基于GT_Power软件的内燃机消声器设计与分析方法
!概述
在机动车噪声中，排气噪声是主要的噪声源。在日益严格的排放控制法规驱动下，消声器的性能越来越引起人们的关注。长期以来，我国对汽车排气消声器的设计仍然是在采用一种简单的理论估算后进
基于%&’()*+,软件的内燃机消声器
设计与分析方法
钟绍华金国栋谢田峰
（华中科技大学）
【摘要】介绍了一种新的发动机性能仿真软件%&’()*+,，它是以一维的-./计算为基础，采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软件。应用该软件对发动机及消声器进行模拟和仿真，不仅能预测消声器的特性，而且还能对消声器和发动机进行有效地匹配。通过实例模型的模拟结果对比，可见该软件具有良好的预测性能。
主题词：计算机软件消声器仿真
中图分类号：$012!"3文献标识码：4文章编号：3"""’#$"#（!""#）"$’"""$’"1
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正压力!!可稍取大些，以保证离合器接合的可靠性。有了"和!!后，可根据!!来设计离合器的压紧分离机构。
C结论
:2由于模糊优化设计考虑了影响离合器接合的各种模糊因素，因此使设计结果更接近于客观实际；而传统的设计方法往往是凭直观判断或根据经验来确定摩擦因数"和单位压力#"，使设计结果偏于保守，很难做得与实际相符。
O2用上述设计方法确定的"和!!，具有科学的理论依据，因此该设计方法可广泛应用于其它类型的零部件设计中。
I2隶属函数是描述模糊性的关键。在机械设计中，当缺乏足够的概率统计数据和推理方法时，可建立一个近似的隶属函数，随着以后不断的实践再加以修正和完善。有关这方面的工作有待今后进一步研究。
参考文献
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（责任编辑郝旭辉）原稿收到日期!""!年S月S日。
行经验设计的方法［!］。这一方面使设计工作复杂"设
计精度低"更重要的是不能做到对消声器结构和性能进行很好的优化"尤其是不能与发动机进行有效的匹配。随着计算机软件技术的迅猛发展及其在工程中的广泛应用，发动机性能仿真技术也得到了快速发展并日渐成熟，#$%&’()*软件就是其中较优秀的软件之一。#$%&’()*软件是美国的#$+（#,-.-,$/012343#+/5+206）
公司用现代计算机技术和数值计算方法最新开发出的发动机性能模拟与仿真软件，被称为“虚拟发动机”。它丰富的解析机能，准确的物理模型和简单而方便的建模方法，适用于对各种发动机进行性能仿真，也为发动机及零部件的设计者提供了一种很好的0,/分析工具。特别是该软件为消声器的设计提供了一些很有特点的模块，包括为方便消声器建模而设计的图形化前处理程序和各种噪声与声学分析模块。实践证明该软件能极大地提高设计精度，缩短开发周期，提高设计功效。
!建立发动机模型
#$%&’()*软件是以一维的078计算为基础，
采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软件。它把发动机的各系统分为不同的功能模块进行面向对象的编程，然后将这些通用的功能模块以模板的形式存储起来形成模板库。该软件的模板库非常丰富"包括了流体元件、机械部件、分析工具和模拟过程控制等能对发动机所有运行工况进行模拟所需要的元件和分析工具。流体元件库包括进排气歧管、空气滤清器、喉管、进排气阀、气缸以及燃烧和换热等的模型，机械部件库包括曲轴、凸轮以及传动系和整车等的模型，分析工具库和模拟过程控制库则包括了信号发生器、传感器以及微积分、77$、压力损失、传递损失和插入损失等的分析模型。该软件系统提供一个与其它#$%59+$/系列产品（#$%79/4，#$%
0334，#$%8:+;/等）共用的前处理建模环境#$%+5/，建立发动机模型时只需将相应的模板拷贝到
#$%59+$/中形成对象，
并给对象的属性赋值，再将这些对象连接起来进行有机的集成，形成一个与实际发动机输入与输出相关的发动机仿真程序。图<是在进行消声器设计时为如图!所示的某=缸发动机建立的#$%&’()*软件模型。
#$%&’()*软件的基本思想是将发动机各系统
进行模块化"将整体问题分散处理"有针对性地对具
体问题进行集中建模，这样既能考虑模型的多样性，又能提高模型的精度。在对流体的处理上采用容积法将进排气管和气缸等串联起来的容积离散成小的单元"单元之间由边界相连"这样不仅能考虑流体的非稳态性"而且计算收敛快"精度高。其燃烧模型包括直喷柴油机的多区模型、基于涡流火焰传播的火花点火发动机模型、直喷式汽油机燃烧模型、基于韦伯函数放热率的汽油机模型和柴油机模型等多种型式。除了对热流体进行计算外，它还能充分地考虑曲轴、连杆、飞轮乃至于整车等机械部件对发动机性能的影响。最后集成的模型成为一个有机的整体，因而它可以对发动机的非稳定工况进行动态模拟。
图!
