排气系统结构噪声的分析与优化控制

排气系统结构噪声的分析与优化控制　９３　文章编号：１００６—１３５５（２０１１）０５—００９３・０６　排气系统结构噪声的分析与优化控制　

张　硕　，　杨　亮Ｌ　ｆ　１．长安汽车工程研究总院，重庆４０１１２０；　２．汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆４０１１２０）　

摘要：阐述排气系统引起的车内ＮＶＨ问题。通过运用排气系统振动噪声分离手段，得出某样车３９００　ｒ／ｍｉｎ轰鸣　噪声是排气系统结构噪声引起的。分别应用试验模态分析和有限元模态分析技术对排气系统模态参数进行识别，发　现该轰鸣声是由于排气系统热端和冷端模态耦合引起。同时应用有限元模态分析技术对该问题进行优化分析，得出　在排气歧管和发动机缸体之间增加加强支架和更改排气系统冷端球绞位置的方案。最后通过试验验证，该方案能够　很好的解决车内轰鸣噪声问题。　关键词：声学；排气系统；结构噪声；实验模态分析；有限元法　中国分类号：Ｕ４９１．９＋１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—１３５５—２０１１．０５．２２　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｎｏｉｓｅ　ＺＨＡＮＧ　口Ｄ　，２　ＹＡＮＧ　Ｌｉａｎａ　，　（１．Ｃｈａｎｇａｎ　Ａｕｔｏ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０　１　１　２０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ＮＶＨ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０　１　１　２０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｉｏｒ　ＮＶＨ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂｏｏｍｉｎｇ　ｎｏｉｓｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ａ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｔ　３９００　ｒ／ｍｉｎ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｏｏｍｉｎｇ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｅｎｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ａ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｒａｃｋｅｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｍａｎｉｆｏｌｄ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅ　ｂｏｄｙ　ｉｓ　ａｄｄｅｄ　ａｎｄ　ｂａｌｌ　ｊｏｉｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｅｎｄ　ｉｓ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂｏｏｍｉｎｇ　ｎｏｉｓｅ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃｓ；ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｎｏｉｓｅ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ＦＥＭ　

随着汽车工业的发展，人们对现代汽车的要求　越来越高。一款车ＮＶＨ性能的优劣，直接影响其在　市场上的地位和表现。排气系统是整车ＮＶＨ分析　的重要部分，其一端与发动机相连，另一端则通过挂　钩与车体相连。发动机的振动传递给排气系统，然　后通过挂钩传给车身，最后通过座椅、方向盘和地板　直接传给乘客，同时车身的振动也会辐射出去，在车　内产生噪声。因此，排气系统的振动特性的好坏对　汽车整体的ＮＶＨ性能影响很大。　国内外学者应用模态分析对排气系统动力学问　题进行了大量的研究。Ｋｅｎｄｒａ『ｌ　等利用有限元法对　收稿日期：２０１　１－０６—１０；修改日期：２０１　Ｉ－０８．２０　作者简介：张硕（１９８５一），男，河北人，本科，工程师，主要研　究方向：进排气振动噪声控制。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｒｏｎｇｓｈｕｏ＠１２６．ｃｏｒｎ　排气系统进行振动分析和优化，给出了对排气系统　吊挂的力学描述方法，给出吊挂和排气系统详细的　优化步骤。Ｈｅｉｎｅｒ　等介绍了排气系统试验模态分　析，给出了试验模态分析三种类型的边界条件：（１１　自由模态（２）悬置约束模态（３）悬置和边界约束模　态，三种边界条件的模态模型，同时对实验模态的坐　标系选择也进行讨论。Ｈｉｓ【３　等介绍运行试验模态　方法，并与传动试验方法进行比较。邢素芳　等对　排气系统进行模态分析，并对模态试验进行详细描　述。李松波　介绍了对排气系统振动控制的关键　点、目标，主要排气组件的设计准则，并提供一个实　际生产中的应用案例，对其他的排气系统振动控制　方法也给予了简单的介绍。刘名　等根据振型节点　优化排气系统吊挂位置，通过减少排气系统通过吊　挂传递到车身地板的力，改善整车ＮＶＨ性能。为深　入了解排气系统的振动特性，以便对整车ＮＶＨ性能　２０１１年ｌ０月　噪声与振动控制　第５期　进行分析及优化，有必要对排气系统结构噪声产生　的原因、识别方法及控制措施进行研究分析。　本文以某样车在发动机３　９００　ｒ／ｍｉｎ时的车内轰　鸣声（Ｂｏｏｍｉｎｇ　ｎｏｉｓｅ）为例，运用排气系统振动噪声　源试验分离方法，发现该轰鸣声是由排气系统的结　构噪声引起的。通过应用实验模态分析和有限元模　态分析技术，对排气系统冷端和热端模态参数进行　识别，得出该车排气系统引起的结构噪声的原因，通　过在排气歧管与发动机缸体之间增加加强支架和更　改排气系统冷端球绞的位置，消除了该轰鸣声。　

２排气系统振动噪声特性分析　排气系统的一端通过排气多支管与发动机相　连，而另一端是通过挂钩与车体相连。排气系统可　以按照温度高低分成热端与冷端。一般情况下，柔　性连接管是热端和冷端的分界点。排气系统结果如　图１所示。　

