基于排气声品质双尾管排气系统优化设计

2021-11-07黄名宗庞士明林尚锦刘淑玉陆荣英梁文海

现代机械 2021年5期

黄名宗，庞士明，林尚锦，刘淑玉，陆荣英，梁文海

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545000;2.广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州 545000)

0 引言

排气噪声包括空气动力噪声、气流冲击噪声、结构辐射噪声和气流摩擦噪声等，是汽车最主要的噪声源[1]；往往比发动机整机噪声(屏蔽排气噪声后)高10～15 dB(A)，其声品质直接影响整车的舒适性。排气噪声声品质是从产品开发角度提出的一个概念，除了跟听者自身听觉感受有关外，还跟产品本身紧密相关。声品质强调针对某个产品及其消费的目标群体，其声音要足够且适度，听觉特性具有可识别性[2]；其客观参量有响度、尖锐度、粗糙度，文献[3]、[4]给出了相应的计算方法；其主观评价是通过耳朵去评价声音的好坏，并且需多人评价以消除个体偏好的影响。

为满足各类驾乘人员对车内、外噪声品质的不同追求，研发制造具有独特声品质的车型已是汽车噪声、振动、舒适性(NVH)性能研究的主要方向。

1 问题描述

某车型在做整车主观评价时发现，尾管口的怠速声压过高，且存在非常明显压迫耳膜感；加速时，排气噪声偏大，严重影响汽车舒适性，需优化改进。考虑到目标车排气系统热端优化空间小且成本高昂，决定只从排气系统冷端做优化。排气系统冷端示意图见图1，该排气系统为双出尾口设计，其冷端主要结构包括排气管焊接总成、前消声器总成及后消声器总成。进入整车半消室测得目标车怠速工况的噪声测试结果，如图2、图3所示，尾管口怠速噪声为60.35 dB，比目标值高出2.35 dB；全油门工况时，在2600～4000发动机转速范围内，排气噪声OA值超出目标曲线。

图1 排气系统布置图

图2 怠速尾管噪声1/3倍频程

图3 初始方案尾管总声压及各阶次曲线

2 原因分析

从1/3倍频程图在可以看出，18～35 Hz、47～90 Hz频率范围内的噪声对怠速噪声超标影响较大，需过滤或降低这部分噪声。按工程经验，通过加长尾管可有效解决低频噪声问题；根据管道声学理论，空气动力噪声频率可通过尾管的长度进行调节，尾管长度和声波频率之间有如下关系[5]：

(1)

其中，f为声波频率，单位为Hz；L为尾管声学长度，单位为mm；C为当地声速，单位为m/s。声速计算公式如(2)式所示

(2)

其中，γ为比热比，排气噪声在大气中传播，这里γ取值1.4；R为气体常量，取值287 J/(kg·K)；T为气体热力学温度，单位为K。

针对在2600～4000发动机转速范围内，排气噪声OA值超出目标曲线，可考虑通过增加排气背压以降低噪声OA值，具体措施可通过增加消声器隔热数、减少隔板开孔数或减小消声器内管直径实现；进一步分析排气噪声的动态彩图(图4)，可以发现：该转速范围下出现尾管气流噪声，750 Hz以上的噪声对总声压贡献较大，对付这部分中高频噪声，增加消声棉是有效的解决方法。

图4 初始方案尾管噪声瀑布图

3 优化设计

优化设计前消声器和后消声器内组件结构，对前消声器，将内插管管径减小为φ45 mm，其余结构保持不变，前消声器的共振腔主要针对中低频噪声，吸音棉主要针对高频噪声。

对后消声器，左右两个消声器筒体为左右对称结构的内装式赫尔姆兹消声器，利用两块隔板分隔成三个腔体，第一腔、第二腔为共振腔，第三腔为扩张腔，气流通过进气内插管进入扩张腔，经两层隔板孔回到第一腔，最后通过出气内插管排出。在第一腔体的进气内插管段布置三排小孔φ3 mm的小孔，第一隔板的穿孔数由初始方案的120个减少至100个，同时孔的直径从φ3.5 mm减为φ3 mm；第二隔板的穿孔数不变，孔的直径从φ3.5 mm减为φ3 mm；出气内插管管径由φ50 mm改为φ45 mm，同时增长30 mm，并在出气内插管中段增加一个套管，内部填充吸音棉；为进一步提高中高频消声能力，第二个腔体内填充100 g消音棉；设计完成后消声器的内部结构如图5所示。

图5 消声器优化方案

4 试验测试

根据优化方案制作排气系统样件并进入整车半消试验室测试(图6)，将测得结果与原方案作比较，如图7、图8所示，可以发现，优化后排气系统的加速噪声与发动机转速呈现很好的线性关系，且均在噪声目标线以下，2000至4000转速范围内，尾管气流噪声消失；新样件搭载到发动机台架进行背压测试，最大背压为73.42 kPa，未超背压限值75 kPa；尾管噪声和压力损失均满足设计要求，同时压迫耳膜感消失，顺利通过整车主观评价。