摘 要

随着人们生活水平的提高，对汽车驾驶舒适性的要求也逐渐提高，汽车噪声会影响车内人员的舒适性。发动机排气噪声是汽车噪声的主要组成部分，为减低发动机排气噪声，常使用排气消声器来降低排气噪声声压级。进排气噪声中，低频噪声最难消除，在消声器设计中，常在管道末端添加直径与管道直径相同的挡板，使声波在管道的传播过程发生改变，不能直接从管道末端流出，而从管壁上的穿孔流出，这一挡板在消声器设计中称为堵头。堵头的加入，能有效提高消声器低频段的消声性能。因此，在不改变消声器背压和消声器容积的前提下，研究消声器内各结构参数对消声器消声性能的影响，具有重要的理论意义和实际意义。

本文通过声学有限元法对简单消声器进行仿真分析，总结影响消声器消声性能的因素的规律性。结合这些规律，针对消声器低频消声能力不足的情况，设计带堵头穿孔管，通过改变带堵头穿孔管的结构参数例如穿孔孔径，穿孔间距等，计算传递损失和背压，在不改变消声器背压和消声器容积的情况下，选择最优方案。

首先，介绍目前消声器的设计要求和性能评价指标，消声器的分类及其依据。阐述声学基础理论如波动方程，一维、三维声波方程，声阻抗转移公式，为消声器传递损失分析提供理论基础。

其次，分析消声器结构因素对消声器消声性能的影响。建立简单消声器三维模型。在GEM3D中进行简单消声器的建模和离散化过程，改变如穿孔板位置，穿孔板穿孔孔径等因素，在GT-ISE的传递损失模型和背压计算模型中计算分析。

最后，探讨复杂消声器的设计最优方案。结合总结出的规律，设计9种不同的消声器方案，分别计算传递损失和背压，对比传递损失曲线消声频率带宽度和消声峰值大小，选取最优方案。

关键词：排气消声器，传递损失，消声性能，GT-POWER

Abstract

With the improvement of people's living standards, the requirements for the driving comfort of the car are gradually improved, and the car noise will affect the comfort of the people inside the car. Engine exhaust noise is a major component of automotive noise. To reduce engine exhaust noise, exhaust muffler is often used to reduce exhaust noise sound pressure levels. In the intake and exhaust noise, the low-frequency noise is the most difficult to eliminate. In the muffler design, the baffle with the same diameter and the diameter of the pipe is often added at the end of the pipe, so that the propagation process of the sound wave in the pipe changes, and it cannot directly flow out from the end of the pipe. The perforations in the pipe wall flow out, and this baffle is called a plug in the muffler design. The addition of the plug can effectively improve the muffling performance of the muffler in the low frequency band. Therefore, under the premise of not changing the back pressure of the muffler and the volume of the muffler, it is of great theoretical and practical significance to study the influence of various structural parameters in the muffler on the muffling performance of the muffler.

In this paper, the acoustic finite element method is used to simulate the simple muffler, and the regularity of the factors affecting the muffler performance of the muffler is summarized. Combined with these rules, for the case of insufficient muffling ability of the muffler, the perforated pipe with plug is designed, and the transmission loss and back pressure are calculated by changing the structural parameters of the perforated pipe with the plug, such as the perforation aperture and the perforation interval, without changing the muffler. In the case of back pressure and muffler volume, choose the optimal solution.

First, introduce the design requirements and performance evaluation indicators of the current muffler, the classification of the muffler and its basis. Explain the basic theories of acoustics such as wave equations, one-dimensional, three-dimensional acoustic wave equations, and acoustic impedance transfer formulas, which provide a theoretical basis for the transmission loss analysis of muffler.

Secondly, the influence of the structural factors of the muffler on the muffling performance of the muffler is analyzed. Create a three-dimensional model of a simple muffler. In the GEM3D, the modeling and discretization process of the simple muffler was carried out, and the factors such as the position of the perforated plate and the perforation of the perforated plate were changed, and the calculation was performed in the transfer loss model and the back pressure calculation model of the GT-ISE.

Finally, the optimal design of complex muffler is discussed. According to the summed up rules, nine different muffler schemes are designed to calculate the transmission loss and back pressure respectively, compare the transmission loss curve frequency band width and the muffling peak size, and choose the optimal scheme.

