摘 要：文章基于GT-Power软件，对某乘用车消声器传递损失与插入损失仿真分析过程做了详细介绍。通过与发动机模型耦合得到消声器传递损失曲线与插入损失曲线，依据曲线结果提出消声器结构优化方案。本文对消声器的设计与优化起到指导作用，缩短设计周期，节约设计成本。
关键词：GT-Power；传递损失；插入损失；优化设计
前言
排气噪声是汽车的主要噪声源之一，在排气系统上加装消声器是控制汽车排气系统噪声最有效、最简单的办法[1]。汽车排气系统与发动机是相互耦合的系统，单独的排气消声器设计而不考虑发动机实际工作过程对消声器性能的影响往往难以获得预期的消声效果[2]。因此，需要将发动机的工作过程与排气消声器进行匹配研究。本文利用 GT-Power软件建立某车型发动机与排气消声器耦合仿真分析模型，分析了排气消声器传递损失、插入损失，并对消声器结构进行优化设计，有效解决了排气系统噪声大的问题。
1 消声器设计理论
1.1 消声器的评价指标
目前国外对于消声器性能指标主要有两个，分别是：汽车的消声量以及功率的损失。其中消声量的评价指标指的是，汽车使用的传递损失和插入损失，而功率损失则使用损失比来进行评价，即关于消声器的动力性能，设计人员经常使用压力损失来进行评价[3]。
传递损失TL(transmission loss)是指声音经过消声元件后其能量的衰减，即入射声功率级和透射声功率级的差值。传递损失描述的是消声器本身的消声特性，适用于消声器之间的对比；插入损失IL(insertion loss)是安装消声器前后在发动机排气口某固定测点处测得的计权声级之差，它直接反映了消声器对相匹配的发动机噪声的消声效果[4]。本文分别采用传递损失和插入损失进行评价。
1.2 目标车型的消声器设计要求
本文设计开发的乘用车消声器匹配的是4缸直列式空冷发动机(GD192)，排量为1.997 L，压缩比为9.5，额定功率为145kW (5000 r/min)，最大转矩为 280 N ·m(4000 r/min)。
消声器设计需满足国家标准，以汽车排气消声器技术条件QC/T631(2009)为准，对于M1类车辆，额定功率大于100 kW时，插入损失不得小于26 dB，功率损失比不得大于6%，且排气背压不得大于26kPa。
1.3 消声器设计方法
汽车消声器主要分为几个结构原理，分别是气体流动、传热、震动、发动机性能、结构等，通过这些结构原理，消声器能够很好地进行消声作用，同时也具有较高的复杂性。对于传统的消声器设计方法主要分为以下几点，分别是：理论分析、设计经验、试验验证三点。对于形状较为简单的排气系统，现在已经有了比较成熟的设计方法和设计理论。而这些设计方法是基于理论的指导，缺乏实践，匹配不同动力总成，会出现与现实比较大的误差情况[5]。
随着科技的不断发展，排气系统消声器的设计由过去的经验设计逐渐向CAE设计结合经验设计转变，工作人员利用计算机的先进性以及先进的测试方法，对消声器进行设计、制造和测试工作，以便得到更好的效果。
本文基于 GT-Power软件对某款乘用车消声器做了仿真分析，得到消声器的传递损失曲线和插入损失曲线，并对此消声器结构进行优化设计，提出几种优化方案，并通过仿真计算找到最优的消声器优化方案，可以对汽车消声器的设计起到参考作用。
2 建立仿真模型
2.1 发动机模型的建立及验证
GT-Power应用的是一维流体假设的动力学模型，几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以较完整地模拟发动机不同工况的性能变化。整个系统被划分为许多小的控制单元体，单元体上又划分成许多相互交错的网格，网格是系统进行运算估值的基本单元。形状各异的气体通道皆可转化为功能相当的标准管件，最后形成发动机的管网化的模型，用于对发动机进行仿真[6]。GT-Power这种一维模型在计算进气口噪声和排气尾管噪声特别是低于 1000Hz的中低频噪声时有相当高的精确度。
本文中发动机的模型是依据 GD192发动机参数而建立的，对于影响排气噪声的因素进行了比较细致的调校，使其适于对任何工况进行模拟，以提高对发动机性能及不同工况下消声器消声性能预测的准确度[7]。建立的发动机模型如图1所示。
图1 GD192发动机GT模型
Fig.1 GT model of GD192 engine
2.2 消声器模型的建立
排气系统仿真模型的建立就是用特定的图形工具准确描述消声器的结构，并离散成 G-Tise模块能接受的模型的过程。将该模型能加入到 GT-Power的仿真模型中用于排气系统的仿真分析。消声器的模型处理过程如图2、3所示：
