摘 要

据公安部统计，截至2017年底，全国机动车保有量达3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆；机动车驾驶人达3.85亿人，其中汽车驾驶人3.42亿人。汽车排气噪声是汽车噪声的主要声源之一，减小排气噪声可以显著减少汽车整车噪声。本文借助了汽车模拟计算软件GT-SUITE中的gem-3D和Muffler模块设计排气消声器以及对消声器进行相关计算，基于计算结果对消声器内部结构参数进行分析并优化。本文将优化后的消声器与优化前的进行了对比，所得结果对于排气消声器的设计与开发具有重要的指导意义。

论文主要研究了消声器内部结构参数对消声性能的影响。

研究结果表明：内部结构参数如扩张比和消声器长度对消声器传递损失影响较大。在一定范围内扩张比越大，平均传递损失和最大传递损失越大；消声器长度降低，传递损失峰值增大。

本文的特色：建立了三维模型并进行数值仿真，对消声器传递损失参数进行计算，具有周期短、准确性高和结果易预测等特点。

关键词：消声器；GT-power；传递损失；优化设计

Abstract

According to the statistics of the Ministry of public security, by the end of 2017, there were 310 million vehicles in the country, of which 217 million were cars, and 385 million were motorized drivers, of which 342 million were motorists. Vehicle exhaust noise is one of the main sources of vehicle noise. Reducing exhaust noise can significantly reduce vehicle noise. In this paper, the exhaust muffler is designed and the muffler is calculated by gem-3D and Muffler module in GT-SUITE software. Based on the calculation results, the internal structure parameters of the muffler are analyzed and optimized. This paper compares the optimized muffler with that before optimization, and the results are of great significance for the design and development of exhaust mufflers.

This paper mainly studies the influence of muffler's internal structural parameters on the performance of muffler.

The results show that the internal structural parameters such as expansion ratio and muffler length have great influence on the transmission loss of mufflers. The larger the expansion ratio is, the larger the average transmission loss and the maximum transmission loss; the smaller the muffler length, the greater the transmission loss peak.

The characteristics of this paper are: a three-dimensional model is set up and the numerical simulation is carried out to calculate the transmission loss parameters of the muffler, which has the characteristics of short period, high accuracy and easy to predict the results.

Key Words：muffler; GT-Power; transmission loss; optimize design

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1噪音的危害 1

1.1.2排气噪音控制的意义 1

1.2国内外研究的发展和现状 2

1.3本文的主要内容 3

第2章 排气消声器设计的基本理论 4

2.1排气系统噪声的性质 4

2.1.1气体动力噪声 4

2.1.2结构辐射噪声 5

2.2消声器的种类及原理 6

2.2.1消声器的种类及消声原理 6

2.3消声器性能评价指标 9

2.3.1声学性能 10

2.3.2空气动力性能 12

2.3.3结构性能 12

2.4本章小结 13

第3章 消声器的设计与仿真计算 14

3.1消声器设计 14

3.1.1消声器容积的估算 14

3.1.2消声器外壳设计 14

3.1.3扩张比 14

3.1.4腔数 15

3.1.5第一腔长度 15

3.1.6其他参数 15

3.2消声器三维模型 15

3.3声学分析模型的搭建 16

3.4仿真计算 18

3.5模型验证 19

3.6本章小结 20

第4章 消声器的优化设计 21

4.1计算结果分析 21

4.2消声器优化设计 21

4.2.1吸声材料 21

4.2.2吸声材料密度 22

4.2.3扩张比 23

4.2.4穿孔孔径（穿孔率不变） 24

4.2.5穿孔长度 25

4.2.6消声器长度（内部结构相对位置不变） 26

4.2.7隔板穿孔数（穿孔面积不变） 27

4.3消声器最终设计 29

4.4本章小结 30

第5章 总结与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1噪音的危害

通常在声学领域界定40分贝为正常的环境声音，高于这个分贝就会引起一些不适甚至危害，可能会影响睡眠休息、干扰工作，严重时甚至会使听力受损和引起心脑血管等方面的疾病，基本上可以归纳出以下几类：

（1）影响休息。人只有在安静的环境下休息才能保证良好的睡眠质量。如果睡眠不良长期得不到解决，就会引起神经系统衰弱等方面严重的疾病，这是十分严重的。由此可见睡眠质量对身体健康是多么的重要。

（2）损害听力。我们通常生活在60分贝以下的环境，30-40分贝为最舒适的环境。而一旦超过80分贝，就会对人的听力系统造成损害，虽然自身可能察觉不到，但医学表明这种伤害是不可恢复的，如果长期生活在高噪声环境下，情况会更严重。

（3）影响生理。曾有记录表明一架大型喷气式客机飞过一片养鸡场时，养鸡场内近9成的鸡全都被巨大的噪音吓死，可见噪音对生理的危害有多大。医学还发现噪音过大除了会使人血压升高之外，还会影响人的消化系统，长期处于噪音环境的人与正常环境的人相比，唾液和胃液都分泌得都较少。

由此可见噪声的危害是多么的严重，它不仅影响正常的生活和工作，还会对身体造成不可逆的危害。为了减少噪声对人体健康的危害，就必须控制和治理噪声，尽可能减少噪声的感觉强度。

