摘 要

近些年来，我国机动车产业蓬勃发展，机动车的生产量和保有量也逐年上涨，在给我们生活带来便捷的同时其噪音问题也日益凸显。噪声不仅影响人们的驾驶体验，长期处于噪声环境下对人们的身体健康和心理健康也有较大的危害。发动机排气噪声是机动车的主要噪声源，降低发动机排气噪音最简单、有效的方法就是安装排气消声器。因此，开发结构可靠、消声性能良好、价格低廉的排气消声系统成为企业的重要任务之一。

首先，本文介绍了课题的背景和意义，国内外学者对排气消声器研究的现状。总体阐述了本文的内容安排和技术路线。然后简单介绍了消声器的理论基础、设计要求以及性能评价指标。

其次，在深入研究消声器基本结构和消声原理后，建立了单缸汽油机的排气消声器三维模型并对其离散化处理，将离散后的消声器模型与发动机模型耦合后进行耦合模型的标定，仿真结果与标定值吻合程度良好，模型可用。

最后，对比分析影响消声器消声性能三个参数的影响规律，发现增大扩张比、设置共振腔和合理安排腔室容积均可以在一定程度上提高消声器的消声性能。在此基础上针对原消声器的缺点提出改进方案，对比仿真结果，改进方案的整体噪声和各阶次噪声均有比较明显的下降，且在低频处的传递损失也有所增加，同时功率在中速范围也有一定的提高。改进方案满足了设计要求，具有可行性。

关键词：排气消声器；单缸汽油机；GT-Power；噪声；传递损失

Abstract

In recent years, China's motor vehicle industry has grown rapidly, the production and retention of motor vehicles has also increased year by year. This has brought convenience to our lives but the noise problems have become increasingly prominent. Noise affects not only our driving experience, but also harmful to people's physical and mental health under long-term noise conditions. Engine exhaust noise is the main source of noise for motor vehicles. The simplest and most effective method to reduce engine exhaust noise is to install an exhaust muffler. Therefore, the development of an exhaust muffler system with reliable structure, good noise attenuation performance, and low price has become one of the important tasks of the company.

First of all, this paper introduces the background and significance of the topic. The current situation of exhaust muffler research by domestic and foreign scholars.Then expounds the content arrangement and technical route of this article, briefly introduces the theoretical basis, design requirements and performance evaluation indicators of the muffler.

Secondly, after deeply studying the basic structure of the muffler and the principle of noise elimination, a three-dimensional model of the exhaust muffler of a single-cylinder gasoline engine was established and discretized. The coupled model was calibrated after the discrete muffler model was coupled with the engine model, and the results of simulation agree well with the calibration values so that the model is available.

Finally, the influence of the three parameters that affect the muffler's anechoic performance is compared and analyzed. It is found that increasing the expansion ratio, setting the resonant cavity and arranging the chamber volume can all improve the muffler performance. On this basis, the improvement plan for the original muffler is proposed. Comparing with the simulation results, the overall noise and the order noise of the improved muffler are obviously decreased, and the transmission loss at the low frequency is also increased. The power has also been improved at the medium speed. The improved muffler meets the design requirements and is feasible.

Keywords: exhaust muffler; single-cylinder gasoline engine; GT-Power; noise; transmission loss

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外消声器研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 内容安排与技术路线 2

第2章 消声器基本结构及声学理论 4

2.1 消声器基本结构 4

2.1.1 阻性消声器 4

2.1.2 抗性消声器 4

2.1.3消声器的性能要求 5

2.2 声学理论介绍 5

2.2.1 声压及声压级 5

2.2.2 传递损失 6

2.2.3 插入损失 7

2.3 本章小结 7

第3章 耦合仿真模型的建立及标定 8

3.1 耦合仿真模型的建立 8

3.1.1 GT软件介绍 8

3.1.2 发动机模型建立 8

3.1.3 消声器模型建立 9

3.1.4 发动机和消声器耦合仿真模型的建立 10

3.2 耦合仿真模型的标定 11

3.3 本章小结 11

第4章 典型消声器参数影响规律研究 12

4.1 扩张比对消声性能的影响 12

4.2 共振腔对消声性能的影响 12

4.3 腔室容积及隔板对消声性能的影响 12

4.4 本章小结 12

第5章 单缸汽油机消声器性能仿真及优化 13

5.1 原消声器性能仿真 13

5.2 结构优化 13

5.2.1 优化方案 13

5.2.2 优化结果 14

5.3 本章小结 17

第6章 总结与展望 18

6.1 研究总结 18

6.2 研究展望 18

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

近年来，随着中国经济的高速发展，城市交通成为人们生活中的重要组成部分，机动车保有量一直保持快速增长的态势。截止至2017年底，我国的机动车保有量已经高达3.10亿辆。于此同时机动车给我们周围环境带来的噪声压力也日益增加，噪声对人们的生活工作也有着广泛的影响。随着生活水平的提高，人们对生活环境舒适度的要求日益增加，因此国内外对噪声的防治力度也不断加大。1979年我国首次发布了《机动车辆允许噪声》（GB1495-79）规定了各类型机动车加速行驶噪声限定值，匀速行驶车和加速行驶外噪声以及车内噪声的测量方法。该标准比同时期发达国家的噪声限值标准落后许多。最新标准为2002年发布的《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》（GB1495-2002），基本与其他国家水平同步。

