汽车排气低频噪声的优化

2000
3000
4000
5000
6000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
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┊
Байду номын сангаас
图 7. 125Hz 倍频程声压级
图 8. 250Hz 倍频程声压级
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通过测量 6000RPM 处背压，优化后消声器比原消声器高出 1.8Kpa，但其背压值在规定的范 围内，可以接受。另外发动机怠速情况下，优化后的整车排气噪声从 62.2dB(A)降到了 58.0dB(A)。
图 5. 总的 A 计权声压级 Overall
图 6. 63Hz 倍频程声压级
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LMS 用户大会
声压级/dB 声压级/dB
105
105
Deadline Original K2
Deadline Original K2
95
95
85
85
┊
┊
75
75 转速/rpm
转速/rpm
┊
65
65
┊
1000
线
要源于空气动力噪声，而空气动力噪声是由发动机在运转时排气阀门周期性的开闭所产生的压力
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脉冲激发气流而产生的，并在排气系统各个部件中传播，最终在排气尾管口与高频的气流摩擦噪
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声一起向外辐射。
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┊
排气低频噪声对车内、车外噪声的力度、轰鸣、烦恼等主观听觉感知特征产生重要影响[3]。
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对车内噪声来说，主要是降低 300Hz以下的低频噪声在耳膜处产生的轰鸣感受，作为与车匹配的
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【关键词】低频噪声、消声器、传递损失、噪声测试
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引言
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汽车工业和城市化的快速发展，给人们带来便捷的同时也带来了烦恼，据有关统计资料显示，
┊
以汽车噪声为主的交通噪声污染占城市环境噪声污染的75％。汽车是一个包括多种噪声源的综合
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噪声源[1]，研究表明排气噪声是汽车的主要噪声源之一，而这其中又以排气低频噪声对人们的影
┊
消声器是否有效地消除了排气低频噪声，可以通过发动机台架试验或整车试验测量尾管噪声
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进行评判。同样的可以用传递损失来单独评价消声器的低频声学性能[5]，以验证排气低频的消声
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效果，为前期声学设计进行方案筛选提供很好的方法。后文实例分析与验证一方面借助于LMS
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SYSNOISE优化原消声器结构，另一方面通过传递损失试验对几套效果较好的方案进行筛选，最
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加速时车外噪声偏大，且轰鸣感较强”问题的关键因素。经 CAE 优化分析并由传递损失试验筛
┊
选，确定几套方案中的方案二为最终进行整车低噪转鼓试验验证的方案。从 3 档全负荷加速试验
订
和怠速测量结果显示，优化后的消声器在怠速和低转速加速工况下噪声值都有明显改善，且排气
┊
系统最大背压值在规定范围内，优化达到了预期效果，且为今后进行汽车排气低频噪声的优化提
┊
供了一种方法。
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┊
参考文献
┊
线
┊
[1] 马大猷. 噪声与振动控制. 机械工业出版社, 2002.
┊
[2] 庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动. 北京理工大学出版社, 2006.
┊
[3] MAO D-X. Parametric model for low-frequency index of subjective car interior sound
┊
终通过整车低噪转鼓试验测量尾管噪声进行验证。
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2 实例分析与验证
┊
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┊
2.1 问题陈述
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┊
本文分析与验证是基于国内某款轿车。其问题表现为，车辆怠速以及低转速加速时车外噪声 偏大，且轰鸣感较强。经噪声源识别发现排气噪声贡献量最大，且低频为主要排气噪声成分。通 过对原主消声器进行传递损失试验，发现其在 200Hz 以下低频的消声效果较差。为此，本文优化 主要是为提高主消声器的低频消声效果。
综上所述，此次对排气低频噪声的优化达到了预期的效果。
┊ ┊
3 结语
┊
装
┊
本文从分析排气低频噪声透射强、传播远以及在导管中平面波传播的特征，提出验证消声器
┊
低频特性的传递损失试验方法，用于在声学设计过程中进行方案筛选。并以实际工程问题为例，
┊
通过传递损失试验，发现轿车匹配的原消声器较差的低频消声效果为导致“车辆怠速以及低转速
┊
法联立各个消声元件的传递矩阵，可以获得消声器入口端(in)与出气端(0)的声学关系。（如图 2 所
┊
示）
订
┊
┊ ┊ ┊
pin T1 T2 ... Tn p0
qin
q0
⎡ ⎢ ⎣
pin qin
⎤ ⎥ ⎦
=
T1
⋅
T2
L Tn
⋅
⎡ ⎢ ⎣
p0 q0
⎤ ⎥ ⎦
┊
线
┊
图 2 消声器入口端与出气端的声学量描述
声管的截至频率低，而且还要低得更多些，低得愈多在管中获得纯净的平面声场的区域愈大[4]。
┊ ┊
圆柱形声波导管的截至频率可以表示为：
fc
