CN114580079A - 降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法。该方法通过车辆加速时的排气尾管噪声测试，确定排气尾管加速轰鸣噪声的频率以及导致加速轰鸣噪声的起因，接着设计旁支宽频消声器的初始结构参数，根据初始结构参数及排气管尺寸，构建旁支宽频消声器的三维模型；基于三维模型构建旁支宽频消声器的声学有限元模型，然后进行噪声传递损失仿真分析，根据分析结构优化初始结构参数，当优化结构参数满足预设目标时，以优化结构参数构建最终的旁支宽频消声器。本发明通过设计的旁支宽频消声器结构消除由发动机引起的排气尾管加速轰鸣噪声，进而大幅降低排气尾管的整体噪声水平，提高车辆声品质。

Description

降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法

技术领域

本发明属于车辆噪声控制技术领域，具体为一种降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法。

背景技术

车内外噪声水平不仅影响车辆的舒适性能，也是评价车辆品质的关键指标。其中排气尾管噪声是车内外噪声的主要贡献之一，特别是当车辆加速行驶时，排气尾管往往会出现加速轰鸣噪声，严重影响车辆的舒适性能，同时会造成驾乘人员的抱怨，降低汽车产品的市场竞争力。因此，排气尾管加速轰鸣噪声也越来越受到广大汽车厂商与科研院所的重视。

解决排气尾管加速轰鸣噪声的常用措施是调整发动机程序与发动机万有特性曲线，或者优化排气系统消声器结构。如公开号CN106930805A的中国专利于2017年7月7日公开的一种汽车消音排气装置，通过对发动机进行充分降噪，来降低噪声引起的振动。又如公开号CN102720577B的中国专利于2015年4月29日公开的一种起重机排气系统，通过使用多个排气回路进行排气，从而增加排气流量，分解排气脉动，抑制排气噪声；同时在排气管中设置多个消音器以进行逐级消音，从而增强降噪效果。

现有解决措施可以缓解排气尾管加速轰鸣噪声，但是很难根除由发动机导致的排气尾管加速轰鸣噪声，并且调整发动机程序与发动机万有特性曲线，或者优化排气系统消声器结构也会影响车辆的动力学与经济性。因此，在不影响车辆动力学性能的基础上，解决由车辆发动机导致的排气尾管加速轰鸣噪声变得尤为重要。

为了解决现有措施存在的问题，消除排气尾管加速轰鸣噪声，并提高车辆声品质，提出了一种用于解决汽车排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器的设计方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，用于消除汽车加速时的排气尾管轰鸣噪声，进而大幅降低排气尾管的整体噪声水平，提高车辆声品质。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，包括：

获取车辆匀加速行驶时的排气尾管噪声数据，并进行转速-噪声分析；

确定排气尾管出现加速轰鸣噪声时的车速，获取该车速下的排气尾管噪声数据，并进行排气尾管加速轰鸣噪声幅频特性分析；

基于转速-噪声分析和排气尾管加速轰鸣噪声幅频特性分析，确定排气尾管加速轰鸣噪声的频率，并基于排气尾管加速轰鸣噪声的频率确定排气尾管加速轰鸣噪声由发动机二阶激励引起；

根据排气尾管加速轰鸣噪声的频率，确定旁支宽频消声器的结构参数，包括共振腔容积、共振腔开口面积、共振腔开口长度、共振腔阵列数量及吸音材料孔隙率；

根据排气管尺寸及确定的结构参数，构建旁支宽频消声器的三维模型；

基于三维模型建立旁支宽频消声器的声学有限元模型，并进行噪声传递损失仿真分析，基于分析结果优化旁支宽频消声器的结构参数；

当优化后的旁支宽频消声器的低频区传递损失大于预设目标时，确定最终的旁支宽频消声器的结构参数，并基于该结构参数构建最终的旁支宽频消声器。

上述技术方案中，通过车辆加速时的排气尾管噪声测试，确定排气尾管加速轰鸣噪声的频率以及导致加速轰鸣噪声的起因，接着设计旁支宽频消声器的初始结构参数，根据初始结构参数及排气管尺寸，构建旁支宽频消声器的三维模型；基于三维模型构建旁支宽频消声器的声学有限元模型，然后进行噪声传递损失仿真分析，根据分析结构优化初始结构参数，当优化结构参数满足预设目标时，以优化结构参数构建最终的旁支宽频消声器。

