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某排气系统气流噪声优化

2021-09-16 08:22:34·  来源：汽车NVH云讲堂  
　
[摘要]排气噪声作为汽车的主要噪声源之一，通过的气体为发动机排除的高温高速气流，很容易产生高频气流噪声，此噪声对整车NVH 有很重要的影响。本文针对某排气系
[摘要]排气噪声作为汽车的主要噪声源之一，通过的气体为发动机排除的高温高速气流，很容易产生高频气流噪声，此噪声对整车NVH 有很重要的影响。本文针对某排气系统2000rpm 以上气流噪声大问题，通过试验和CFD 仿真相结合的方法，找出问题的原因为前消声器中间腔进出口的射流噪声，通过将中间腔进出口更改为直通管结构，气流噪声明显降低，主观评价可接受。

关键词：排气系统，射流，气流噪声，消声器

1 排气系统简述
汽车的排气系统噪声主要是指排气管口处的噪声、排气消声器处的辐射噪声以及排气振动激励车身板件产生的噪声，对车内噪声贡献很大。
排气系统的组成：包括排气歧管、催化器、颗粒补集器、排气振动解耦装置（球铰结构或波纹管）、前消声器、后消声器、排气尾管、中间连接管、装饰罩、吊钩、橡胶吊耳等组成。
排气系统的作用：主要功能是将发动机排出的有害气体经催化器转化为无害气体并排到远离驾驶舱进气口的地方，还有着很好的降低发动机排气噪声的作用，因此，选择合理的排气结构，是控制排气噪声的有效途径。排气系统上的前消声器、后消声器及内外部的管路，消声器内部管路的结构对高频气流噪声有很大的影响。

2 气流噪声问题描述
某消声器进行台架NVH 性能测试时，排气噪声大，为提升排气系统的噪声水平，对该排气系统进行噪声客观测试、分析，图1 为全负荷工况下排气口噪声的频谱分析，其中横轴代表排气口噪声的频率，纵轴代表发动机转速，颜色越亮代表噪声越大。从图中可以看出发动机1000-4500rpm 全负荷工作时，发动机转速2000rpm以上1000-3000Hz 的噪声明显较大，且在3500rpm 以上增大明显，由客观数据及主观评价，确定此噪声为气流噪声。
3 优化方案确定
3.1 原结构分析
对于一般的排气系统气流噪声降噪，常用多孔隔板加吸音棉、增大管径、优化管路走向等处理中高频的宽频噪声。
但此问题从图1 的频谱图可以看出，虚线处存在窄带噪声，主观评价类似于哨声，推测消声器内部气流吹连接管或隔板缝隙产生的噪声。因此对原排气系统结构进行分析发现，前消声器内部管路存在两个插入管的结构，二者间的距离为40mm。
判断此噪声为气流吹击前消声器中间腔出口处产生的噪声，为了验证此推论，对其进行CFD 分析。
3.2 前消声器CFD 分析
对前消声器进行CFD 仿真，发现在右侧插入出口处存在明显的射流现象，最大马赫数达到了0.46，如图3 所示。
根据气动声学理论，出现射流现象时，喷出的气流由于速度极高，且内部静压低于周围静止气体的压强，所以在高速气流周围产生强烈的隐射现象，沿气流喷射方向的一定距离内大量气体被喷射气流卷吸进去，从而喷射气流体积越来越大，速度逐渐降低。但在喷口附近，仍保留着一小股高速气流，其速度仍保持喷口处气流速度，常被称为喷射流的势核。在势核周围，高速气流与被吸进的气体剧烈混合，这是一段湍化程度极高的定向气流。在这段区域内由势核到混合边界的速度梯度很大，气流之间存在着复杂多变的应力，涡流强度高，气流内各处压强和流速迅速变化，从而辐射较强的噪声。
根据射流噪声理论，其辐射噪声的声功率为：
式(3.2.1)中：
S-喷口截面积
ρ-介质密度
v-射流速度
C-介质中声速
M-马赫数，M=v/c
K -与气体密度及温度相关的比例常数Sρv3/2-射流的机械功率
射流噪声的辐射效率η 为：

由式（3.2.2）可知射流噪声的辐射效率与马赫数的五次方成正比。前消声器中间腔出口处射流的马赫数达到了0.46，其辐射的声功率远超其在管路内的气流次生噪声，为主要噪声源。
3.3 优化方案的确定及验证
为了消除射流现象，将前消声器中间腔进出管改为直通管模式，取消中间腔。
对方案进行测试，1000-3000Hz 以上排气气流噪声降低明显，优化后方案排气噪声频谱图如图5 所示，主观评价气流噪声6.5 分，为可接受状态（注：此方案实施后，二阶噪声在100Hz 左右增大1.5dB 左右，但通过增加后消此频段的消声效果，消除了此影响）。
4 结论
排气系统噪声是整车主要的噪声源，设计出合理的排气结构，是控制整车噪声的有效途径，本文针对某排气系统在转速2000rpm 以上气流噪声大问题，结合消声器结构、气动声学理论，查找出问题所在，将前消声器产生射流噪声的中间腔进出管改为直通结构，消除了1000-3000Hz 的高频气流噪声，通过仿真计算和试验验证，最终排气噪声问题得到很大改善，满足工程设计要求。
作者：洪清辉，韩玉龙，姚军，夏世东
作者单位：一汽大众汽车有限公司
来源：2020 年第十七届汽车NVH 控制技术国际研讨会论文集
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