前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的汽车排气消声器性能研设计开发探究，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：随着工业制造水平的不断提高，汽车制造业获得了长足的发展，加之人们生活水平的提升，汽车保有量迅速增加，这些都为汽车工业的快速发展打下了坚实的基础。但同时汽车噪音问题也开始备受关注，特别是随着噪声法规的日渐完善，汽车降噪处理的任务也更加繁重。在信息技术的推动下，利用软件对噪声进行仿真分析，能够进一步优化汽车消声器设计。本文运用GT-Power软件的仿真功能，对汽车排气消声器结构予以优化设计。
1汽车排气噪声产生原理和消声器的机理研究
噪声是汽车发动机运行中十分常见的一种故障现象，主要由于发动机气缸内部发生了急剧的高温废气变化情况，强大的气压波迅速产出排放时，产生的巨大的声音。根据噪声的振幅、频率和结构位置，可以划分为基频排气噪声、亥姆霍兹共振噪声、废气喷注噪声、排气道内避面的紊流噪声、冲击噪声等。其中基频排气噪声最为常见。因此，汽车排气消声器的设计研究就显得尤为必要。当前消声器可以细分为有源和无源两种，相对而言，有源消声器使用繁琐，应用的范围较小，而无源消声器则有着较为广泛的应用市场。
1.1汽车排气噪声产生原理
汽车的发动机开始运行的时候，气缸内部将会产出高速和高温的废气，这些废气经由排气口排出，将会形成低频和周期性的噪声，亦可以称之为基频排气噪声，也是汽车发动机最为主要的噪声来源。其基频和谐波的运算公式为：fk=knz60τ式中，k表示谐波的次数；n表示发动机转速，单位为r/min；z为发动机气缸的数量；τ表示冲程系数，其中二冲程的τ值为1，四冲程的τ值为2。
1.2汽车排气消声器的机理研究
为有效降低汽车发动机噪声，可以在汽车气动装置的空气流道上面安装汽车消声器。其原理在于借助声波的作用，实现声波之间的互相干扰，以此对声音压强进行降低，减少噪声的发出，以此实现消声目标。消声器可以划分为主动消声器和无源消声器。其中主动消声器是发射出等同于噪声振幅但是相位相反的声波，以此对噪声声波进行干扰和抵消，从而实现降噪的目标。不过主动消声器的使用相对较为复杂，应用不够普及。无源消声器则包括以下几种：①抗性消声器。该消声器主要是对声阻抗进行改变，其在管道界面产生反射和干扰作用，以此来对噪声进行消除。该消声器适用于中频和低频噪声中。②阻性消声器。该消声器则是借助多孔吸音材料来对噪音进行消除。噪音进入到吸音材料中后，气体和材料间进行摩擦作用，促使部分声能转化为热能，从而消除部分噪音。该消声器多用于中高频噪音消除中。③阻抗复合消声器。顾名思义，是将上述两种消声器进行有效的融入，以此实现更为广阔的适用性。
2基本消声单元的性能以及消声器的设计方法
2.1基本消声单元的性能分析
对于消声器设备而言，消声器单元是其最为基本的组成部分。科学开展消声器单元数据分析，能够更好的明确不同的结构形式对于消声器的具体影响，为后续开展消声器设计研究体用基础数据。本文则借助仿真软件，开展了扩张式消声器的数据计算研究，该消声器属于抗性消声器的一种，其原理在于利用管道界面的改变，来干扰和影响管道内部的噪声传递频率，从而降低噪音。就目前来看，最为常见的扩张式消声器主要为简单的扩张腔。当sin（kL）=1时，消声量最大，相应频率称为中心频率，表达为：fc=2n-14•cL当sin（kL）=0时，消声量等于零，相应频率称为通过频率，表达为：fi=n-12•cL本次研究对象选取的扩张腔结构为：进出口的管径分别为50mm，扩张腔的直径为150mm，腔体的长度为200mm。
①扩张比及腔体长度的影响。a）扩张比越大，消声量越大。fH=1.22式中，c为声速，m/s；D为扩张腔的特征尺寸，对于圆截面，D为直径，对于其它形状，D=S（S为截面积），m。b）伴随着不断增加的腔体长度，上限的频率保持不变，整体的波形朝向零点的方向压缩。
②扩张腔截面形状的影响。通过分析可知，在低频区域，不同形状所产生的传递损失曲线几乎重合，也就是说，腔体形状几乎不会对低频产生影响。正方形和圆形界面，所产生的声学特性几乎一致，仅仅区别为：上限频率较高的为圆形界面，上限频率前的消声量较高的为正方形。椭圆形的截面形状的上限频率，从较高频率朝向低频区域倾斜，且拱形峰值也呈下降趋势。超过上限频率后，该形状依然可以实现一定的消声能力。
