摘 要

伴随着改革开放的巨大推动力，中国的汽车行业水涨船高，发展快速。人们的汽车保有量增长飞速。与此同时，汽车产生的汽车噪声污染问题成为了城市新公害，严重影响了人民的生活。在汽车噪声的组成成分中，排气噪声是重要的一个组成部分。降低汽车排气噪声是降低整车噪声的最有效的手段。

在排气管上装有消声器可以有效地降低排气噪声，因此设计出合适的消声器是解决汽车噪声的最直观的手段。传统的消声器设计主要是根据经验公式和实验结果相结合，需要耗费很多时间。利用现代软件GT-POWER进行仿真计算不仅可以减少时间成本，同时可以减少材料成本，大大方便了消声器的设计和优化过程。

本文利用GT-POWER软件对汽车的消声器进行设计和优化。首先，对汽车消声器的评价指标，消声器的分类与原理，消声器的设计方法进行介绍和讨论。然后建立消声器的模型进行离散和仿真，改变穿孔板位置，穿孔孔径等因素，计算传递损失。最后比较不同结果，分析讨论出最优方案。

关键词：排气消声器，GT-POWER，噪声，仿真

Abstract

With the tremendous driving force of reform and opening up, China's auto industry has risen and developed rapidly. People’s car ownership is growing at a rapid rate. At the same time, the problem of car noise pollution caused by automobiles has become a new public hazard in the city, seriously affecting people's lives. Exhaust noise is an important component of the composition of automotive noise. Reducing vehicle exhaust noise is the most effective means of reducing vehicle noise.

The muffler on the exhaust pipe can effectively reduce the exhaust noise, so designing a suitable muffler is the most intuitive way to solve the car noise. The traditional muffler design is mainly based on the combination of empirical formula and experimental results, which takes a lot of time. Using the modern software GT-POWER for simulation calculation can not only reduce the time cost, but also reduce the material cost, which greatly facilitates the design and optimization process of the muffler.

This paper uses GT-POWER software to design and optimize the muffler of the car. Firstly, the evaluation indicators of the car muffler, the classification and principle of the muffler, and the design method of the muffler are introduced and discussed. Then establish the model of the muffler for discrete and simulation, change the position of the perforated plate, the hole diameter and other factors to calculate the transmission loss. Finally, compare the different results and analyze and discuss the optimal solution.

Key Words：Exhaust Muffler，GT-POWER，Noise，Simulation

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 噪声种类 5

2.2 汽车消声器的分类 5

2.3 消声器评价指标 6

2.4 消声器中声波传播过程中的物理描述 8

2.4.1 波动方程 8

2.4.2 阻抗转移公式 10

2.5 本章小结 11

第3章 简单消声器声学性能分析 12

3.1 仿真模型的建立 12

3.2 简单消声器声学性能分析 12

3.2.1 穿孔板对消声器消声性能的影响 12

3.2.2 不同的结构参数对消声器消声性能的影响 15

3.3. 本章小结 18

第4章 复杂消声器消声性能分析 20

4.1 消声器模型建立 20

4.1.1 消声器外壳 20

4.1.2 在消声器外壳中添加挡板 20

4.1.3 在消声器中添加直管 21

4.1.4 在直管上添加穿孔部分 21

4.1.5 在挡板上添加穿孔部分 22

4.1.6 添加消音棉 22

4.1.7 消声器模型离散化 22

4.2 复杂消声器消声性能分析 23

4.2.1 原消声器消声性能 23

4.2.2 挡板穿孔孔径对消声器消声性能的影响 24

4.2.3 各结构参数对消声器消声性能的影响 26

4.3 本章小结 29

第5章 结论与展望 30

5.1 结论 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

伴随着改革开放的巨大推动力，从上世纪九十年代开始，人民群众的生活条件产生了惊人的改变。汽车行业水涨船高，跟随着迅猛发展的经济也进入了快速发展的道路上。一方面，汽车给人们的生活带来了很大的方便，让我们出行更加快捷迅速，汽车工业的蓬勃发展为许多人带来了就业机会和工作岗位。另一方面，汽车数量增长飞速，截止2018年底，中国汽车保有量达到2.4亿，增速仍保持在10%以上，剧增的汽车数目必然带来了日益严重的交通污染，其中，汽车噪声污染被称为城市新公害^[1]。