Key Words：Exhaust Muffler，Transmission Loss，Noise Reduction Performance，GT-POWER

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究的过程以及现状分析 2

1.3 GT-POWER软件介绍 3

1.4 研究的主要内容 4

第2章 消声器设计理论 5

2.1 汽车消声器的设计与评价 5

2.2 消声器中声波传播过程中的物理描述 7

2.3 本章小结 9

第3章 简单消声器声学性能分析 10

3.1 仿真模型的建立 10

3.2 简单消声器声学性能分析 10

3.3. 本章小结 16

第4章 复杂消声器消声性能分析 17

4.1 消声器模型建立 17

4.2 复杂消声器消声性能分析 21

4.3 本章小结 28

第5章 结论与展望 29

5.1 结论 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着我国汽车保有量的快速增加，汽车使用给环境噪声带来的压力也日益扩大。根据统计，汽车运行带来的噪声大约占整个环境噪声的75%。同时，随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性要求逐渐增加。所以近年来众多企业都在如何降低汽车噪声方面进行了大量研究。

汽车噪声包括发动机噪声、传动系统噪声、轮胎噪声、制动噪声和车体产生的空气动力噪声等，其中，发动机排气噪声是主要组成部分，约占30%，发动机进气噪声也是汽车噪声的主要组成部分之一。因此，降低汽车进排气噪声是降低汽车噪声的首选目标。通过对噪声源采取控制措施，可降低进排气噪声，但会影响发动机的动力性和经济性。所以目前普遍釆用的方法就是安装具有优良性能的进气消声器和排气消声器。

噪声限制值/dB

时间/年

图1-1 汽车驾驶行驶车外噪声限值

进排气噪声中，尤其低频噪声最难消除，而在消声器结构设计中加入堵头，则可以有效提高消声器的低频消声能力。不改变消声器的背压，不增大消声器的容积，兼顾动力性能和声学性能。堵头的加入，可使噪声声波产生反射、干涉相互抵消，达到消声的目的。

过去，人们对消声器的研究主要采用实验台架的形式，对消声器的性能进行测试。这种手段存在一定局限性。采用实验台架的形式会耗费大量的时间、人力和资金。随着有限元技术和CFD仿真技术的发展，已经能够对消声器的传递损失、压力损失、流场分布、温度分布、压力分布等进行分析。这样利用计算机进行的仿真分析不受时间和地点的限制，不需要过多的资源，因此可以节约试验的人力、时间和资金的投入，缩短消声器的设计时间和试验分析时间，进而缩短整车的研发时间，降低整车研发成本，提高研发效率。

本文将采用GT-POWER软件，在GEM3D中建立简单的消声器三维几何模型，在GT-POST中建立传递损失仿真分析模型，将消声器三维几何模型离散化后在仿真分析模型中进行仿真分析计算，分析消声器结构参数对简单消声器消声性能的影响。对某复杂消声器进行优化设计，设计9种不同的优化方案，在不改变消声器背压和消声器容积的情况下，取低频消声性能最好的方案。

1.2 国内外研究的过程以及现状分析

国内外大量研究人员对于排气系统中的声学性能研究完成了很多工作：

华南理工大学的吴杰^[1]等人通过仿真分析某种消声器低频消声不足的原因及结构缺陷，提出了横流穿孔结构的前消声器结构，并改进了主消声器的穿孔形式。利用GT-Power软件对消声器初始方案进行声学性能真并分析了怠速噪声偏高的原因，进而利用 Fluent软件对初始方案进行流场性能仿真，分析了消声器内部结构缺陷。基于对消声器消声性能和流场性能的分析，给出相应的优化方案并进行试验验证。结果表明，消声器进气管正对隔板穿孔比不穿孔好，能够降低气流对隔板冲击、降低冲击噪声以及排气阻力。为其它消声结构的优化设计提供借鉴。

黄河科技学院的郑帅^[2]等人认为消声器消声性能受消声器内部隔板不同位置影响。采用Fluent软件对四种隔板不同位置的消声器在同种工况下进行仿真分析，发现隔板位置不同对消声器消声性能影响不大，结合压力损失理论，验证仿真分析数值的可靠性。为今后汽车消声器实际设计生产提供参考。

丁吉民^[3]等人基于 GT-Power 软件，对某乘用车消声器传递损失与背压仿真分析过程做了详细介绍，得到消声器传递损失曲线与背压值。在保证消声性能不下降的前提下，对此消声器进行降低背压的优化设计，最后通过试验验证仿真分析结果。得出结论：排气后处理稳态分析可以得到气流速度均匀性系数、气流速度中心率、压力降及氧传感器位置参数等评价指标是否满足设计要求。对排气系统分析模型进行验证，可以确保建立的模型准确。对排气系统进行瞬态分析，得到一个工作循环下不同曲轴转角下的结果均满足要求。

施忠良^[4]利用声学分析软件 LMS Virtual Lab 与流体力学计算软件 FLUENT 建立汽车消声器模型。在对汽车消声器插入损失和传递损失分析后，进行优化设计。得到结论：增大消声器的几何尺寸能有效增大消声器的消声量，在消声器的挡板和管壁上穿孔，能使声波能量减少。减少消声器的几何参数能增强消声器的低频消声能力。

