赫尔姆兹消音器在汽车排气系统中的应用

排气系统是汽车中一个非常重要的部件,不仅影响发动机的动力性、经济性、排放性,而且对汽车的NVH(noise、vibration、harshness)性能也有着重要的影响。随着经济社会的高速发展,人民生活水平的提高,人们对汽车产品的要求也不只是代步工具那么简单,而对于整车的乘坐舒适性提出了更高、更新的要求。车内噪声是影响乘坐舒适性的重要指标，其中,排气噪声的优化对改善整车车内噪声品质、提高乘坐舒适性的意义重大。

本文针对某款运动型实用汽车(sport/suburban utility vehicle,SUV)车内产生的排气轰鸣音及排气气流声问题,运用GT-Power仿真分析软件对排气噪声进行仿真优化,对排气系统提出改进意见,然后进行整车试验，验证其可行性。

1 问题提出及数据分析

某SUV车在各挡位加速以及空挡踩油门工况下进行NVH测试时,发现发动机转速在1 200 r/min时车内驾右均存在轰鸣音,导致乘坐者有压迫耳膜令人晕眩的感觉,严重影响了整车乘坐的舒适性。

在静音转毂实验室中,接大消声器对排气噪声进行屏蔽,如图1所示。

图1 静音转毂排气屏蔽试验

排气噪声屏蔽后,1 200 r/min转速处的车内轰鸣音消失,因此判断该轰鸣音由排气系统引起。屏蔽排气噪声前、后车内噪声的变化规律如图2所示。

图2 屏蔽排气噪声前、后车内噪声的变化情况

三挡节气门全开(wide open throttle,WOT)工况下驾驶员右耳总噪声以及各阶次噪声的频谱[1]如图3所示。

图3 三挡WOT工况下车内驾右噪声总声压及各阶次分解图

由图3可以看出,1 200 r/min时二阶次噪声声压级均出现较大峰值,分析可知这是造成车内出现轰鸣音的主要原因。

二阶次噪声频率与发动机转速关系[2]如下:

f=in/(60τ)

(1)

其中,f为频率;τ为冲程常数,四冲程取2,二冲程取1;i为发动机缸数;n为发动机转速。

由(1)式计算得出需衰减频率为40 Hz,因此后期优化思路主要是提升排气消声器40 Hz的消声效果。

工程上通常采用1/4波长管作用于中高频,赫尔姆兹消音器作用于低频。赫尔姆兹消音器经验公式[3]为：

f V≥300

(2)

其中,f为频率;V为消声器容积。由(2)式经计算得出赫尔姆兹消音器容积VH≥7.5 L。

消声器的消声性能通常有传递损失TL和插入损失IL 2个衡量指标,本文采用传递损失指标来进行评价。TL的表达式为：

(2)

其中,Win、Wout分别为进、出气口声功率;pin、pout分别为进、出口处的声压;Sin、Sout分别为进、出气口的截面积。

近年来,随着计算机技术的发展,有限元法被越来越多地运用到消声器的声场分析中,该方法分析的结果与实际声场符合得较好[4-6]。本文采用的声场计算软件GT-Power以一维流体动力学为基础,采用有限体积法进行计算,能够完成排气系统的性能仿真与改进工作。

利用GT-Power软件建立的SUV车消声器传递损失计算模型[7]如图4所示。

图4 消声器传递损失计算模型

由GT-Power软件分析得到的原设计的前、后级消声器传递损失曲线如图5所示。由该软件分析的结果可以看出,在40 Hz处前级消声器的传递损失为8.9 dB(A),后级消声器的传递损失为6.0 dB(A)。

图5 前、后级消声器的传递损失

前、后级消声器耦合后的传递损失如图6所示。

图6 前、后级消声器耦合后的传递损失

由图6可以看出,整套消声器在40 Hz处传递损失为13.6 dB(A),在前100 Hz传递损失呈递增趋势。

这是因为发动机在40 Hz处发出的点火二阶次声压级较高,所以需要特别增加消声器在该频率处的消声量。

2 结构改进与效果分析

该SUV车前级消声器容积为24 L,后级消声器容积为9 L。由于出现的峰值噪声频率低,需要的赫尔姆兹消音器容积比较大,设计目标达到了7.5 L以上,因此决定对前级消声器进行结构优化。