1.1.2排气噪音控制的意义

据公安部统计，截至去年三月底，中国的汽车保有量已达2亿辆，这对我国来说是一种爆炸性的增长。根据业内人士预测，明年我国将会超越美国，成为汽车保有量最大的国家。
随着我国经济社会的快速发展，机动车保有量一直处于高速增长的趋势，在过去五年年均增加近1300万辆。我国已有50个城市机动车保有量超过100万辆，其中一、二线省会城市如北京、上海、广州、成都和重庆等保有量已超过200万辆。高速增长的机动车数量不仅带动了经济社会的发展同时也带来了许多问题。研究表明城市环境噪音近七成来自

于交通噪音，汽车飞机和火车是这个问题的罪魁祸首。除了交通噪声之外，还有建筑噪声和工厂生产噪声等，这也是造成噪音污染的主要因素。噪音给我们的工作生活带来了十分严重的影响。早在上世纪九十年代，我国已通过《中华人民共和国环境噪声污染防治法》来对噪音产生进行一定程度上的限制，保障人们的正常生活，自1997年3月其施行，对环境噪音制定了严格的规定。

汽车整车噪音与发动机转速有着较大的关系，发动机转速越高，排气噪声越高，同时随着车速的提高，空气阻力引起的噪声也不断增大，整车噪声也越大。研究表明车速每提高50km/h噪声会提高近10个分贝。车辆噪音过大不但会造成整车共振严重，影响整车空气动力性能，造成车速下降，而且也会对乘车人员造成不适影响，影响乘车体验。由于废气具有高温高压等特点，排气噪音通常比进气噪音大，比发动机噪音大十到十五个分贝^[21]。想要降低车辆的噪声，重点是要减小汽车的排气噪音，加装排气消声器是一个最简单和有效的方法之一。

1.2国内外研究的发展和现状

国外学者Jianhui Ma和Peng Guo建立了消声器的三维模型，并通过仿真分析得出了消声器内部声场分布与插入损失随频率变化的关系，预测了消声器的性能以及对发动机功率损失的影响^[15]。2011年Zhu ming-yi和Liu qing建立了内燃机与消声器联合的仿真模型，得到了插入损失与压降大小，提出了优化消声器的措施，取得了比较满意的效果^[16]。Xin-tan MA等人基于有限元法，计算了消声器的传递损失，通过对复合消声器的计算分析，结果表明，膨胀比影响了传动损失的幅值，膨胀室长度对衰减频率带宽有影响^[17]。2013年Hanida Abdullah等人应用了传递矩阵法对排气消声器的传递损失进行了数值分析，开发了计算机程序计算消声器的传递损失^[18]。2018年 Prakash Chandra Mishra等人研究了消声器穿孔在降低表面温度方面的可行性，他们开发了一个计算流体动力学模型，研究穿孔对排气管性能的影响^[20]。

国内学者也对消声器设计及优化做出了许多研究，并得出了较多的研究结果。2014年张昆等人通过在GT-Power中建立压力损失与传递损失仿真模块，发现扩张腔比例与消声器性能优化有着较大的关系，且都符合相应的排气背压值^[3]。张晋源通过建立发动机的计算模型，发现消声器的主要消声区间应该在100-1000Hz，并对100-200Hz内的低频噪声进行主要消除^[4]。2017年黄龙等人利用三维软件对某型号的催化消声器进行建模，在有流速和无流速情况下采取双负载法计算其传递损失，并于ACTRAN流场分析软件的仿真结构进行对比分析^[5]。2011年张袁元等人通过减少穿孔结构、减小穿孔直径、增加共振腔和设

计理想扩张腔等措施，使某款柴油机消声器的高频降噪能力有所提高，插入损失提高了10dB以上^[9]。2008年李洪亮等人利用传递矩阵法，对消声器进行数值模拟，利用三维流体软件Fluent对消声器流场进行分析，发现背压主要集中在主消声器上，主消声器的消声管进口端是整个消声器中能力耗散最集中的地方，也是涡轮最严重的部位^[10]。2008年来自武汉理工大学的侯献军研究团队对消声器壁面吸声材料进行了研究，发现在消声器壳体内壁粘贴吸声材料，能有效提高消声器的插入损失，在中高频段增加得更快 ^[13]。

1.3本文的主要内容

排气消声器是降低整车噪音的最有用的装置之一。本文以消声器的声学性能为指标，对消声器的降噪性能和进行仿真对比分析，主要内容包括：

（1）查找相关资料与书籍，确定消声器的基本结构参数如容积、管数和腔数等。

（2）利用GT-Muffler建立消声器初步的三维模型，在GT-ISE中建立消声器传递损失的计算模型，将Muffler模块中的消声器网格化，导入GT-ISE中进行计算分析，得出消声器在3000Hz内的传递损失曲线，然后分析计算结果。

（3）在保证主要外形尺寸和加工工艺成本的情况下，根据消声器的设计理论对消声器内部结构进行优化设计，最终设计出一款性能优良的排气消声器。

本文的主要方案为采用GT-Power中的gem-3D模块设计不同内部结构的主消声器，针对穿孔、吸声材料等各因素对消声器的性能进行模拟计算。具体措施是设计一个两通穿孔管阻抗复合式消声器，然后改变内部结构参数并进行计算，然后分析各方案的传递损失，比较优劣，从而确定最佳方案，这种基于对照分析方法的分析对消声器的设计开发具有一定的意义。

第2章 排气消声器设计的基本理论

2.1排气系统噪声的性质

汽车的排气系统定义为收集并排放高温高压废气的系统，主要由排气支管、排气净化装置（如三元催化器）、排气管和消声器四个部分组成。其基本功能是尽可能快的将气缸内的高温高压废气排出到环境中。排气系统噪声一般由气体动力噪声和结构辐射噪声构成^[1]。

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