③出入管偏置的影响。关于出入管偏置的情况可以细分为以下两种类型：第一，出入管的一端出现偏置。固定入口位置，偏置出口管20mm、40mm。或者固定出口位置，偏置入口管20mm、40mm。以此来分析一端出现偏置的情况下，对于声学的具体影响。结果可知，出口或者入口偏置相同距离，其对于声波的影响是完全相同的。当上限频率确定为2700Hz时，在此之前，消声量几乎产生改变，也就是说，偏置情况对于中低频的影响是极小的。但是在上限频率之后，偏置的距离越大，其对于消声的影响越大。也就是说，在实际设计消声器时，可以适当的采取一端偏置的情况，特别是对于高频噪音的消除具有重要作用。第二，两端出入口同时进行偏置。按照25mm、50mm、75mm的距离进行出入口两端的同时偏置。结果可知，同样是对低频段无影响。而对于中高频段而言，本例中为1000-2700Hz频段，偏置的距离越大，反而降低了消声性能。而进入到高频阶段，偏置距离越大，消声性能却越好。
2.2消声器的设计方法
消声器的结构原理主要包括气流结构、传热结构、振动结构和发动机性能。消声器利用这些结构来消音，这些结构有一定程度的复杂性。消声器的设计方法有很多，比较传统的方法主要是理论分析、实验验证和设计验证。排气系统的外形越简单，相关理论和设计就越成熟。然而，虽然该方法已经成熟，但更多的是基于理论层面，缺乏实践验证。目前，随着科学技术的进步和汽车工业的发展，汽车排气系统消声器的设计也逐渐发生了变化。主要表现在理论指导的结合和CAE设计与经验设计的结合。在进行设计工作时，工作人员利用计算机软件的测试功能进行模拟和测试。本文的设计方法是基于GT-Power软件的仿真分析功能。利用软件仿真得到了消声器的插入损耗和传输损耗，并根据这些参数对消声器进行了优化设计。
3汽车排气消声器的优化设计思路
3.1模型建立
3.1.1发动机模型
GT-Power主要是利用一维流体架设模型来实现对发动机不同工况的模拟。发动机系统亦可以细分为不同的控制单元，且每一个单元还包括了众多的交错网格，这也是发动机得以运行的重要基础。本文以某OEM发动机为例，构建基础模型。
3.1.2消声器模型
本文利用工具来对消声器结构进行描述，并离散为模型。最终在排气系统仿真模型中进行该模型的添加。
3.2消声器的仿真计算
3.2.1传递损失计算
耦合之前构建的两个模型，对声功率的差异进行计算，然后构建传输损耗仿真模型。设定完毕参数后，得到最终的仿真结果：后置消声器于低频范围内，性能更优；前置消声器在高频范围内，性能更优。
3.2.2插入损失计算
经过分析可知，插入损失和声源本身特性密切相关。因此需要连接发动机模型和消声器，以此来对连接前后的噪声进行分析。从分析结果可知，消声器高频部分能够满足需求，而低频部分效果欠佳，这表明消声效果不够，还存在一定的优化空间。
3.3发动机消声器的优化设计
依据上述的计算结果可知，在进行消声器优化设计时，其内径需要超过0.051m。之前的排气系统管道的内径经测算，为0.054m，符合消声器的流速要求。因此优化设计时沿用该参数即可。针对抗性消声单元而言，扩张比的大小直接决定了消声量的大小，二者的关系如表1所示。同时，结合设计经验可知，消声器的扩张比多曲江与最高的消声目标。经过计算可知，原先的排气系统的扩张比为19.76，其对应的消声量大致为19.9dB（A），几乎和最高的消声目标20.3dB（A）持平。因其他工况对于消声量要求较低，不高于19dB（A）即可。因此可以继续采用之前的主消扩张比，也就是按照原先0.045254m2的截面面积进行计算。在实际设计时，对消声器的内部管径进行提升或者进行共振，以此实现最高消声量的基本要求。针对如上仿真分析识别的性能不足，优化设计方法为：一是将设备的膨胀比进行增加，促使发动机消声器性能提升；二是将高频区域内的消声器的再生量进行改变，也就是对穿孔范围进行扩大，降低穿孔的孔径；三是后移消声器右侧的隔板50mm左右，以此来对消声器的体积和密度进行适当的增加；四是改变消声器喷嘴为喇叭状，以此来增加消声器的消声量。
3.4优化结果
优化改进之后的消声器，其传输损耗比原先的消声器高2-5dB（A）左右。经过上述措施优化后，极大的改善了消声器的整体性能，高频区域消声效果更优，低频范围内也满足相关标准要求。本文利用GT-Power软件对排气系统的传递损耗和插入损耗进行了分析，实现了对汽车排气消声器的优化改进设计，有助于缩短设计时间，降低设计成本，期望能够对同类课题提供一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]孟妤，赵诚，朱桂昌.汽车排气消声器研究综述[J].专用汽车，2021（06）：83-85.
[2]李根.基于CBR的汽车排气消声器自动设计系统[J].汽车工程师，2020（07）：18-21，25.
[3]严旺.汽车排气消声器壳体噪声辐射机理及抑制方法[D].西南交通大学，2019.
作者：田松 单位：张哲明
