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某排氣系統(tǒng)氣流噪聲優(yōu)化

2021-09-16 08:22:34·  來源：汽車NVH云講堂  
　
[摘要]排氣噪聲作為汽車的主要噪聲源之一，通過的氣體為發(fā)動機(jī)排除的高溫高速氣流，很容易產(chǎn)生高頻氣流噪聲，此噪聲對整車NVH 有很重要的影響。本文針對某排氣系
[摘要]排氣噪聲作為汽車的主要噪聲源之一，通過的氣體為發(fā)動機(jī)排除的高溫高速氣流，很容易產(chǎn)生高頻氣流噪聲，此噪聲對整車NVH 有很重要的影響。本文針對某排氣系統(tǒng)2000rpm 以上氣流噪聲大問題，通過試驗和CFD 仿真相結(jié)合的方法，找出問題的原因為前消聲器中間腔進(jìn)出口的射流噪聲，通過將中間腔進(jìn)出口更改為直通管結(jié)構(gòu)，氣流噪聲明顯降低，主觀評價可接受。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng)，射流，氣流噪聲，消聲器

1 排氣系統(tǒng)簡述
汽車的排氣系統(tǒng)噪聲主要是指排氣管口處的噪聲、排氣消聲器處的輻射噪聲以及排氣振動激勵車身板件產(chǎn)生的噪聲，對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)很大。
排氣系統(tǒng)的組成：包括排氣歧管、催化器、顆粒補(bǔ)集器、排氣振動解耦裝置（球鉸結(jié)構(gòu)或波紋管）、前消聲器、后消聲器、排氣尾管、中間連接管、裝飾罩、吊鉤、橡膠吊耳等組成。
排氣系統(tǒng)的作用：主要功能是將發(fā)動機(jī)排出的有害氣體經(jīng)催化器轉(zhuǎn)化為無害氣體并排到遠(yuǎn)離駕駛艙進(jìn)氣口的地方，還有著很好的降低發(fā)動機(jī)排氣噪聲的作用，因此，選擇合理的排氣結(jié)構(gòu)，是控制排氣噪聲的有效途徑。排氣系統(tǒng)上的前消聲器、后消聲器及內(nèi)外部的管路，消聲器內(nèi)部管路的結(jié)構(gòu)對高頻氣流噪聲有很大的影響。

2 氣流噪聲問題描述
某消聲器進(jìn)行臺架NVH 性能測試時，排氣噪聲大，為提升排氣系統(tǒng)的噪聲水平，對該排氣系統(tǒng)進(jìn)行噪聲客觀測試、分析，圖1 為全負(fù)荷工況下排氣口噪聲的頻譜分析，其中橫軸代表排氣口噪聲的頻率，縱軸代表發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，顏色越亮代表噪聲越大。從圖中可以看出發(fā)動機(jī)1000-4500rpm 全負(fù)荷工作時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000rpm以上1000-3000Hz 的噪聲明顯較大，且在3500rpm 以上增大明顯，由客觀數(shù)據(jù)及主觀評價，確定此噪聲為氣流噪聲。
3 優(yōu)化方案確定
3.1 原結(jié)構(gòu)分析
對于一般的排氣系統(tǒng)氣流噪聲降噪，常用多孔隔板加吸音棉、增大管徑、優(yōu)化管路走向等處理中高頻的寬頻噪聲。
但此問題從圖1 的頻譜圖可以看出，虛線處存在窄帶噪聲，主觀評價類似于哨聲，推測消聲器內(nèi)部氣流吹連接管或隔板縫隙產(chǎn)生的噪聲。因此對原排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，前消聲器內(nèi)部管路存在兩個插入管的結(jié)構(gòu)，二者間的距離為40mm。
判斷此噪聲為氣流吹擊前消聲器中間腔出口處產(chǎn)生的噪聲，為了驗證此推論，對其進(jìn)行CFD 分析。
3.2 前消聲器CFD 分析
對前消聲器進(jìn)行CFD 仿真，發(fā)現(xiàn)在右側(cè)插入出口處存在明顯的射流現(xiàn)象，最大馬赫數(shù)達(dá)到了0.46，如圖3 所示。
根據(jù)氣動聲學(xué)理論，出現(xiàn)射流現(xiàn)象時，噴出的氣流由于速度極高，且內(nèi)部靜壓低于周圍靜止氣體的壓強(qiáng)，所以在高速氣流周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的隱射現(xiàn)象，沿氣流噴射方向的一定距離內(nèi)大量氣體被噴射氣流卷吸進(jìn)去，從而噴射氣流體積越來越大，速度逐漸降低。但在噴口附近，仍保留著一小股高速氣流，其速度仍保持噴口處氣流速度，常被稱為噴射流的勢核。在勢核周圍，高速氣流與被吸進(jìn)的氣體劇烈混合，這是一段湍化程度極高的定向氣流。在這段區(qū)域內(nèi)由勢核到混合邊界的速度梯度很大，氣流之間存在著復(fù)雜多變的應(yīng)力，渦流強(qiáng)度高，氣流內(nèi)各處壓強(qiáng)和流速迅速變化，從而輻射較強(qiáng)的噪聲。
根據(jù)射流噪聲理論，其輻射噪聲的聲功率為：
式(3.2.1)中：
S-噴口截面積
ρ-介質(zhì)密度
v-射流速度
C-介質(zhì)中聲速
M-馬赫數(shù)，M=v/c
K -與氣體密度及溫度相關(guān)的比例常數(shù)Sρv3/2-射流的機(jī)械功率
射流噪聲的輻射效率η 為：

由式（3.2.2）可知射流噪聲的輻射效率與馬赫數(shù)的五次方成正比。前消聲器中間腔出口處射流的馬赫數(shù)達(dá)到了0.46，其輻射的聲功率遠(yuǎn)超其在管路內(nèi)的氣流次生噪聲，為主要噪聲源。
3.3 優(yōu)化方案的確定及驗證
為了消除射流現(xiàn)象，將前消聲器中間腔進(jìn)出管改為直通管模式，取消中間腔。
對方案進(jìn)行測試，1000-3000Hz 以上排氣氣流噪聲降低明顯，優(yōu)化后方案排氣噪聲頻譜圖如圖5 所示，主觀評價氣流噪聲6.5 分，為可接受狀態(tài)（注：此方案實施后，二階噪聲在100Hz 左右增大1.5dB 左右，但通過增加后消此頻段的消聲效果，消除了此影響）。
4 結(jié)論
排氣系統(tǒng)噪聲是整車主要的噪聲源，設(shè)計出合理的排氣結(jié)構(gòu)，是控制整車噪聲的有效途徑，本文針對某排氣系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速2000rpm 以上氣流噪聲大問題，結(jié)合消聲器結(jié)構(gòu)、氣動聲學(xué)理論，查找出問題所在，將前消聲器產(chǎn)生射流噪聲的中間腔進(jìn)出管改為直通結(jié)構(gòu)，消除了1000-3000Hz 的高頻氣流噪聲，通過仿真計算和試驗驗證，最終排氣噪聲問題得到很大改善，滿足工程設(shè)計要求。
作者：洪清輝，韓玉龍，姚軍，夏世東
作者單位：一汽大眾汽車有限公司
來源：2020 年第十七屆汽車NVH 控制技術(shù)國際研討會論文集
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