排气　歧管　

尾管　图１排气系统冷端和热端组成　２．１排气系统结构噪声产生机理及控制措施　

声器　

图２排气系统噪声分类　从对车内噪声影响的角度出发，排气系统的噪　声主要分为辐射噪声和结构噪声，如图２所示。结　构噪声主要为排气系统热端摆动发出的低频轰鸣声　和排气系统冷端的振动通过挂钩传递到车身而产生　的振动噪声。　若排气系统的柔性连接管非常软，那么热端一　

边就好像没有支撑，如同一个悬臂梁。当振动过大　时，易产生低频噪声。解决这种结构噪声的方法通　常有两种：采用动力减振器和增加支架　】，如图３、图　４所示。增加支架与增加动力吸振器相比，成本较　低。但是易受到支架安装空间的限制。对于排气系　统热端结构噪声问题，优先考虑增加支架。　

图３排气系统热端增加动力吸振器　４排气系统热端增加支架　排气系统冷端的结构噪声主要是排气自身的振　动通过挂钩传递到车身而引起的振动噪声。针对排　气系统冷端的结构噪声主要通过降低排气挂钩传递　到车体激励力来进行控制。主要对排气系统的整体　模态、挂钩局部模态、挂钩布置位置、吊耳刚度、挂钩　安装点刚度等进行分析，针对具体问题进行优化控　制。　

３排气系统的模态分析方法　模态分析是对结构动态特性的解析分析和实验　分析，其结构动态特性用模态参数来表示。对于排　气系统，结构如图５所示，一般因结构阻尼较小，对　固有频率和振型影响甚微，故通常忽略不计。　

图５排气系统示意图　于是，排气系统振动自由运动方程可表示为　Ｍ２１１　Ｍ２　２Ｊ［：￣２Ｊ＋臣　…　

式中【Ｍ　１］、［Ｍ：　］分别表示为排气系统热端的质量　矩阵、排气系统冷端的质量矩阵；【Ｍ　】、［Ｍ　】分别表　示排气系统冷端和热端耦合的质量矩阵；Ｘ　、尼分别　表示排气系统冷端和热端的位移向量；【Ｋ　，】、　：ｚ】　排气系统结构噪声的分析与优化控制　９５　分别表示排气系统冷端和热端的刚度矩阵；【Ｋ　］、　１］分别表示排气系统冷端和热端耦合的刚度矩　阵。　１）排气系统热端和冷端解完全解耦，排气系统　的动力学方程为　［Ｍ１　】｛奎　｝＋［Ｋ　】｛　）　（２）　［　］｛　ｚ｝＋［Ｊ＿（２ｚ］｛　ｚ｝　（３）　２）一般情况下排气系统的热端和冷端都有一定　的耦合，排气系统的动力学方程为式（１）。　３．１排气系统的实验模态分析　在实验模态分析中，测试出对结构所施加的激　励以及相对应的动响应，然后计算某一阶激励点到　另一拾振点的传递函数　，对应求得上述传递函数　中的任一行或任一列元素，则各阶模态参数（包括固　有频率、模态刚度、模态质量、模态阻尼比、主振形系　数）就可以通过辨识与拟合的方法加以确定。　实验模态分析包含自由和约束两种模态分析。　自由模态分析中将排气系统用弹性绳吊挂在支撑架　上，形成近似的“自由系统”，如图６所示。约束模态　按照排气系统的工作状态在实车上对其进行测试，　如图７所示，即考虑排气系统同发动机歧管的刚性　连接和排气系统同车体的弹性连接。对于问题诊断　一般采用约束模态分析。　图６排气系统自由模态试验　７排气系统约束模态试验　３．２排气系统模态的有限元分析　利用已有的三维ＣＡＤ模型和质量分布情况，应　用ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ和ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ软件对汽车排　气系统进行振动仿真，计算排气系统的各阶模态频　率，通过模态分析确定排气系统整体模态、消声器壳　体局部模态、挂钩局部模态。根据平均自由度位移　（ＡＤＤＯＦＤ）法，选择（ＡＤＤＯＦＤ）值较小的点作为吊　耳的悬挂点　。根据ＡＤＤＯＦＤ法绘制的曲线确定　排气系统吊耳悬挂点的位置，如图８所示。　

Ａ　Ｂ　。Ｅ　０ｏ　００　００　００　００　００　００　４ｌ　

图８排气系统悬挂点布置位置分析　基于所建的汽车排气系统振动的有限元模型，　结合车身模态分析，可进行车身与排气系统的振动　匹配研究与整车声学灵敏度分析，通过车身局部模　型调整或排气系统吊耳悬挂点重置，达到优化整车　振动噪声水平的目的。　

４排气系统结构噪声的诊断与分析　某车发动机转速在３　９００　ｒ／ｍｉｎ时车内有明显的　轰鸣声，测试结果如图９所示。分析测试数据发现　该轰鸣声主要是由于发动机的２阶噪声引起的，发　动机的２阶激励通常和动力总成悬置系统、传动系　统、进气系统、排气系统相关，经试验论证和数据分　析得出该轰鸣声是由排气系统的振动噪声引起的。　

图９车内噪声声压级曲线　４．１排气系统结构噪声的诊断过程　根据排气系统的振动噪声特性分析，建立排气　系统的振动噪声诊断方法及流程，如图１０所示。　（１）排气系统总体振动噪声源分离　采用直管代替原排气系统，将直管振动与车身　分离，尾管引用消音箱，从而使整个排气系统的振　动、消声器壳体的辐射噪声及排气尾管的辐射噪声