1.1目的及意义

随着汽车行业的飞速发展，根据2013年的统计数据，我国的机动车总有量已经超过了2.5亿辆，而且汽车的销量还处于增长阶段。由于人们生活水平的提高，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；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。所以，在汽车为我们带来便利的同时，其噪声污染也带来了极大的困扰。在汽车噪声的分类中，排气噪声占有最重要的位置，其占汽车总体噪声能量比重高达30%，是汽车及发动机最主要的噪声源。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。

消声器的研究涉及到很多门学科，包括有传热学、振动学、流体学、声学以及发动机结构和性能等。大约在20世纪20年代，消声器的理论研究就已经开始了。

1.2国内外研究现状

国内研究现状：国内由于对汽车噪声的研究比较晚，缺乏相对应的理论基础研究和国外技术支持，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，胡立臣用传递矩阵法模拟计算消声器的擂人损失,用以评价包括源阻抗及尾管辐射阻抗在内的整个排气系统的声学特性。推导出六种消声单元的传递矩阵,并应用于插人损失计算之中。建立了消声量的数学模型,用以分析消声器本身特性与声波衰减之间的关系,并以消声量为目标函数,对消声器进行了优化设计^[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28dB(A),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,可求得出口端的响应,从而获得该排气消声器系统的传递函数和传声损失^[3]。2007年，刘胜等人通过建立排气消声器与发动机的耦合仿真模型,对排气消声器的传声损失进行了计算,分析发动机的排气噪声，进而改进出更加优良的消声器^[4]。李忠华等人基于管道声学理论, 结合工程热力学和流体力学知识来研究消声器的排气噪声,通过推导消声器出口处的声压,得出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频谱及消声器插入损失进行了测试，根据测试结果改进排气消声器结构，并进行计算机仿真分析和试验，得到一款结构简单，消声效果良好，压力损失小的消声器^[6]。2013年，杨溶等人通过试验获得原消声器的插入损失数据，分析了消声器消声后的声音频谱特征，识别出未被消声器抑制的噪声源频段。利用建模软件和网格划分软件，分别建立了该消声器的三维模型和有限元模型，通过声学分析软件对消声器的声结构进行了声场分析，获得了该消声器的消声频谱特征。基于试验和数据分析结果，根据抗性消声理论改进了该消声器的结构参数及布置形式，设计出一种新型抗性消声器^[7]。2016年，沈小荣等人研究了增压三缸发动机排气系统的声学特性，利用 GT-Power对发动机外特性下的排气噪声进行模拟仿真，设计了 U 型尾管 谐振腔的排气消声器，解决其低速 booming 问题，并满足排气声学目标曲线^[8]。刘诗嘉等人提出消声器的开发思路：首先采用从分析设计目标到确定总体方案，再到具体设计的路线，结合 Virtual. Lab Acoustics、GT-Power 和 Fluent 等数值分析软件与发动机台架试验。然后以主消声器的设计为主，副消声器的设计为辅；以声学性能为主，流场及其他性能为辅。再通过对消声频率的分析，逐级设计消声结构并进行组合、验证和改进，并在与企业提供的消声器方案进行对比后初步判断设计方案的可行性^[9]。2017年，张晋源将消声器的设计与 GT-Power 仿真软件相结合，对两种已有的消声器设计方案从插入损失、压力损失两个方面进行比较。通过正交试验法对消声器结构参数进行优化，获得了最优参数组合^[10]。莫伟树等人通过一维模拟、发动机台架、整车测试，分析原方案尾管噪声，并验证一维 GT 模型，进行优化方案设计。分析结果与试验测试数据表明优化排气消声器对车内噪音贡献量、总声压级及各阶次噪声明显改善^[11]。

国外研究现状：国外研究排气消声器主要有5种理论和方法：1平面波理论；2声学有限元法；3声学边界元法；4 CFD法；5有源消声法^[17]。

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，使用传输矩阵方法，通过三维有限元分析，进行H型连接叉式消声器的参数研究，构建出在设计排气系统时有效使用H型连接的设计指南^[14]。Ahmed Elsayed等人研究挡板配置对排气消声器性能的影响，使用了热挡板方法模型。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]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究（设计）的基本内容

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。