基于 GT-power 的汽车排气消声器设计研究

基于GT-power 的汽车排气消声器设计研究宋艳冗 谭建伟 葛蕴珊（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京，100081）摘要：本文在单独消声器声学性能计算的基础上，考虑了发动机排气系统中气体的非定常流动，利用GT-power 软件建立了排气消声器和发动机的耦合仿真模型，利用这种方法进行了某轿车的排气消声器改进设计，在设计过程中还根据《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》，模拟了汽车加速行驶通过测量区域时的排气噪声，以使设计工况更加符合实际的测试工况。

实验证明这种设计方法能够充分考虑消声器的实际工作状态，能更有效的应用于排气消声器设计。

关键词：消声器，发动机，加速行驶Abstract ： Based on the calculation of muffler’s acoustic performance, the coupled model of engine and muffler is established by using the GT-power, in which inconstant flow of the gas from exhaust system is considered. And improved design of the exhaust muffler of a car is implemented by using this simulation method. At the same time, To be consistent with the case of measurement, the pass-by noise is calculated when the car moves through the measurement area according to the Limits and Measurement Methods for Noise Emitted by Accelerating Motor Vehicles. The test results testify that the method is able to consider the real working state of muffler. It can be used in muffler design perfectly. Key word ：muffler; engine; accelerate引言随着汽车工业的迅速发展，汽车噪声控制法规也越来越严格[1]。

发动机排气噪声是汽车的主要噪声源，采用结构合理的排气消声器是降低整车车外噪声最有效、最简单的途径。

传统的消声器设计往往独立于发动机工作过程，无法考虑发动机排气气流对消声器的影响，使消声器的实际消声效果与设计预测结果有很大差距。

为了更加确切地模拟消声器的工作状态，有必要对消声器和发动机进排气系统进行耦合研究。

本文利用GT-power 软件建立某轿车用汽油机和排气系统的联合模型，把发动机的排气参数作为消声器入口的边界条件，使消声器的模拟计算条件更加接近于实际的工作状态。

实践证明，这是排气消声器设计的理想方法。

1传递损失计算和消声器设计图1 消声器模型图2 传递损失比较为了验证GT-power 软件用于消声器声学性能计算的准确性，本文首先利用该软件的muffler 模块建立消声器模型如图1所示，假设消声器内没有气体流动，计算得到消声器的传递损失，并与实验结果进行比较，结果表示在图2中。

根据图2结果可以看出，在消声器内部没有气体流动的情况下，在所计算的频率范围内，计算所得的传递损失曲线与实验结果基本一致。

本文建立了某轿车用消声器的模型（如图3），利用GT-power软件进行仿真计算，并对该消声器进行改进设计，以使该轿车车外加速噪声能够满足国家噪声法规的要求。

消声器内部没有气体流动时的传递损失的计算结果表示在图4中。

图3 某轿车用消声器模型图4 原轿车用消声器传递损失曲线根据图4的传递损失计算结果：消声器在低频段和低中频段的传递损失较小，而发动机噪声又主要集中在低中频段，使得加入消声器后发动机的低频和低中频噪声仍会较高。

为了有效地降低发动机排气噪声，进而降低整车车外噪声，在不改变消声器整体结构的前提下，提出如下改进方案：增大消声器穿孔管的穿孔率[2]，由原来的13%改为17%。

利用GT-power软件的muffler模块建立改进方案消声器模型，计算了消声器的传递损失，并与原消声器传递损失作了比较，结果表示在图5中。

图5 两种结构消声器传递损失比较由图5可以看出，改进方案消声器声学性能在低、中频段有了明显的改善。

2消声器与发动机的耦合研究以上改进设计是在假设消声器内部没有气体流动的条件下进行的，但在实际发动机排气系统中，消声器内部是存在气体流动的，而且由于发动机安装在车辆中运行工况复杂，使得消声器内部气体流动为非定常流动，仅靠在单独消声器模型中定义气体流动速度的办法并不能准确描述消声器的工作状态，鉴于以上原因，本为开展了消声器与发动机的耦合研究。

首先，利用GT-power 软件建立了某轿车用4缸发动机及原车用消声器联合模型如图6，为了检验该模型用于计算的有效性，计算了发动机的功率和燃油消耗率的速度特性曲线，并于实验数据进行了比较，比较结果表示在图7a 、图7b 中。

图6 发动机与消声器联合模型图7a 发动机功率的速度特性比较 图7b 发动机燃油消耗率的速度特性比较由图7a 、图7b 可以看出发动机的扭矩及燃油消耗率速度特性曲线一致性良好，误差在3%以内。