王爽^[5]等人针对E5消声器在加速工况下的消声能力。采用有限元软件Hypermesh对消声器内部进行网格划分，提出两种优化方案，增加赫姆霍兹共振腔和去除第三块隔板。将两种优化方案在声学分析软件 LMS Virtual Lab分析计算后，增加赫姆霍兹共振腔能有效增强E5消声器在加速工况下的消声能力。

华南理工大学的刘晓鸣^[6]等人提出对消声器隔板增加穿孔的方法，分析对汽车消声器声学性能的影响。采用Hypermesh软件建立流经消声器内部气体的网格模型，再通过拉伸、旋转等方法建立三维网格。确定边界条件后，计算声衰减量和传递损失。结果表明，改进后的方案在190Hz存在一40.3dB的消声峰值，这一消声峰值是由原方案在60Hz的共振峰经过共振加强、频率转移获得。

胡习之^[7]等人针对穿孔消声器声学关系进行研究。利用 Ansys Fluent的流体噪声模块来分析计算。分别测得进气管入口处声压值和振动速度矢量，排气管出口处声压值和振动速度矢量。得出结论双插双内插管消声器在全频率段都有较好的消声性能。

新加坡的Institute of High Performance^[8]结合各类型消声器优点，提出了一种混合消声器的设计方案，并在感兴趣的频率范围内提高性能。基于边界元法建立计算声学模型，用于预测带或不带块状吸声材料的多孔管排气消声器的传输损失。采用计算建模和仿真的方法，对单室和混合室排气消声器的设计进行分析，研究孔隙度、长度和直径、电阻率效应等参数的影响。结果表明，该混合消声器在工作频率下系统性能有一定提高。

Sourav Kumar Kar^[9]等人研究消声器几何形状变化对某种由甲醇和汽油混合驱动的发动机关键排气参数的影响。建立计算流体力学模型，设计室直型（CS）、涡轮直型（TS）、室椭圆型（CE）和涡轮椭圆型（TE）等消声器几何形状，详细讨论了消声器几何形状的改变和混合燃料的使用对背压、燃烧室温度和速度的综合影响。结果表明，采用B5（5%的甲醇）的室状椭圆消声器排气温度最低。而在使用B15（15%甲醇）的涡轮椭圆消声器中，气体密度最小。采用B5共混的室形椭圆消声器，其速度最高。

根据国内外相关研究显示，采用声学仿真软件对消声器的流场和声学性能分析能得到满意的结果。先基于GT-POWER建立发动机一维性能仿真模型，分析；结合流体动力学理论与声学理论，分析消声器声学性能，分析传递损失和消声器背压。故采用有限元方法对消声器进行声学分析与评估是能达到本科毕业设计的要求的。

1.3 GT-POWER软件介绍

GT-POWER软件是一款由GTI公司开发的一维流体力学分析软件，广泛应用于发动机进排气系统性能模拟与仿真。GT-POWER采用有限体积法对一维流体动力学模型进行计算。GT-POWER包括以下几个模块：

1. Flow：在研究过程中提供进出口环境，组成进排气系统的各管接头，是最常用的模块。
2. Mechaninal：提供涉及机械的样件，类如弹簧、曲轴，此外可指定标准件性能数据。
3. Thermal：可以进行热计算，因为在研究过程中需确定消声器壁温、气流温度等对消声性能的影响。
4. Acoustics：提供传递损失，插入损失，测得发动机模拟噪声，是声学模块。
5. Control：与声学模块相连接的控制模块，常用作监视声压变化。
6. Analysis：对插入损失进行数学运算分析。
7. General：起导入作用，将离散化后的文件导入建立的模型。

此外，GT-POWER还可以与三维CFD软件进行耦合计算，与SIMULINK进行耦合求解。

消声器的三维模型可以在GT-POWER的前处理组件GEM3D中建立，通过离散化处理，消声器离散成微小的体积单元，在GT-ISE中对离散化后的模型进行计算，在后处理组件GT-POST中对计算结果进行分析。

1.4 研究的主要内容

本论文是结合实际项目的基础上，针对某消声器低频消声能力不足的情况，设计一种带堵头的穿孔管结构，在不改变消声器的背压和不增大消声器容积的情况下，提高其低频消声能力。本题利用声学仿真软件建立几何模型并计算传递损失。通过改变带堵头穿孔管的结构参数，如穿孔孔径、穿孔间距、穿孔壁厚、穿孔数量等，确定上述因素对消声量及消声频率的影响，并研究其作用原理。基于研究结果，将此结构应用到某进排气消声器，以提高其声学性能。

主要完成的内容有：

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