发动机进排气系统结构
图<
发动机的#$%&’()*软件模型
软件的前后处理方法简单明了。对于建立发动机模型的前处理，它采用了可视化的模板，形象生动，数据的输入是有知识与学习功能的，而且还提供实时的帮助。可以在任一节点处进行输出设置，简单而方便。其后处理专门设计了一个#$%&35$软件，能对输出的数据和图表进行各种分析处理。
"消声器模型的前处理
#$%&’()*软件专门为消声器设计了一个图形
化的前处理程序，此程序包含在#$%59+$/的用户
界面内。该前处理程序包括了消声器的各种零部件数学模型，如壳体、直管、弯管、重叠管、多孔管、吸声材料及隔板等，用户可以在图形界面下很方便地建立消声器复杂几何形状的三维网格（图>），也可用
其它的%&’图形通过格式转换来建立其几何形状，然后系统将此三维网格转化为其内部格式的数据文件，并在()*+,-中导入即可自动生成()*./012软
件的模型［!］。这种图形化的建模方法直观而方便，大
大减少了消声器建模的工作量，而且所建立的模型优化而准确，这特别为建立复杂形状的消声器模型提供了极大的方便。
图#消声器形状的三维网格图
!消声器声学性能分析
消声器作为内燃机的主要总成3与其它总成相
比3其特点是它的性能主要体现在声学特性上。汽车上大多使用抗性或阻抗复合型消声器3其消声原理是利用各种消声结构（膨胀腔、穿孔管等）消耗掉噪声的声能量3从而达到降低噪声的目的。一般采用消声量和功率损失作为评价汽车消声器性能的指标。消声量通常使用插入损失和传递损失来衡量。插入损失!"定义为安装消声器前后在发动机排气口某固定测点处测得的计数声级之差，它直接反映了消声器对发动机噪声的消声效果。传递损失#"定义为消声器入口和出口处的声功率级之差3它反应了消声器入口的入射声能与出口的透射声能之差。功率损失是消声器在排气管路中对气流有阻碍作用而造成的3它也使发动机功率下降，一般把它作为消声器对内燃机性能影响的指标。()*./012软件提供了计算这些性能指标的功能模块和方法。这些功能模块主要有以下几种：
&4/567-879:4/;
克风3它能根据声源特性将气流的压力波模拟成声波3此声波还可以通过&4/567)/>&?@:A1模块转换成声波文件由媒体播放器播放出真实的声音3这为
声学分析产生了形象而直观的效果3这也是该软件的特色之一。
&4/567+=6B/66是插入损失的计算模块3其原理
是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与声源特性有关3因此计算时必须要将消声器与发动机相连。
&4/567)2C=6B/66是传递损失的计算模块3它是
采用%<5=D 和EAC612的理论和方法［#］
在F 个外置麦
克风之间通过自相关谱和互相关谱得到声功率级之差。
功率损失可以由消声器的压力损失来表示［G ］
3消
声器压力损失大3则排气背压大3排气过程推出功就大3功率损失也就大。压力损失计算方便3只要计算消声器入口和出口处的气流压力差3在模型上对消声器前后压力进行打印设置就行。
图F 是采用&4/567-879:4/;
)2C=6B/66模块分析插入损失的模型I
图F 计算消声器插入损失的模型
在对消声器结构进行优化和对不同结构的消声器进行对比分析等方面可以模拟由,1JK127和L/66所提出的试验测试方法3即双话筒随机噪声法。此方法不需要发动机而是采用能产生随机白噪声的扬声器作为声源3()*./012软件提供了一个这样的声源模块-=M@A/0,;1CN12。由于不对发动机工况进行运算3因而计算速度快3同时还可以对声源的激发频率进行设置3以验证消声结构对不同声波频率段的通过性。该方法的模型如图G 所示。
图G 计算消声器传递损失的双话筒随机噪声法模型
"设计与分析过程及仿真实例
我们以()*./012软件作为分析工具为某发动
机设计了一种消声器3并对消声器进行了结构优化并与发动机进行了匹配。其做法是先用传统的声学四端网络理论对消声器的结构型式及主要参数进行初选3形成几种初步的设计方案3然后用()*./012软件的分析模型对重点的设计方案进行对比分析3从中优选出最合理的方案型式3再对优选的方案进
行局部的参数调整3以达到整体优化的目的。
发动机
消声器
插入损失
麦克风
声波文件
#
O
消声器分总成
终端文件
传递损失
O
$
扬声器
从发动机的参数出发我们为该发动机初步确定了一个!腔!消声管的设计方案，通过多种方案的分析对比，认为图"所示的#、$两种方案是比较可行的。对这两种方案采用随机噪声法进行对比分析得到两种方案的传递损失，如图%所示。图%显示方案$在低频段有较大消声量，
而该发动机排气噪声&’(倍频程的频谱显示其噪声在低频段出现峰值，因此方案$应该确定为优选方案。从实际情况看，
由于方案$第二膨胀腔的效果增大，而膨胀腔的特点是对低频较敏感，可见这与实际分析也是相吻合的。最后对方案$的结构尺寸、管径、穿孔管孔数、孔径以及孔板流通面积等参数进行调整，并将其模型与发动机连接进行模拟运算，从模拟运算所得到的插入损失（图)）和压力损失图可直接得出最终的优化结果。图)中，$&、$*、$(代表消声器不同参数时的插入损失曲线。
图"消声器的两种结构方案
图%两种消声器的传递损失对比
图)修改消声器参数后的插入损失对比
!结论
+,
-./01234软件为包括消声器在内的发动
机各总成设计方面提供了一个很好的分析工具，特别是在消声器的结构优化和消声器与发动机的匹配等方面提供了一个好的方法和途径，对满足日益严格的汽车噪声控制标准具有重要意义。
5,
-./01234软件为消声器的建模而专门设
计的图形化处理程序新颖、直观，使用更便捷，模型
更准确。
6,消声器的声学性能分析模块具有良好的预
测性能7可以替代台架试验对消声器的性能进行预测7这必将减少消声器试验的重复性及复杂性，对设计的智能化及低耗高效有着重要的实用价值。
参
考
文
献
&福田基一等,骚音对策与消声设计,日本：共立出版株式会社7&8%(,
*黎志勤等,汽车排气系统噪声与消声器设计,北京：中国环境科学出版社7&88&,
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（责任编辑
李
想）
修改稿收到日期为*OO(年&月*O 日。