利用上述模型分别计算发动机安装原消声器及改进方案消声器时发动机额定工况的排气噪声，结果表示在图8中。

图8 安装两种结构消声器时发动机排气噪声比较由图8的发动机排气噪声频谱曲线可以看到，安装改进结构消声器时，发动机的排气噪声有所降低低。

从输出总声压级数据也可以得到，安装改进方案消声器时，在与发动机排气管成45o角方向上，距排气口0.5m处，发动机额定工况下的排气噪声由原来的78.8dBA降低到77.7dBA，改进方案的消声效果优于原消声器。

3汽车加速行驶排气噪声模拟前面在发动机稳定转速下，对消声器与发动机进行了耦合计算，并在microphone与排气口相对位置固定的条件下，对两种结构消声器的声学性能作了比较，得出改进方案消声器结构优于原消声器的结论。

而根据GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》中的规定，汽车噪声限值是根据汽车加速通过如图9所示的测量区域时的车外噪声来进行限制的。

测量过程中，汽车与声级计的相对位置时刻都在发生变化，影响噪声的测量结果，而且在加速过程下，发动机噪声特性也会发生变化。

图9测量区域及传声器的布置图9中，AA/线为加速始端线，BB/为加速终端线，汽车沿行驶中心线行驶，传声器布置在离地面高1.2m±0.02m，距行驶中心线7.5m±0.05m处。

图10 汽车加速行驶排气噪声仿真模型鉴于上述原因，为了确定改进方案消声器结构是否能够使该轿车达到噪声法规要求，本文加入了vehicle模块，这样可以很好的仿真轿车加速行驶通过测量区域的过程，通过这种方法，本文模拟计算了汽车加速行驶通过测量区域时行驶到若干位置的汽车排气噪声。

在GT-power中建立汽车加速行驶时的发动机排气噪声仿真模型，其中包括车辆、发动机、消声器等部件，模型如图10。

由实验经验可知，车辆加速行驶通过测量区域时，最大噪声应产生在距传声器最近的加速段中心位置附近，即距加速行驶始端线距离为10m左右处。

在上述汽车加速行驶排气噪声仿真模型中，microphone的位置为0，汽车的初始位置为-10m，向microphone方向行驶，本文分别模拟了轿车加速行驶距离为8.16m、8.84m、9.52m、10.20m、10.89m、11.56m、12.25m的七点处的汽车排气噪声，结果表示在图11中。

图11 汽车加速行驶通过测量区域过程中的排气噪声模拟计算结果由图可知，汽车行驶距离为9.52m（即距声级计0.48m处）时排气噪声最大，噪声值为69.9553dB(A)。

此时的噪声频谱如图12。

图12 噪声最大处的频谱曲线为了进一步检验改进消声器结构的合理性，根据汽车最大噪声级的确定方法，分别进行安装原消声器和改进消声器的加速行驶车外噪声的测量，得到试验数据比较在表1中。

表1不同方案的汽车加速行驶车外噪声的试验测量值方案 车外噪声值dB(A)安装原车消声器 76.5安装改进后的消声器72.4由实验数据可知，安装改进方案消声器时，该轿车的汽车加速行驶车外噪声小于74dB(A)，能够满足噪声法规的要求。

4结论1)GT-power软件用于噪声分析具有全面、灵活的特点，既可以单独计算消声器的声学性能，又可以模拟发动机的稳态和瞬态工况，实现发动机与消声器、车辆的耦合计算，这对实现与汽车加速行驶车外噪声测量工况相匹配的消声器设计具有非常重要的意义。

2)本文利用GT-power软件计算单独消声器的声学性能，针对某轿车消声器提出了一种改进方案；3)将发动机作为消声器的声源，提出了一种将发动机与排气消声器联合建模的设计方法，利用GT-power软件建立了发动机和排气系统的联合模型，这种方法能综合考虑消声器对消声量和发动机性能的影响；4)根据《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》国家标准规定的实验过程，模拟了汽车加速行驶时的排气噪声，并以此作为消声器的设计依据。

这种方法突破了以往消声器的设计往往局限于稳态过程的理论；5)经实验证明：采用本文方法设计的排气消声器的声学性能达到了设计要求。

参考文献1.国家环境保护总局，汽车加速行驶车外噪声限制及测量方法，GB1495- 2002 .2.马大猷. 噪声与振动控制工程手册. 北京：机械工业出版社，2002。