上述技术方案通过转速-噪声分析、加速轰鸣噪声幅频特性分析及加速轰鸣噪声产生机理分析，确定排气尾管的加速轰鸣噪声由发动机引起，并据此构建旁支宽频消声器结构，通过设计的旁支宽频消声器结构消除由发动机引起的排气尾管加速轰鸣噪声，进而大幅降低排气尾管的整体噪声水平，提高车辆声品质。

作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：

构建旁支宽频消声器样件，并对构建的旁支宽频消声器样件进行噪声传递损失试验；

在样件的低频区域噪声传递损失平均值大于设计目标时，将样件安装于排气尾管，并进行加速轰鸣噪声试验，验证所设计的旁支宽频消声器的降噪效果。

上述技术方案中，在设计好旁支宽频消声器的结构后，按照设计的结构试制样件，接着对试制的样件进行噪声传递损失试验，以验证试制的旁支宽频消声器样件是否满足降噪要求，若满足降噪要求，则将样件安装于排气尾管并进行加速轰鸣噪声测试，验证所设计的旁支宽频消声器能够达到预期效果，消除由发动机所引起的排气尾管加速轰鸣噪声，进而大幅降低排气尾管的整体噪声水平。

进一步来说，降噪要求通过低频区域的噪声传递损失来衡量，当测得的低频区域噪声传递损失平均值大于设计目标时，则认为试制的旁支宽频消声器满足降噪要求。

作为进一步的技术方案，验证所设计的旁支宽频消声器的降噪效果，进一步包括：

将旁支宽频消声器样件安装在排气尾管前端；

进行匀加速工况排气尾管噪声试验；

对排气尾管噪声数据进行幅频特性分析，并与没有安装旁支宽频消声器的排气尾管噪声进行对比；

在目标转速工况下，排气尾管噪声数据没有出现峰值，即认为安装的旁支宽频消声器消除了排气尾管加速轰鸣噪声。

作为进一步的技术方案，确定旁支宽频消声器的结构参数步骤中，共振腔阵列谐振频率为

其中，i为简谐次数；n为共振腔阵列数量；C为声速；V为单个共振腔容积；S为单个共振腔开口面积；d为单个共振腔开口长度。

作为进一步的技术方案，基于三维模型建立旁支宽频消声器的声学有限元模型，并进行噪声传递损失仿真分析，进一步包括：

将旁支宽频消声器三维模型导入到有限元软件Hypermesh中，建立旁支宽频消声器有限元模型；

将旁支宽频消声器有限元网格模型导入到Virtual/Lab Acoustics软件中，并创建旁支宽频消声器有限元模型的包络网格模型；

定义声学网格、流体材料及材料属性；

建立旁支宽频消声器内部吸声材料的传递导纳关系，并设置吸声材料的密度与吸声系数；

在旁支宽频消声器入口端包络网格上定义负单位速度的振动边界条件，在出口端包络网格上定义全吸声的边界条件；

对旁支宽频消声器的声学有限元模型两端面节点进行固定约束；

设置计算频率为20Hz—2000Hz，计算步长为0.5Hz；

声场分布仿真计算，并提取旁支宽频消声器两端的声压响应；

根据旁支宽频消声器两端的声压响应计算旁支宽频消声器噪声传递损失。

通过上述技术方案可分析旁支宽频消声器初始结构的噪声传递损失，并通过优化旁支宽频消声器的结构参数使其噪声传递损失满足预设要求，进而得到满足噪声传递损失要求的旁支宽频消声器的最终结构参数。

作为进一步的技术方案基于噪声传递损失仿真分析结果优化旁支宽频消声器的结构参数，进一步包括：

建立旁支宽频消声器共振腔容积与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器共振腔阵列数量与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器单个共振腔开口面积与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器单个共振腔开口长度与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器吸声材料孔隙率与噪声传递损失的关系曲线；

根据低频区噪声传递损失的设计目标为12dB，确定优化后的结构参数，包括：单个共振腔容积V；单个共振腔开口面积S；单个共振腔开口长度d，共振腔阵列数量n，以及吸音材料孔隙率。

