摘 要

最近几年来，国家对于控制乘用车的排气噪声的要求是越来越高。但是之前传统的排气消声器的设计方法主要是基于过往经验，因此设计工作量就很大，开发成本高而且开发周期很长。而使用GT-POWER软件对汽车的排气消声器进行设计和开发就可以避开这些缺点。

本文根据排气消声器设计的相关知识理论，设计得到与目标发动机匹配的三种不同内部结构的消声器，应用GT-POWER软件构建消声器与发动机的仿真模型。通过分析三种方案的传递损失结果，淘汰方案1，并将方案2及方案3进行合理的改进。通过将汽车发动机的工作过程与排气消声器耦合，构建方案2及方案3改进前后的插入损失模型，分析得出改进后的模型消声性能更佳。

研究结果表明GT-POWER软件对于消声器的改进和设计有着传统方法不及的优越性。

关键词：消声器；发动机；GT-POWER；插入损失；传递损失

Abstract

In recent years, the country’s requirements for controlling the exhaust noise of passenger vehicles have become higher and higher. However, the conventional exhaust muffler design method is mainly based on past experience, so the design workload is large, the development cost is high and the development cycle is long. The use of GT-POWER software for the design and development of automotive exhaust mufflers can avoid these disadvantages.

Based on the related knowledge theory of exhaust muffler design, this paper designs three mufflers with different internal structures that match the target engine, and uses GT-POWER software to build the simulation model of muffler and engine. Through the analysis of the results of the transmission loss of the three schemes, Scheme 1 was eliminated and Scheme 2 and Scheme 3 were reasonably improved. By coupling the working process of the automobile engine with the exhaust muffler, the insertion loss model before and after the improvement of the scheme 2 and the scheme 3 is constructed, and the improved sound attenuation performance of the model is analyzed.

The research results show that the GT-POWER software has advantages over muffler improvement and design with traditional methods.

Key Words：muffler；engine；GT-POWER；insertion loss；transmission loss

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 课题研究的内容和目标以及采用方案 2

第2章 消声器设计理论 4

2.1 消声器的原理及分类 4

2.2 消声器性能的相关评估指标 5

2.3 小结 6

第3章 基于GT-POWER软件的建模 7

3.1 发动机噪声分类 7

3.2 GT-POWER软件简介 7

3.3 构建发动机模型并验证 8

3.4 排气消声器模型的建立 11

3.5 构建消声器性能评估指标模型 12

3.6 小结 15

第4章 GT-POWER仿真分析 16

4.1 传递损失对比结果 16

4.2 模型改进和插入损失对比结果 17

4.3 小结 19

第5章 结论 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1 引言

随着汽车行业的快速发展，据2013年的统计，中国车辆总量已超过2.5亿辆，汽车销量仍处于增长阶段。由于人们生活水平的提高，人们对于汽车的要求指标也越来越多，越来越严格。其中汽车噪声已经严重危害了社会以及生态环境的发展，引起了人们的广泛关注，因此对于汽车排气消声器的性能要求也越来越高。

噪声对人体的生理以及心理方面都有着严重的危害。生理上，强烈的噪声会刺激到大脑皮层，从而引起脑血管损伤，对于大脑是一种不可修复的伤害。而且噪声不光会损伤人们的听力，由于眼睛与耳朵是联通的，所以视觉系统也会受到严重的损害；心理上，噪声会引发人们的负面感情，让人感到焦躁、疲倦、心神不宁、记忆力衰退等，这样会大大地影响人们的学习和工作效率。因此，在如今汽车产业需求和法律法规的趋势下，研究排气消声器具有重要的价值和意义。尤其是在现如今，各家汽车厂商都在极力发掘发动机动力性能，燃油经济性能，但是可研究价值已经接近饱和，水平也都十分接近，所以拥有优秀的汽车排气消声性能对于市场的需求有着十分重要的意义，是汽车厂商竞争的重点之一。

消声器的研究涉及有许多门学科，包括传热学、振动学、流体学，声学以及发动机的结构和性能等。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