在持续高强度的噪声下，会使人耳感觉疼痛甚至发生器质性损伤，同时身体的多个系统也都会受到影响。比如噪声作用于神经中枢，产生头晕、恶心、失眠、记忆力减退等神经衰弱症状；出现心跳加快、血压增高等心血管系统疾病；也可能影响消化系统出现食欲减退、消化不良等胃功能紊乱现象。噪声不仅对人体健康有着极高的危害，而且对心里健康也有较大影响。在噪声的干扰下会使人疲劳、心情烦躁、焦虑、易怒。在工作过程中注意力不集中、反应迟钝，会降低工作积极性和工作效率，容易发生工作失误甚至事故。

据研究统计，城市日常噪声有85.5%是来自于机动车的交通噪声^[1]。机动车的主要噪声来自于发动机、传动系统、制动系统、轮胎和车体的工作噪声。其中发动机的排气噪声占有很大的比重约为30%。消声器作为降低排气噪声的主要装置，其消声效果非常明显。随着相关噪音标准的推进，对发动机的排气消声器消声性能的要求也越来越高。

1.2 国内外消声器研究现状

1.2.1 国内研究现状

在国内，许多高校学者和汽车行业从业者在消声器的研究方面做出了很多贡献，肖生浩等^[2]通过排气系统的结构设计对阶次噪声频谱特性进行调教，来实现加速排气噪声运动感品质的提升。马心担等^[3]运用传递矩阵方法和Sysnoise软件对消声器模型进行仿真分析，从而确定简单扩张腔式消声器在不同结构参数下的扩张比和扩张腔长度对传递损失的影响，在一定范围内传递损失随扩张比的增大而增大，同时插入管插入长度的合理设计可以提高消声器在人耳敏感频率的消声性能。刘诗嘉等^[4]在消声器的正向开发中，首先设计消声器的声学目标、流场目标以及结构等方面的目标，接着对消声器容积、管道的内径以及扩张比进行讨论与确认，从而对消声器的结构进行设计。王林凤等^[5]运用Fluent进行消声器空气动力学性能仿真分析，发现消声器隔板穿孔孔径的大小对消声器的压力损失的影响规律。黄进^[6]利用GT-Power对某款轿车消声器进行传递损失计算分析，发现前后消声器的主要作用频率，分析未达标频率段与消声器的传递损失，并对前后消声器进行结构上的改进。才明嵩等^[7]按照试验设计(DoE)流程，对发动机消声器进行结构研究，根据试验方案设计建立数学模型，进行拟合度验证，然后优化得到最优设计方案。侯献军等^[8]根据一维平面波理论及半经验和经验公式初步对消声器进行结构设计，通过GT-Power仿真分析比较各模型的插入损失和压力损失，再对性能最佳的消声器模型进行进一步的优化设计。张利等^[9]基于GT-Power软件的声学模块对某轿车排气消声器进行设计与优化，在满足排气压力损失的情况下，消除车内共鸣音，降低尾管怠速噪声，同时满足NVH噪声性能指标。颜伏武^[10]张晋源^[11]林森泉^[12]麻金贺^[13]均采用GT-Power软件模拟分析消声器的插入损失和压力损失，依据消声器传递损失曲线与插入损失曲线，提出消声器结构优化方案，对消声器的设计与优化起到指导作用。

1.2.2 国外研究现状

国外的很多学者也在发动机消声器的优化设计研究方面起着关键性作用，Shital Shah 等^[14]介绍了对消声器进行设计、开发和测试的实用方法，相比于传统方法可以缩短产品开发周期和检验时间，还重点介绍如何利用现代CAE工具优化整个系统设计以平衡噪音和背压两方面要求。Sanjoy Biswas 等^[15]设计了一种新型组合式消声器，通过测量噪音水平和排气系统的背压，与现有性能较好的消声器进行比较，再通过实验评估这种新消声器的性能，验证研究主要设计参数对消声器的影响。Sifa Zheng等^[16]为了设计具有高衰减性能的消声器，开发了一种混合一维/三维的方法进行消声器与发动机匹配的声学模拟来计算消声器的插入损失。

分析国内外学者对排气消声器的研究现状可知，国外在对消声器的优化设计方面研究起步较早，提出了一些开创性的理论和方法，国内学者也在消声器的研究方面做出了很多贡献，发表了许多优秀的论文。同时GT-power软件是消声器的设计过程中对其各种性能进行仿真分析的一个重要工具。

1.3 内容安排与技术路线

本文基于GT-Power软件建立某款单缸汽油机和排气消声器的耦合仿真模型，通过仿真分析其消声性能，改进优化消声器内部结构。本文的研究内容由以下几方面组成：

1. 熟练掌握发动机原理和工作性能仿真过程，建立合适的单缸汽油机模型和排气消声器模型，并耦合发动机和排气消声器模型，分析消声器本身消声性能。
2. 深入了解消声器的结构类型、基本消声原理和结构优化措施，探究消声器主要参数如扩张比、共振腔、 腔室容积及隔板等对消声性能的影响规律，然后在这些规律的基础上改进此消声器的结构，设计优化方案。
3. 通过GT-power软件对耦合模型进行仿真分析对比传递损失和噪声曲线确定最终优化方案，可以对单缸汽油机排气消声器的设计起到参考作用。

本文的技术路线如下图所示：

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