某SUV车型排气低频噪声的优化

程志谋

摘 要：本文针对我司某SUV的排气低频噪声声品质问题进行改善提升，通过对消声器内部结构进行优化设计，在共振消声器内部采用排气阀改善排气低频噪声。并通过理论分析和实车测试，对改进前后的排气低频噪声及整车排气背压进行了分析，成功解决了排气低频噪声问题。

关键词：排气低频噪声 共振消声器 排气阀 排气背压

Optimization of Exhaust Low Frequency Noise of an SUV Model

Cheng Zhimou

Abstract：This article aims to improve the quality of the exhaust low-frequency noise of an SUV in a company. By optimizing the internal structure of the muffler， an exhaust valve is used in the resonance muffler to improve the low-frequency noise of the exhaust. And through theoretical analysis and actual vehicle test， the exhaust low-frequency noise before and after the improvement and the exhaust back pressure of the whole vehicle were analyzed， and the problem of exhaust low-frequency noise was successfully solved.

Key words：exhaust low-frequency noise， resonance muffler， exhaust valve， exhaust back pressure

1 引言

本文研究的课题来源于东风柳汽某SUV车型，在ET-lot阶段进行NVH性能测试时存在2阶和4阶低频排气噪声问题，将会影响客户的驾驶感受。因此，需要针对排气低频噪声进行优化设计。该车的排气系统结构见图1。

排气阶次噪声属于低频噪声，排气系统中一般设计复杂的抗性结构对低频噪声进行消除，在抗性结构中，共振器具有较强的低频消声效果，在管道系统中得到了较为广泛的应用。行业内对赫姆霍兹共振消声器的形式腔体长径比变化对声学性能的影响，内插管的形状，尺寸和穿孔部分的穿孔率对共振器声学性能的影响，以及双共振器回流式共振器和旁支管消声器等结构形式来消除低频噪声。

以上提到的几种结构形式的消声器，对于单个共振器的设计尺寸一旦确定，共振器的共振频率将不再变化，将难以消除在较大转速范围内的低频阶次噪声。而采用多个共振器或腔体串并联的方式，会因体积过大，成本太高而难以采用。为了克服以上缺点，在消声器内部采用排气阀，通过优化共振器结构及阀门开度来改善一定转速范围内的排气低频噪声。

2 目标车型排气噪声问题描述

该SUV车型经实车排气噪声测试，客观测试数据显示（如图2所示）在2阶和4阶发动机转速在3000～4000rpm范围内存在噪声恶化，2阶噪声尤其明显，低频的轰鸣声给人耳感官体验很差。其车型的基本信息如表1所示。

3 消声器噪声问题解析及优化方案设计

3.1 消声器噪声问题解析

该车消声器总成包含为前级消声器和后级消声器，其中前级消声器容积为7L，后级消声器容积是32L，总容积为39L。前级消声器内部填充吸音棉，可吸收中高频噪声，内部还包含一旁支管结构，可消除特定频率排气噪声。后级消声器，内部含有一个消声管（其上分布消声孔），以及4个消声挡板，将后级消声器分成5个腔体，同时在第二和第四腔体内部填充吸音材料。因此后级消声器是阻抗符合性消声器，能够消除中、低、高频噪声。目标车型在2阶和4阶发动机转速在3000～4000rpm范围内存在噪声恶化，需要更改消声器结构或增大容积，但实现难度较大。

3.2 优化方案设计

如果重新更改消聲器腔体结构形式，无法满足开发周期。因此，经研究保持现有的共振腔结构基本不变，在其中导入排气阀来控制低阶较宽转速范围内的噪声问题。消声器优化改进方案如图3：

改进方案说明：排气管前段总成和前消声器总成不变，后级消声器总成外部轮廓尺寸均保持不变。一般排气阀主要设置在后级消声器内（较大的容积腔体内），以起到改变共振腔的结构和容积来消除低频噪声。改动后级消声器内部#1挡板，将原Φ63.5mm 通孔改为Φ8mm小孔，另一Φ63.5mm 通孔改为Φ60.5mm孔;#3挡板原Φ25mm孔处安装排气阀，原Φ7mm孔取消，其他结构保持不变。具体变更如图4所示。