上述技术方案通过分别构建共振腔容积、共振腔阵列数量、波导管长度、吸声材料孔隙率与噪声传递损失的关系曲线，来确定旁支宽频消声器的优化结构参数。

作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：

根据优化的结构参数修改旁支宽频消声器声学有限元模型；

采用阻抗法对修改后的旁支宽频消声器声学有限元模型进行噪声传递损失仿真；

在低频区域噪声传递损失平均值大于设计目标时，确定最终的旁支宽频消声器的结构参数，并基于该结构参数试制旁支宽频消声器样件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过车辆加速时的排气尾管噪声测试，确定排气尾管加速轰鸣噪声的频率以及导致加速轰鸣噪声的起因，接着设计旁支宽频消声器的初始结构参数，根据初始结构参数及排气管尺寸，构建旁支宽频消声器的三维模型；基于三维模型构建旁支宽频消声器的声学有限元模型，然后进行噪声传递损失仿真分析，根据分析结构优化初始结构参数，当优化结构参数满足预设目标时，以优化结构参数构建最终的旁支宽频消声器。本发明能够在不影响车辆动力学性能的基础上，解决由车辆发动机导致的排气尾管加速轰鸣噪声问题。

(2)本发明通过转速-噪声分析、加速轰鸣噪声幅频特性分析及加速轰鸣噪声产生机理分析，确定排气尾管的加速轰鸣噪声由发动机引起，并据此构建旁支宽频消声器结构，通过设计的旁支宽频消声器结构消除由发动机引起的排气尾管加速轰鸣噪声，进而大幅降低排气尾管的整体噪声水平，提高车辆声品质。

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器的设计流程示意图。

图2(a)-图2(d)为根据本发明实施例的旁支宽频消声器的结构示意图。

图3为根据本发明实施例的匀加速工况排气尾管的转速-噪声特性曲线图。

图4为根据本发明实施例的问题车速工况排气尾管噪声的幅频特性曲线图。

图5为根据本发明实施例的旁支宽频消声器的噪声传递损失仿真结果图。

图6为根据本发明实施例的优化前后旁支宽频消声器噪声传递损失仿真结果对比图。

图7为根据本发明实施例的旁支宽频消声器样件的噪声传递损失试验结果图。

图8为根据本发明实施例的安装旁支宽频消声器前后排气尾管噪声对比图。

图中：1.排气管；2.消音器；3.排气尾管；4.旁支宽频消声器；5.共振腔阵列；6.填充吸声材料。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

参见图1与图2(a)-图2(d)，本发明提供一种用于降低汽车排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器的设计方法，包括如下步骤：

(1)排气尾管加速噪声试验，噪声幅频特性分析，以及排气尾管加速轰鸣噪声产生机理分析

在排气尾管附近布置噪声传感器，噪声采集频率设置范围为20Hz—2000Hz，分辨率为0.5Hz，数据采集时间设置20s。

车辆匀加速行驶，采集排气尾管噪声数据；对噪声数据进行处理，当噪声时域曲线上出现峰值时，说明此时排气尾管出现轰鸣噪声，再将噪声时域数据转化成噪声与发动机转速的关系，确定峰值噪声对应的发动机转速，并根据发动机转速计算排气尾管出现加速轰鸣噪声时所对应的车速，并使车辆保持在问题车速进行排气尾管噪声测试。基于测试数据对匀加速工况排气尾管进行转速—噪声关系分析，数据分析结果如图3所示，排气尾管噪声峰值出现在1380rpm与2760rpm工况，对应的车速为50km/h与90km/h。

对问题车速工况排气尾管噪声进行幅频特性分析，分析结果如图4所示，车速为50km/h时，排气尾管轰鸣噪声主要出现在46Hz；车速为90km/h时，排气尾管轰鸣噪声主要出现在92Hz。

排气尾管加速轰鸣噪声产生机理分析可知，1380rpm发动机二阶激励频率为46Hz；2760rpm发动机二阶激励频率为92Hz。发动机二阶激励频率与排气尾管加速轰鸣噪声频率相一致，因此排气尾管加速轰鸣噪声是由发动机二阶激励引起。

(2)旁支宽频消声器的初始结构设计

包括：

①根据排气尾管加速轰鸣噪声幅频特性的分析结果，确定旁支宽频消声器结构，包括共振腔容积、共振腔开口面积、共振腔开口长度与共振腔阵列数量；并选择吸声材料；共振腔阵列谐振频率表达式为，

V＝a·b·e

S＝c·c

式中：i为简谐次数；n为共振腔阵列数量；C为声速；V为单个共振腔容积；S为单个共振腔开口面积；a为单个共振腔宽度；b为单个共振腔高度；c为单个共振腔开口边长；d为单个共振腔开口长度；e为单个共振腔长度。