当人们长时间在噪声的环境中时，除了人的听力会受到损伤，还会造成生理上的不适例如心跳加快和血压升高等问题，有些严重的噪声甚至会导致人的神经衰弱和闹神经机能不全，对人类的身体和心灵都是一个严重的危害。在所有种类的噪声中，人们听到的70%左右据统计都来自交通噪音。汽车的噪声根据产生原因有三个种类。第一种是发动机噪声，发动机的动力来自于可燃混合气的燃烧，燃烧产生的压力的变化会通过连杆、活塞、轴承传到机体以及通过气缸盖等引起发动机结构表面振动而扶着出来。尤其是柴油机，因其缸内压力很高，压力增长率也很高，所以产生的燃烧噪声也比较大。除了燃烧噪声，发动机内还有气体冲击力和惯性力冲击运动零件使其振动产生的机械噪声，风扇旋转产生的风扇噪声，进气过程空气高速流过空气滤清器、进气管、气门进入气缸产生的进气噪声，废气排放时产生的排气噪声和燃油系统产生的液力动力噪声。第二种是行驶噪声，行驶噪声主要包含传动机构的机械噪声，轮胎噪声和车身噪声。第三种是汽车附属部件产生的附属噪声。

生活中，汽车噪声会影响人们的正常交流，工作中，人们由于噪声的影响心情容易浮躁，从而容易产生心不在焉等负面情绪，工作效率降低。当噪声高于50dB(A)，就有可能对一般人的听力产生损伤，当噪声达到90dB(A)时，人们视网膜中视杆细胞区别光亮度的敏感性开始下降，识别弱光需要更长的反应时间，长期接触时容易发生眼疲劳、眼痛、视物不清和流泪等现象。急性噪声暴露常引起高血压，在100分贝十分钟上下肾上腺激素分泌升高，交感神经被激动。

在现代生活中，我们已经很难离开汽车生活。然而，在享受汽车带来的便利时，汽车噪声从各个方面影响着我们的健康，妨碍了我们的工作。我们既要利用好汽车这个工具，同时也应该考虑如何降低汽车噪声，让汽车更加绿色环保。

汽车噪声来源有多个方面，例如发动机噪声、轮胎噪声、制动噪声和车体空气动力噪声等^[2]。在这些来源中，占比最大的是发动机排气噪声和发动机进气噪声。要想更有效的减少汽车噪声，降低进排气噪声是最直观的手段。在不改变发动机性能的条件下，在排气管上安装消声器是降低噪声的最有效手段，可以简洁有效的实现目的。虽然消声器的存在降低了发动机的排气噪声，但是其也会造成不好的影响。排气经过消声器时会产生截面积的变化，从而对排气产生一定的阻力，增加排气背压，影响了发动机的工作性能。对于消声性能更好的消声器，其可能对动力性和经济性的影响就更大。因而，设计消声器时不能只考虑消声性能的好坏，也要考虑其对排气的影响。

1.2 国内外研究的过程以及现状分析

二十世纪初期，对于消声器的理论研究就已经出现在了工业强国里。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：

新加坡的Institute of High Performance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^[3]。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^[4]。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。

与国外相比，我国消声器起步较晚，20世纪80年代后期开始有学者基于一维声传递矩阵对消声器的声学性能进行研究。赵松龄、盛胜我以一维平面波理论以及传递矩阵法为基础推导出了如何计算简单扩张式消声器传递损失的计算方法。蔡超等人以声传递矩阵理论为基础得到了多种扩张式消声器的声传递矩阵，并且进行了实验验证。宫建国等人以声传递矩阵法为基础，得到了扩张式消声器的传递损失，讨论了结构参数对声学性能的影响。在国内众多学者的努力下，我国关于消声器的理论研究也缩小了与世界先进水平的差距。