图5所示为排气阀的结构尺寸图，将排气阀后端安装并焊接在#3挡板上，排气阀后端的锁紧弹簧使阀门保持关闭。该阀体在低转速工况下保持关闭，当发动机转速达到2800rpm及以上时，消声器内的排气气流压力将排气阀门推开，第三腔体与第四腔体之间有大孔通道联通，形成双共振器回流式共振器，可以将此转速范围内的排气噪声由低频向高频推移，从而减少或消除该转速范围内的低频噪声。

4 消声器优化方案验证

采用排气阀从理论上讲可以改善（消除）低频噪声，但改变消声器内部结构首先会对排气背压产生影响，然后再检讨噪声的改进效果及影响。因此方案还需要经过理论计算分析及实际测试验证。

4.1 计算对排气背压的影响

由于排气背压对整车的动力性和经济性有较大影响，需要首先计算新方案对排气背压的影响。若排气背压增加过多或超出目标要求，则需要重新优化方案。利用GT-Power软件可以准确的计算出排气背压变及噪声的变化。

搭建排气系统GT-Power模型，对改进方案进行排气背压和噪声分析。

该SUV车型的冷端排气背压目标要求：≤400mbar @480kg/h，860℃

B/P=P'X（Qm/Qm'）2X（T/T'）=P'X（480/421）'X（860/273）/（843/273）=P'X1.43

排氣背压系数为1.43，小于1.7的要求，分析得出新方案排气系统的排气背压值为36.545Kpa。

通过GT-Power计算分析得知，改进方案的排气背压计算结果满足目标要求。

4.2 台架试验验证排气背压

测试介质为通气燃烧的天然气，流经排气管内部的气体介质是带温度和背压的，以模拟发动机的实际工况。

测点位置如下图7所示，分别取前端排气管进气法兰后端P1点，前消进口前端P2点，以及后端P3点。

※：排气流量7.5m^3/min时相当于功率点的排气流量。

台架测量的实际排气背压测试结果为：36.67kPa，与GT-Power计算结果相当，且优于原始方案，满足要求。

4.3 改进方案排气噪声分析

排气背压满足要求后，再对排气噪声改善效果进行仿真分析，检讨能否达到优化的目的。噪声仿真分析结果如图7所示：

（1）在20～500Hz常用转速基本都在目标线以下。（2）2阶成分，在2800 rpm～42000rpm范围内噪声改善明显，大约减少10dB（A）以上。（3）4阶成分在3500rpm～4000rpm时有恶化、该区域不是常用区域，影响较少、预计OK。

4.4 排气噪声实车测试验证

对改进方案进行实车测试，测量新方案排气系统噪声，车内驾驶员座椅处噪声;

测试结果如下：

（1）新方案2阶排气噪声在2000rpm～40000rpm范围内噪声改善明显。（2）2阶和4阶车内驾驶员座椅噪声基本在目标值以下。

5 结语

本文以SUV车型排气低频噪声的优化为研究对象，对带排气阀消声器的性能进行仿真分析及台架和整车测试验证，对带排气阀消声器及排气系统性能的评价提供了有效的参考价值，对产品的改进设计具有实际工程意义。概括总结可以得出以下结论：

（1）采用带排气阀的方案，有效的解决了该SUV车型存在的2阶和4阶排气低频噪声问题。（2）消声器排气阀体可以改变共振器集总声质抗，使排气共振频率可以向高频发生送移动。（3）研究排气阀对噪声的影响，排气阀对排气噪声影响明显。可以降低较宽转速范围内的低频排气噪声，是降低排气噪声改善其声品质的有效方法之一，但是必须兼顾对发动机性能的影响。

参考文献：

[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]李松波. 车辆排气系统振动建模与动力学特性研究[D]上海：上海交通大学，2008.