前级消声器是典型的三管迷路式阻抗复合型消声器,内部3块隔板(从左向右依次为隔板一、隔板二、隔板三)将消声器分割成4个腔(从左向右依次为第1腔、第2腔、第3腔、第4腔)。第1腔容积为8 L,第2腔和第3腔容积均为4.7 L,第4腔容积为6.6 L;第2腔、第3腔内部填充有吸声棉。

隔板一、隔板二、隔板三上均有200×φ4 mm的小孔;进气管上有2处穿孔,均为180×φ4 mm,分别位于第2腔、第3腔内;中间管无穿孔;出气管上的2处穿孔为54×φ4 mm、558×φ4 mm,分别位于第1腔、第2腔内。

将前级消声器各个腔室重新调整,第4腔设计成赫尔姆兹消音器。为了兼顾其他腔室合理的长径比,确保消声器其他频段的低频消声量[8],将前级消声器长度增加100 mm,容积增加3 L。

具体调整方式为:

(1) 删除隔板三上的全部穿孔,将进气管出口更改到第3腔,删除进气管末端穿孔,这样便将第4腔由扩张腔调整为赫尔姆兹消音器,容积分配为8 L,其中中间管起到赫尔姆兹消音器连接管的作用。

(2) 第1腔容积仍保持为8 L。

(3) 第2腔容积增加为7 L,中间填充吸声棉,将进气管上的穿孔调整为360×φ3.5 mm,通过增加穿孔的范围和适当减小穿孔的孔径以增加高频消声量[9]。

(4) 第3腔容积调整为4 L,由于进气管出口在第3腔,去除第3腔的吸声棉。

前级消声器结构优化示意图如图7所示。

建立优化后的消声器GT-Power声学模型,仿真分析结果如图8所示。

由图8数据可以看出,优化后的前级消声器传递损失在40 Hz处从8.9 dB(A)增加到24.2 dB(A),前、后级消声器耦合后传递损失在40 Hz处从13.6 dB(A)提升到28.2 dB(A),说明优化效果较好。

图7 前级消声器结构的优化

图8 优化后前、后仿真结果的对比

3 整车噪声测试

将改进后的前级消声器应用到该SUV车排气系统上,再次进行实验验证。

前、后级消声器在整车底盘的布置示意图如图9所示。

图9 前、后级消声器整车布置示意图

二挡、三挡WOT工况下，排气管口和车内驾右噪声实验结果的对比分别如图10、图11所示。

图10 二挡WOT工况排气管口和车内驾右噪声对比

由图10可知,二挡WOT工况下,改进后排气尾管管口二阶噪声显著下降,车内40 Hz处二阶次声压级由58.8 dB(A)降低至52.7 dB(A),总声压级由60.8 dB(A)降低至57.0 dB(A),主观感受车内驾右轰鸣音消失。

由图11可知,三挡WOT工况下,改进后排气尾管管口二阶噪声明显下降,车内40 Hz处二阶次声压级由59.2 dB(A)降低至55 dB(A),总声压级由62.3 dB(A)降低至59.2 dB(A),主观感受车内驾右轰鸣音消失,整个加速过程中无明显波峰,音品质较好。

图11 三挡WOT工况排气管口和车内驾右噪声对比

4 结 论

排气噪声会透过车身板件传递到车内,影响驾驶员和乘客的乘坐舒适性,是整车噪声的重要组成部分。本文通过调整消声器内部管路和隔板的结构,在消声腔内设计出一个赫尔姆兹消音器单元,利用其固有的消声特性提升排气系统特定频率的消声量,消除车内轰鸣音,提升整车车内噪声品质。实验证明,该赫尔姆兹消声器对于降低低频、窄频带噪声方面具有针对性强、效果明显的优点。另外,本文在消声器优化设计过程中,利用GT-Power软件分析其传递损失,为性能优化提供了方向,节省了大量的试验和样件制作工作,缩短了产品优化周期,提高了开发效率,降低了改进成本。