丁吉民等人基于 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^[5]。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^[6]。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^[7]。

华南理工大学的刘晓鸣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^[8]。

胡习之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^[9]。

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：

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。

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。

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。

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。

Control：与声学模块相连接的控制模块，常用作监视声压变化。

Analysis：对插入损失进行数学运算分析。

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，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。

基于以上的任务要求，主要完成的内容有：

（1）查阅关于汽车消声器方面的文献资料，学习汽车消声器的技术原理，了解汽车消声器的发展和研究进展，了解汽车消声器的设计方方法。

（2）通过阅读相关书籍和观看视频，认真学习GT-Power软件，熟练基本操作和各个模块的应用。

（3）使用GT-Power软件对某乘用车型号发动机进行建模，调试发动机模型，建立发动机排气的声学计算模型和空气动力学计算模型。使用GT-Muffler建立消声器模型，并耦合发动机排气声学计算模型和空气动力学模型中进行仿真计算。使用对比的方式优化消声器模型，最终实际出合理的排气消声器方案。

第2章 消声器设计理论

消声器通常被用于汽车的排气系统，其原理是利用叠加干涉效应减弱声音强度，从而降低汽车排气噪声。一个设计优良的汽车消音器可以将汽车的噪声降低20-40dB,减弱幅度高达70%以上。本章目的是介绍噪声种类，消音器种类，以及噪音传播的原理。

1. 噪声种类

总所周知，排气噪声汽车运行的最主要的噪声来源，排气一般分为超临界排气和亚临界排气两个阶段，其又可细分为基频排气噪声、涡流噪声、亥姆霍兹共振噪声、废气喷注和冲击噪声等，下面将分别介绍各个噪声的基本概况：

第一，基频排气噪声：产生的来源为气缸排气门开启时，缸内废弃气体以非常的高速流出，从而产生冲击其他气体，此时压力骤变，最后形成压力波，发出剧烈的噪声。

第二，涡流噪声：其产生的机理是由于高速旋转的气流通过排气门和排气道产生的，由于刚打开气门时存在截面效应且缸内压力比排气管内的压力大，一瞬间产生涡流碰撞噪音。

第三，亥姆霍兹共振噪声：典型的例子是单缸机内产生，当排气门开启的瞬间，排气管与气缸内连通，气缸可视为亥姆霍兹共振器，缸内气体的震动产生噪音。

第四，废气喷注和冲击噪声：在超临界排气阶段内，排气门处由于快速的气流喷注而出，气门处会产生剧烈的噪声。因为气体具有粘性，所以会吸附缸内气体一同往外排气，周围气体产生涡流效应，由于压力的不连续效应，从而产生冲击波。

此外还有其他噪声来源，例如：可燃混合物在气缸内的剧烈燃烧，气缸内脉动压力激发噪声、气体通过变截断面的湍流噪声等。

1. 汽车消声器的分类

汽车消声器按消声原理可分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合型消声器。

第一，阻性消声器。阻性消声器在声音传播通道内使用吸声材料，在声音传递过程中，噪声不断被吸声材料吸收而递减。将吸声材料按照一定的规律排列在声音传播通道内就构成了阻性消声器。阻性消声器在低频范围内的消声效果较差，其实际的消声效果与声音频率密切相关。在高频条件下消声效果较好，但具体的消声效果受材料特许影响较大，比如说密度等。

第二，抗性消声器。抗性消声器不采用吸声材料，通过改变声音传播管道的几何形状，利用声音在通道内进行干涉、反振，从而降低噪声。抗性消声器在中、低频消声效果较好，在高频时较差。抗性消声器由于可用全金属加工，具有较好的耐高温性和耐腐蚀性。抗性消声器存在的一个缺点是它对气流产生的压降较大而引起发动机背压。

第三，阻抗复合型消声器。阻抗复合型消声器把阻性消声器和抗性消声器相结合，在低、中、高频都有较好的消声效果，但依然存在阻性消声器的不足。

1. 消声器评价指标

第一，声学性能。评价消声器声学性能的指标有三个，分别是插入损失，传递损失，降噪量。

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