根据排气尾管加速轰鸣噪声主要出现在46Hz与92Hz，设计出旁支宽频消声器初始结构参数，见表1。

表1旁支宽频消声器初始结构参数

②根据排气管的结构尺寸及初始结构参数，进行旁支宽频消声器结构设计，包括波导管长度与共振腔阵列数量。

③进行旁支宽频消声器三维数模设计。

(3)建立旁支宽频消声器的声学有限元模型，并进行噪声传递损失仿真分析

将旁支宽频消声器三维数模导入到有限元软件Hypermesh中，建立旁支宽频消声器有限元模型。

将旁支宽频消声器有限元模型导入到Virtual/Lab Acoustics软件中，并创建旁支宽频消声器有限元模型的包络网格模型。

定义声学网格、流体材料，以及材料属性。

根据现有理论建立旁支宽频消声器内部吸声材料的传递导纳关系，并设置吸声材料的密度与吸声系数。

在旁支宽频消声器入口端包络网格上定义负单位速度的振动边界条件，在出口端包络网格上定义全吸声的边界条件。

对旁支宽频消声器的声学有限元模型两端面节点进行固定约束。

设置计算频率为20Hz—2000Hz，计算步长为0.5Hz。

采用现有声场分布仿真技术，对旁支宽频消声器声学有限元模型进行声场仿真计算，并提取旁支宽频消声器两端的声压响应。

根据旁支宽频消声器两端的声压响应计算旁支宽频消声器噪声传递损失，仿真计算结果如图5所示，在低频区域噪声传递损失平均值为10dB。

(4)根据控制变量法分别建立结构参数与噪声传递损失间的关系

建立旁支宽频消声器共振腔容积与噪声传递损失的关系曲线，当低频区传递损失的等于12dB，确定此时共振腔的容积；建立旁支宽频消声器共振腔阵列数量与噪声传递损失的关系曲线，当低频区传递损失的等于12dB，确定此时共振腔阵列的数量；建立旁支宽频消声器单个共振腔开口面积与噪声传递损失的关系曲线，当低频区传递损失的等于12dB，确定此时单个共振腔开口面积；建立旁支宽频消声器单个共振腔开口长度与噪声传递损失的关系曲线，当低频区传递损失的等于12dB，确定此时单个共振腔开口长度；建立旁支宽频消声器填充材料孔隙率与噪声传递损失的关系曲线，当低频区传递损失的等于12dB，确定此时填充材料孔隙率。

根据低频区噪声传递损失的设计目标为12dB，确定单个共振腔容积V；单个共振腔开口面积S；单个共振腔开口长度d，共振腔阵列数量n，以及填充材料吸音系数，制定一组优化改进方案，见表2所示。

表2旁支宽频消声器结构优化方案

根据改进方案修改旁支宽频消声器声学有限元模型；对改进后的旁支宽频消声器声学有限元模型的进行噪声传递损失仿真，验证优化方案的效果，当低频区传递损失的大于12dB，认为优化结果满足要求，否则需要继续优化旁支宽频消声器结构参数，优化前后旁支宽频消声器噪声传递损失仿真对比结果如图6所示，优化后旁支宽频消声器噪声传递损失平均值为15dB，较优化前状态，噪声传递损失提升了50％。

(5)试制旁支宽频消声器样件，并进行噪声传递损失试验

根据旁支宽频消声器改进试制旁支宽频消声器样件；采用阻抗法对旁支宽频消声器样件进行噪声传递损失试验，噪声传递损失试验数据如图7所示，在低频区域噪声传递损失平均值为13.8dB，低频区传递损失的设计目标大于12dB，因此，试制旁支宽频消声器样件满足降噪要求，且与仿真结果吻合度为92％。

(6)对安装旁支宽频消声器的排气尾管进行加速噪声试验，验证旁支宽频消声器降噪效果

将旁支宽频消声器样件安装在排气尾管前端；进行匀加速工况排气尾管噪声试验；对排气尾管噪声数据进行幅频特性分析，并与没有安装旁支宽频消声器排气尾管噪声进行对比，对比结果如图8所示，相比原状态数据，改进状态在1380rpm与2760rpm转速工况，排气尾管噪声数据中没有出现峰值，即排气尾管前部安装旁支宽频消声器可以消除排气尾管加速轰鸣噪声，同时也降低了排气尾管噪声水平。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (7)