= 1.84 c πd
;
c 为声速；d为圆管直径。因此，对于汽
┊
车用排气系统，其排气低频远低于管道的截至频率，即可以认为在排气系统直管道中只存在平面
┊
波，其声学特性可以用传递波的声压p和体积速度q两个变量进行描述，并在频域上用一个线性矩
装
响最大。
┊ ┊ ┊
本文主要研究的内容：分析排气低频噪声产生机理和特征，提出合理的测试和控制方法，并 以实际工程问题为例，进行CAE优化和试验验证。
┊
┊
1 排气低频噪声特征
订
┊
┊
1.1 排气低频噪声的产生机理和影响
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┊
排气噪声包括空气动力噪声、冲击噪声、结构辐射噪声和气流摩擦噪声[2]。排气低频噪声主
┊
排气系统除了挂钩将结构噪声传递到车内产生轰鸣外，排气尾管口的低频空气声透过车体传入车
┊
内同样有很大贡献。理论上，隔声频率特性曲线在质量控制区其上升的斜率为 6dB/倍频程，即车
┊
体对低频的隔声要比高频差。当要增加低频处的隔声量，需满足隔声“质量定律”，即要增加重
┊
量，这与目前汽车轻量化设计的主流理念背离。对车外噪声而言，特别是怠速及发动机低速运转
┊
时，低频轰鸣感为主要噪声感知特征。由经典的斯托克斯-克希霍夫声吸收公式[4]，吸收系数与频
┊
率的平方成正比，即排气低频声波在空气中可以传很远的距离，这将在较大范围内影响到外部声
┊
场环境。
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LMS 用户大会
1.2 排气低频噪声的特征
声波导管理论表明：如果希望在声管中获得比较纯净的平面声场，那么声源的频率不仅要比
┊
loss. SAE, 2003.
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┊
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┊
证改善后的低频消声效果，并考虑对高频消声效果和排气背压的影响。
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┊
50
TL/dB
┊
Original K2
40
┊
┊
30
┊
20
┊
10
┊
Frequency/Hz
┊
0
┊
图 3. Sysnoise 边界元模型
0
200
400
600
800
1000
图 4. 传递损失试验结果对比
┊
装
┊ ┊
2.3 结果验证
┊
┊
┊
根据传递损失测量结果，针对方案二（K2）和原消声器进行整车试验测量尾管噪声。测量方
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LMS 用户大会
2.2 计算分析与方案筛选
利用 Sysnoise 中边界元方法对消声器内部结构进行优化（图 3.），获得几套低频消声效果较
好的方案，并对其进行实物样件试制。经比较传递损失试验结果（图 4.），方案二（K2）在 200Hz
┊
以下其传递损失值比原消声器平均高出约 6dB，于是筛选出方案二进行整车低噪转鼓试验，以验
┊
quality. Technical Acoustics 2006.
┊
[4] 杜功焕, 朱哲明, 龚秀芬. 声学基础. 南京大学出版社, 2001.
┊
[5] TAO Z, SEYBERT A F. A review of current techniques for measuring muffler transmission
┊
阵T将a、b两种状态联系起来。（如图 1 所示.）
┊
┊
┊
┊ ┊ ┊ ┊
a pa
qa
T
b pb
qb
┊
⎡ ⎢ ⎣
pb qb
⎤ ⎥ ⎦
=
T
•
⎡ ⎢ ⎣
pa qa
⎤ ⎥ ⎦
装
┊
图 1. 直管道中平面波的声学量描述
┊
排气低频噪声控制的最有效的措施是安装设计合理的消声器。用于低频消声的消声器可以包
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含扩张腔、赫姆霍兹共振腔、1/4 波长管、小孔共振等其中一个或几个消声元件。通过四端网络
LMS 用户大会
汽车排气低频噪声的优化
吴仍广 钟诚 才明嵩
┊
┊
（上海红湖消声器厂）
┊
【摘要】低频成分的噪声是排气噪声的主要特征，能否降低排气低频噪声成为衡量消声器声学特性的重要指标。
┊
通过分析排气低频噪声的产生机理和传播特性，提出了评判消声器低频消声特性的试验方法，并以实际工程问题
┊
为例，对轿车匹配的消声器进行 CAE 优化、试验筛选和结果验证。
订
法见表 1.
┊ ┊
测点位置：
表 1. 整车试验排气噪声测量方法
尾管口 45°角,距 500mm 处
┊
测量工况：
3 档全负荷加速，转速从 1000 至 6000RPM
┊
噪声测量：
倍频程 63、125、250Hz 和总的 A 计权声压级
┊ 线 ┊ ┊ ┊
图 5 显示了，优化后的消声器与原消声器在 3 档全负荷加速工况下排气噪声值的对比，在 2000RPM 以下优化后的总的 A 计权声压级降低了 3～5dB(A)，高转速下噪声值基本与原消声器 持平，且车外轰鸣的主观感受有所改善。图 6～8 分别为 63Hz、125Hz、250Hz 倍频程声压级情 况，再次验证了优化后的在消声器在低转速处有所改善。
声压级/dB(A) 声压级/dB
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105
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95
105 Deadline Original K2
95
Deadline Original K2
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85
85
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75 转速/rpm
转速/rpm
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65
65
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1000
2000
3000
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6000
1000
2000
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4000
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6000
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