国内由于对汽车噪声的研究相对较晚，缺乏相对应的理论基础研究和国外的技术支持，所以消声器的设计水平一直相对落后。但在我国高校相关专业的师生，学者以及技术专家积极的参加相关研究工作后，也取得了一定的科研成果。1998年，胡立臣使用传递矩阵法模拟和计算消声器的插入损耗，以评估整个排气系统的声源特性，包括源阻抗和尾管辐射阻力。六个消音单元的转移矩阵被导出并用于插入损失计算。建立消声量的数学模型，分析消声器本身特性与声波衰减之间的关系，并以消声器作为优化消声器设计的目标函数^[1]。蔡翠雪等人设计新型天然气发动机排气消声器并通过台架性能试验得出结论，新消声器可使发动机排气噪声降低28分贝,各频带声压级降低14.5~30dB^[2]。2001年，蓝军等人采用适当的人工边界条件来描述排气口外部的半无限空间,通过进气口端正弦扫频激励, 可以确定出口处的响应以获得排气消声器系统的传递函数和声学损失^[3]。2007年，刘胜等人通过建立排气消声器和发动机的耦合仿真模型，计算了排气消声器的声损失。分析发动机的排气噪声，进而提高消声器的性能^[4]。李忠华等通过导出消声器出口处的声压，可得到消声器的声压级和插入损失^[5]。2011年，韦海等人对发动机排气噪声谱和消声器插入损失进行了测试，并根据测试结果改进了排气消声器结构。通过计算机模拟分析和实验，得到结构简单，消声效果好，压力损失小的消声器^[6]。2013年，杨溶等人通过实验获得了原消声器的插入损失数据，分析了消声器消声后的声谱特性，确定了未被消声器抑制的噪声源的频段。使用建模软件和网格划分软件分别建立了消声器的三维模型以及有限元模型。获得了该消声器的消声频谱特征。基于实验和数据分析结果，以及消声阻力理论，对消声器的结构参数和布置进行了改进，设计了一种新型消声器^[7]。

1.2.2 国外研究现状

大约在上个世纪20年代，国外消声器的理论研究就已经开始了，相比较之下，我国对于消声器的研究是要落后一些。

2007年，A. Broatch等人对应用于计算排气消声器频率响应时用于求解一维气体流动方程的不同方案的性能进行比较研究，考虑了总变差递减方案，通量修正传输技术或创新性时空守恒元素和解元素方法。考虑到网格间距，结果为正确选择数值方案提供了指导^[12]。2016年，B. Ouédraogo等人通过实验获得衬里管段的散射矩阵。与数值预测的一致性用于验证计算中使用的穿孔板阻抗模型。给定代表典型燃烧噪音频谱的入射声压，数字选择实现最大整体声学传输损失的最佳腔体配置。该研究说明了声学性能如何取决于事件场的性质^[13]。2017年，Vidya Sagar等人使用传递矩阵方法分析叉式消声器，采用传输矩阵方法，通过三维有限元分析，对H型连接叉式消声器进行参数研究，在研发排气系统的时候构建出有效使用H型连接的设计指南^[14]。Ahmed Elsayed等人使用热挡板方法模型研究挡板配置对排气消声器性能的影响。发现挡板导致轴向流动方向的流体温度突然下降。当挡板切割比例从75％变为25％时，排气出口温度降低了15％^[15]。Sreekanth Dondapati等人对安装在商用车上的消声器安装支架的失效进行了实验研究，利用有限元分析和实验验证来研究消声器安装支架中的机械应力，进行了多项分析确定了消声器最适合的支架^[16]。

1.3 课题研究的内容和目标以及采用方案

此次研究围绕汽车消声器的设计，依据声学传递矩阵和有限元法等理论，建立发动机与消声器的联合模型，并利用仿真软件GT-POWER方法，形成可求解的数值模型，利用科学计算方法进行数值模拟计算，并将得到的结果和现有实验效果相比较，以此来验证模型的可靠性。本研究以分析国内外研究现状和技术实验手段为基础，在充分假设的基础上对现有复杂现象进行简化。

通过此次毕业设计，期望达成以下目标：（1）、掌握消声器的工作原理；（2）、了解消声器在汽车上的应用现状；（3）、掌握车用消声器设计的基本过程；（4）、了解消声器的不同基本单元；（5）、使用GT-POWER构建发动机与消声器的联合模型，分析该消声器的性能；（6）、完成相关图纸绘制。

本文采用的技术方案及措施为：（1）学习排气消声器的相关历史知识以及国内外的发展现状，参考国内外相关文献论文，以进一步了解消声器的应用与前景；（2）从整体上介绍消声器的不同基本单元，并简要分析设计原理；（3）从现有的一些排气消声器中进行类比，再进行设计，得出一种合理的排气消声器；（4）使用GT-POWER软件构建发动机与该消声器的联合模型，进行仿真并分析该消声器的性能；（5）整理所做工作，并对其进行分析、完善及讨论。