图2 前消声器模型前处理
Fig.2 former muffler model pretreatment
图3 后消声器模型前处理
Fig.3 rear muffler model pretreatment
2.3 消声器传递损失仿真计算
将建立的发动机模型与消声器模型耦合，并为其建立无反射端，消声性能以传递损失为依据，消声器前后声功率差即为其传递损失。使用传感器法，通过四个传感器之间的自相关谱即可得到声功率差。建立传递损失分析模型[8]如图4。
图4 传递损失计算模型
Fig.4 Transmission loss calculation model
设置相关参数后开始计算，计算结果如下图5所示。
图5 传递损失分析结果
Fig.5 Analysis result of transmission loss
由图5可以看出，前消声器低频消声性能较差，而高频消声量不错，主要原因是前消声器内有两腔填充吸声材料；后消声器高频消声性能较差，共振峰值频率为70 Hz，消声器实际工作温度较高，共振峰值频率会向高频移动。
2.4 消声器插入损失仿真计算
由于插入损失是计算两个外置麦克风之间的声压级之差，且插入损失与声源特性有关，因此计算时须将消声器与发动机模型连接。插入损失模型首先计算发动机连接前消和后消后的噪声值，然后在图6中模型用等长的直管代替前消和后消，计算此时的噪声值。两次噪声值的差值即为消声器的插入损失。
图6 插入损失计算模型
Fig.6 Insertionloss calculation model
设置相关参数后开始计算，计算结果如下图7所示。
图7 插入损失分析结果
Fig.7 Analysis result of insertion loss
由图7可以看出：该消声器在中高频基本达到了标准要求的 25dB(A)，但在 100Hz以内、300~400Hz、500~600Hz等区域，计算模拟的结果偏低，小于 25dB(A)的要求，消声量还略有不足，需进一步优化设计。
2.5 优化后的模型及结果比对
对前消和后消有针对性地采取措施进行优化，优化后的前消声器和后消声器结构如图8所示。具体措施如下：
图8 优化后的前消声器和后消声器模型
Fig.8 GT model of front and rear muffler after optimize
①在不改变穿孔率的前提下，减小隔板上穿孔的孔径，即增加扩张腔的扩张比，可使整个消声器的消声量得到提高。
②考虑到后消声器存在高转速下消声量不足的问题，因此对后消声器进行适当改变，以增加其对高频噪音的消声量。具体步骤为：增加后消声器穿孔的范围以增加其有效吸声长度，同时适当减小穿孔的孔径以增加消声量。
③由于后级消声器高频消声性能较差，将最右的隔板往后移动50mm，增加消音材料的填充体积和填充密度。
④将后消声器进口管改为喇叭口形，以增加变径，增加消声量。
此优化方案的传递损失和插入损失的仿真结果如图 9、图10所示。
图9 优化前后模型的传递损失仿真比较
Fig.9 Simulation values of transmission loss before and after optimization
图10 优化前后模型的插入损失仿真比较
Fig.10 Simulation values ofinsertionloss before and after optimization
从图9、图10可以看出：优化方案在整个频率下传递损失的仿真结果比改进前提高2～5 dB(A)；优化方案基本在整个频率范围内的消声效果都有一定的提升，低频效果不明显，高频效果较明显；改进后方案的插入损失仿真值基本满足≥26dB(A)的要求。
3 结论
利用 GT-Power软件对某整车排气系统的传递损失和插入损失进行分析，并基于分析结果提出了有效的优化方案。根据上述分析结果可以得到如下4点结论：
1）建立GD192发动机的GT-Power模型并进行了验证，建立与发动机耦合的消声器性能评价指标插入损失和传递损失的仿真模型。
2）根据理论计算确定了消声器的尺寸参数，并建立了基于 GT-Power的消声器模型，完成了消声器的设计方案以及优化方案的传递损失和插入损失的模拟计算，所设计的乘用车消声器插入损失总体上达到了 25 dB(A)，最大达到67dB(A)。
3）采用改变消声器内部结构的方式可以在一定程度改善消声器低频消声性能，但是改善效果有限。
4）采用GT-Power对发动机的工作过程进行模拟，在与消声器模块耦合时进行的传递损失和插入损失的仿真准确度较高，能很好地对消声器的设计与优化起到指导作用，缩短设计周期，节约设计成本。
