消声器。试验六种工况下发动机的功率损失，对比结果如表1所示。从表1可看出，发动机在转速750r/min（怠速）、1000r/min（一档）、2000r/min（二档）、2500r/min（三档）、3500r/min（四档）、4000r/min（五档）安装原消声器时，功率损失分别为0.88%、2.62%、3.74%、4.26%、4.53%和4.95%。安装改进后的消声器时，功率损失分别为0.32%、1.25%、2.26%、2.49%、2.77%和2.98%。改进后的消声器，功率损失在各工况不大于3%。与安装原消声器相比，安装改进后的消声器，怠速下功率损失降低了0.56%，一至五档功率损失分别降低了1.37%、1.48%、1.77%、1.76%和1.97%。因此证明，消声器改进后，发动机动力性能有了较大提高。

图9 改进前后不同工况下声品质主观评价对比

5 结论

根据以上研究，获得如下结果：

（1）在各个工况下，样车运动感声品质评价普遍较低，仅仅是可接受的程度，四档3500r/min、五档4000r/min两工况评价更低，介于差与可接受之间的程度，而对标车基本上都是好的程度；样车原消声器消声损失整体消声性能基本可以，但频率从低到高的一致性较差，尤其是1600～1800Hz左右消声能力显著下降，速度分布和压力分布数值较大，压力损失大。

（2）改进后的总体消声一致性较好，随着频率增大，消声量逐渐增大，局部速度分布和流场分布数值降低程度较大，压力损失普遍降低，最高降低53.72%，发生在转速2000r/min，最小降低20.73%，发生在转速1000r/min。改进后的压力损失随发动机转速提高而逐渐增加，一致性较好，而原结构的压力损失随发动机转速变化比较突然。

（3）安装改进后的消声器，发动机台架试验750r/min转速下功率损失降低0.56%，1000r/min、2000r/min、2500r/min、3500r/min、4000r/min转速下对应功率损失分别降低了1.37%、1.48%、1.77%、1.76% 和 1.97%。

（4）实车车外加速为71.8dB（A），评价大幅度提高，六个工况下评价大幅度提高，都达到很有好以上，其中怠速、二档、四档达到好与极好之间，一、三、五档达到好的程度，尤其四档、五档提高幅度更大，分别达到80%和60%。