第2章 消声器设计理论

2.1 消声器的原理及分类

消声器是一种降噪管道，不仅可以降低声音传播，还可以通过气流。它可以保证空气的畅通，同时有效地防止或减少声能向外传播。广泛应用在各种内燃机、风机和其他需要消除噪声的机器中。

想要解决汽车的排气噪声问题，可以对发动机及有关零部件进行改造和优化，这样可以从源头解决问题。但是，这种方法既费时又费力，解决起问题来将非常繁琐。而且这种方法所能达到的降噪效果距离国家标准要求往往差的很远。所以，目前都是通过安装排气消声器来解决汽车的消音问题。

消声器经过多年研究，已经拥有丰富的类别。常见的消声器有抗性消声器，阻性消声器以及阻抗复合消声器三种，它们各自的构造和原理都不相同。

抗性消声器减少噪音基于声阻抗的大小，并且不需要使用吸音材料。而是通过利用突变截面的管道、旁支管和共振腔使得噪声的声能被限制在管道内，而外部则降低了噪声的影响。抗性消声器工作的频段是中频和低频，并且耐高温和潮湿。抗性消声器通常有三种类别：干涉式消声器，扩张室式消声器以及共振式消声器。

阻性消声器降低噪声的原理基本上是使用多孔吸声材料。阻性消声器的结构是在管道内安装有设计好的吸声材料。当声波通过阻性消声器时，声波的能量会被吸声材料所吸收转化掉一定的比例，所以声能被消耗掉，达到降噪的效果。阻性消声器能在广泛的中频和高频范围内进行消声，尤其是适用于恶劣的高频噪声消声。但是缺点在于对低频噪声的消声效果不太理想。阻性消声器通常有以下几种分类：（1）直管式消声器；（2）片式阻性消声器；（3）蜂窝式消声器；（4）折板式消声器；（5）声流式消声器；（6）室式阻性消声器；（7）迷宫式消声器；（8）盘式阻性消声器；（9）弯头式消声器。就目前来说，阻性消声器是最广泛使用的消声器类型之一。通常，阻性消声器的设计步骤为：（1）根据气体流量和流速，计算所需要的通道截面，从而选择阻性消声器的形式；（2）选择合理的吸声材料；（3）确定阻性消声器的长度；（4）合理选择消声材料的护面结构；（5）根据“高频失效”和气流噪声的影响，验证降噪效果。

抗性结构和阻性结构按照一定的方法结合在一起形成阻抗复合式消声器。因此阻抗复合式消声器包括阻性效应和阻性效应，其工作的频段主要在高声级的低、中频带。在实际的汽车驾驶中，由于排气噪音多数分布在宽频带，因此目前的车辆排气消声器大多是把抗性消声器和阻性消声器组合在一起。从而消除高声级的宽频带汽车排气噪声。

在最近几年来，国际上有一种有源消声器的概念，跟其他消声器的工作原理大为不同。有源消声器是利用传感器来检测出管道内气体流动所发出的声音信号，然后经过数据处理分析，利用扬声器制造一定频率的声音和管道中的声波相互对抗，最后一起消散掉。这种类型的消声器是由麦克风，放大器，移相器，功率放大器和扬声器组合而成的一组仪器设备。根据相关试验数据表明，这种有源消声器具有十分优秀的消声性能，因为可以通过传感器控制，所以是未来的消声器发展的一个非常有前景的方向。

2.2 消声器性能的相关评估指标

评估消声器的工作性能，需要验证其空气动力学性能，声学性能和结构性能。在正常发动机工作压力，温度和气体流量的条件下，消声器应在适当的频率范围内达到适当的噪声衰减性能。而且不能影响气体的正常流动和降低流量。同时，根据工作环境的不同，消声器应具有合适的形状和体积。

消声器的性能，包括降噪量和频谱特性。消声器性能的评估指标中，声学性能中的消声量一般有两个用来衡量的指标：传递损失TL（transmission loss）和插入损失IL(insertion loss)。在实际现场测试时，也可以使用排气口（或进气口）末端的声级差。至于消声器的频谱特性，一般用1/3倍频带或者倍频带的消声量来表示，如果是分析比较深入的特性时，也可以用窄带谱来表示。消音器的频率范围是指消音量大的那些频率或频带。对于消声器的频率范围，没有具体的统一定量评估标准，一般来说，工作范围应该尽量扩大。但要考虑到，人耳朵感受到的声音频段必须要有充足的降噪能力，并且应该在噪声源辐射噪声的频率范围内提供大量的降噪。这样设计的消声器具有较高的性能。

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