1.降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，包括：

获取车辆匀加速行驶时的排气尾管噪声数据，并进行转速-噪声分析；

确定排气尾管出现加速轰鸣噪声时的车速，获取该车速下的排气尾管噪声数据，并进行排气尾管加速轰鸣噪声幅频特性分析；

基于转速-噪声分析和排气尾管加速轰鸣噪声幅频特性分析，确定排气尾管加速轰鸣噪声的频率，并基于排气尾管加速轰鸣噪声的频率确定排气尾管加速轰鸣噪声由发动机二阶激励引起；

根据排气尾管加速轰鸣噪声的频率，确定旁支宽频消声器的结构参数，包括共振腔容积、共振腔开口面积、共振腔开口长度、共振腔阵列数量及吸音材料孔隙率；

根据排气管尺寸及确定的结构参数，构建旁支宽频消声器的三维模型；

基于三维模型建立旁支宽频消声器的声学有限元模型，并进行噪声传递损失仿真分析，基于分析结果优化旁支宽频消声器的结构参数；

当优化后的旁支宽频消声器的低频区传递损失大于预设目标时，确定最终的旁支宽频消声器的结构参数，并基于该结构参数构建最终的旁支宽频消声器。

2.根据权利要求1所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

构建旁支宽频消声器样件，并对构建的旁支宽频消声器样件进行噪声传递损失试验；

在样件的低频区域噪声传递损失平均值大于设计目标时，将样件安装于排气尾管，并进行加速轰鸣噪声试验，验证所设计的旁支宽频消声器的降噪效果。

3.根据权利要求2所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，验证所设计的旁支宽频消声器的降噪效果，进一步包括：

将旁支宽频消声器样件安装在排气尾管前端；

进行匀加速工况排气尾管噪声试验；

对排气尾管噪声数据进行幅频特性分析，并与没有安装旁支宽频消声器的排气尾管噪声进行对比；

在目标转速工况下，排气尾管噪声数据没有出现峰值，即认为安装的旁支宽频消声器消除了排气尾管加速轰鸣噪声。

4.根据权利要求1所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，确定旁支宽频消声器的结构参数步骤中，共振腔阵列谐振频率为

其中，i为简谐次数；n为共振腔阵列数量；C为声速；V为单个共振腔容积；S为单个共振腔开口面积；d为单个共振腔开口长度。

5.根据权利要求1所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，基于三维模型建立旁支宽频消声器的声学有限元模型，并进行噪声传递损失仿真分析，进一步包括：

将旁支宽频消声器三维模型导入到有限元软件Hypermesh中，建立旁支宽频消声器有限元模型；

将旁支宽频消声器有限元网格模型导入到Virtual/Lab Acoustics软件中，并创建旁支宽频消声器有限元模型的包络网格模型；

定义声学网格、流体材料及材料属性；

建立旁支宽频消声器内部吸声材料的传递导纳关系，并设置吸声材料的密度与吸声系数；

在旁支宽频消声器入口端包络网格上定义负单位速度的振动边界条件，在出口端包络网格上定义全吸声的边界条件；

对旁支宽频消声器的声学有限元模型两端面节点进行固定约束；

设置计算频率为20Hz—2000Hz，计算步长为0.5Hz；

声场分布仿真计算，并提取旁支宽频消声器两端的声压响应；

根据旁支宽频消声器两端的声压响应计算旁支宽频消声器噪声传递损失。

6.根据权利要求1所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，基于噪声传递损失仿真分析结果优化旁支宽频消声器的结构参数，进一步包括：

建立旁支宽频消声器共振腔容积与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器共振腔阵列数量与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器单个共振腔开口面积与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器单个共振腔开口长度与噪声传递损失的关系曲线；

建立旁支宽频消声器吸声材料孔隙率与噪声传递损失的关系曲线；

根据低频区噪声传递损失的设计目标为12dB，确定优化后的结构参数，包括：单个共振腔容积V；单个共振腔开口面积S；单个共振腔开口长度d，共振腔阵列数量n，以及吸音材料孔隙率。

7.根据权利要求6所述降低排气尾管加速轰鸣噪声的旁支宽频消声器设计方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

根据优化的结构参数修改旁支宽频消声器声学有限元模型；

采用阻抗法对修改后的旁支宽频消声器声学有限元模型进行噪声传递损失仿真；

在低频区域噪声传递损失平均值大于设计目标时，确定最终的旁支宽频消声器的结构参数，并基于该结构参数试制旁支宽频消声器样件。

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