汽车排气系统低速轰鸣问题研究

汽车排气系统低速轰鸣问题研究

刘学男

刘学男

精诚工科汽车系统有限公司河北省保定市071000

摘要：近年来中国已经成为全球最大的汽车产销国家，去年销量突破2000万辆，预计今年全年销量将会突破300万辆。随着汽车的快速普及，消费者对汽车的品质要求不断提高，其中车内驾乘的舒适性越来越受到终端用户的重视。在当前竞争激烈的汽车市场上，同档次车型在常规性能方面的综合性价比越来越接近较高水平。因此，提高车辆的驾乘舒适性成为新的竞争焦点，而其中整车NVH占据主要地位。整车NVH不仅是影响车辆舒适性的重要因素，也是评价其品质的重要指标之一。其中作为整车NVH主要贡献之一的排气尾管噪声也越来越受到汽车制造厂商的重视，各汽车制造厂商对排气尾管的噪声指标要求随之也越来越严苛。本文分析了某款车型车内低速轰鸣噪音的来源，对排气尾管轰鸣的产生机理进行了探讨，提出了消除尾管轰鸣的解决方案。并且通过模拟分析与整车尾管噪声试验相结合的方法，消除了排气尾管产生的轰鸣，提升了车内NVH的舒适性。

关键词：滑行；轰鸣声；传递损失；赫姆霍兹

一、问题描述

进行整车噪声评价试验时，车辆在变速器2档下，从转速6000rpm降低到1000rpm的滑行过程中，车内第二排中间座位右耳位置明显感觉有轰鸣声。同时从排气尾管噪声的频谱图中可以看出120Hz左右处有峰值，排气尾管噪声2阶测试的结果显示噪声水平超出目标值10dB左右，此时对应发动机转速在3600rpm～3700rpm左右（图1和图2）。

图1排气尾管噪声频谱图图2排气尾管阶次噪声曲线

二、原因分析

（一）噪声源识别

车内噪声的影响因素很多，根据发生机理和传播途径可将车内噪声分为固体声传播和空气声传播。本文遇到的车内轰鸣噪声是在测试排气尾管噪声的试验中发现的，通过对排气系统冷端结构和排气尾管阶次噪声曲线（图2）的分析，经过公司专家组的讨论和经验判断，最终确定车内轰鸣产生的来源是排气系统的排气尾管。

（二）Booming产生的机理

排气尾管噪声是一种脉动噪声，声音以平面波在管道中传播，当到达尾管时气流就产生脉动噪声。管道声学理论认为，当消音器的容积足够大的时候，消音器与尾管的交界面可以近似地处理为开口管端，尾管可以看作是具有“开口-开口”的边界条件（图3）。

图3尾管“开口一开口”边界

根据整车试验实测数据，尾管出口气体温度大约200℃。尾管内径Ф63mm，长度1814mm，可推导出现有设计的尾管共振频率约为118.6Hz，与整车实测结果120Hz比较相近。因此进一步确认了该排气系统轰鸣声产生是由于排气与尾管产生共振而引起的。

三、方案改善

（一）原始设计

1.该排气系统冷端总成主要包括：a、前消声器总成，b、后消声器总成，c、排气尾管。

（1）方案改进思路

通过对排气系统轰鸣声的频率值和轰鸣产生的机理分析，本文提供了解决该问题的两种思路。思路一：改变尾管长度。在管径一定的条件下，排气尾管的共振频率取决于尾管的长度和声波的速度。在一定的试验工况条件下，尾管内排气温度变化幅度不大，可以认为声波速度是确定的，因此通过改变尾管长度可以调节尾管与气体的共振频率。思路二：增加赫姆霍兹消声器。由于该轰鸣声的频率在120Hz左右，属于特定频率的噪音，因此可以考虑在排气系统的冷端增加一个赫姆霍兹消声器来消除这一特定频率的噪声。如图5所示，赫姆霍兹消声器是一种历史悠久的消声器，由一个消声容器和一根短管组成，短管与主管连接。图中V是赫姆霍兹消声器的容积，Sc和

Lc分别是连接管的截面积和长度。赫姆霍兹消声器的消音原理是入射波在主管内运动，当到达消声器时，一部分被反射回来，另一部分分成两个分路。一路进入容器或者推动容器内的空气运动，另一路继续在主管内传播，形成投射波。由于管道交界面处的阻抗发生变化，从而达到消声目的。

图5赫姆霍兹消声器原理图

（2）方案描述

根据上文描述的改进思路，在不影响整车边界的前提下，提出了四种改进方案。方案A，保持原始设计的尾管直径Ф65mm不变，把尾管长度由1814mm缩短到1675mm。方案B，保持原始设计的尾管直径Ф65mm和长度1814mm不变，在尾管上增加容积为1L的谐振腔。方案C，保持原始设计的尾管直径Ф65mm不变，尾管长度由1814mm缩短到1675mm，同时在尾管上增加容积1L的谐振腔。方案D，保持原始设计的尾管直径Ф65mm和长度1814mm不变，同时在尾管上增加一个赫姆霍兹消声器。

（二）模拟结果

为评估各方案的改进效果以及节省样件制作的时间和成本，对各方案进行了传递损失的模拟分析。通过模拟分析结果，在3700rpm转速附近，方案A相对原始方案只降低1.5dB，方案B相对原始方案只降低2dB，方案C相对原始方案降低2dB，方案D相对原始方案降低了15dB。从模拟的结果来看，方案D即采用了赫姆霍兹消声器的设计，可以大幅度降低3700rpm的噪声值。

四、试验结果

为了进一步验证方案D的效果，随后做了样件并在整车上重新进行了2档滑行测试。从尾管阶次噪声的测试结果可以看出，方案D的测试结果明显好于原始方案，在发动机300rpm左右，2阶排气尾管噪声峰值降低12dB。

结语：本文通过分析判断轰鸣声是由于排气尾管噪声出现了峰值，进而分析了尾管轰鸣产生的机理，提出了两种改善设计的思路。依据两种思路提出了不同的解决方案，并且通过传递损失的模拟分析找出最有效的方案进行整车尾管噪声测试，最终通过在排气尾管上增加一个赫姆霍兹消声器，消除了排气尾管产生的轰鸣声。

参考文献：

[1]李洪亮，程魁玉，顾灿松，何森东.某微车低速轰鸣声的降噪设计.LMS中国用户大会会议论文集，2009.

[2]王志波.轿车轰鸣声产生机理与分析方法研究.噪声与振动控制，2016.

[3]白俊伟，刘松伟.汽车排气系统尾管设计指南.第七届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集，2010.