車輛研究測試中心 環保能源部 振動噪音課 潘國良

排氣管是汽車引擎的一個重要元件，它影響引擎性能協調、廢氣排放濃度以及噪音大小，幾乎所有環保法規都把排氣管視為一個重點管制項目，而一般駕駛人談到排氣管通常會先想到聲音聽起來如何，所以聲學是排氣管設計很重要的一環，隨著電腦運算速度與數值模擬工具的進步，排氣管的聲學模擬技術已日漸被採用於新車型開發與NVH問題改善，甚至排氣管製造商在爭取OEM開發合作時必須展現相關的分析能量，以佐證有能力達成新產品設計開發的性能指標。

排氣管聲學特性的分析，一般包含傳輸損失(TL, transmission Loss)以及殼體輻射音(Radiation Noise)二項，其中傳輸損失是指聲音進入排氣管後一直到排出大氣的過程，在排氣管內部所消耗的能量，基本上是以無流速的條件分析內部管路、腔室、吸音材等元件的降噪效果(如圖1)；而殼體輻射噪音則是因排氣管本體表面振動而產生聲波向外傳遞的現象，它包含由排氣管內部氣流脈衝所產生的壓力變化，以及由引擎傳導的強制振動等，造成排氣管結構振動所產生的聲音。

圖1.傳輸損失定義與量測方式

要準確模擬實際車輛行駛時排氣管的噪音特性，必須同時考量傳輸損失與殼體輻射特性，車輛中心NVH團隊係採用二階段分析手法，第一階段分別對傳輸損失與排氣管結構模態進行數值模型的驗證，確認模型準確後將結構模態資訊以資料轉移方式將各節點數值映射至聲學模型，以建置聲振耦合有限元素模型；第二階段指定實車操作狀態下的排氣管入口端壓力、振動等負載條件，並透過聲振耦合分析技術來計算排氣管殼體輻射音與尾流噪音(圖2)。

圖2. 排氣管殼體輻射音模擬分析流程

以傳輸損失及排氣管結構模態實測數據來驗證聲振耦合模型的方式，對於已有實體排氣管的分析可更加確保聲振耦合模擬結果的可靠度，並將其應用於排氣管殼體結構的優化設計，藉由調整殼體表面幾何、厚度、腔室容積與板材尺寸等參數來改變排氣管本體的自然頻率，以達到表面輻射音頻率與聲功率位準優化目的。然而，在還沒有實體排氣管的階段要進行排氣管聲振耦合分析，較大的挑戰在於傳輸損失的模擬，由於排氣管內部經常有吸音棉、穿孔板、觸媒等不同元件，並非單純平直光滑的幾何管道或材質，因此必須針對將上述元件以實測方式建立其表面聲學阻抗與特徵阻抗等資料庫，方能代入模型求得比較高的可信度。

圖3之案例顯示實車操作狀態的排氣壓力，引發排氣管消音器外殼局部發生較大的振動響應，該殼體振動所產生的輻射噪音問題，可再透過排氣管結構模型修改，重新模擬聲振耦合輻射聲場等方式進行優化與改善；此殼體輻射音優化的技術除了用來改善噪音，在車輛節能備受重視的今日，亦可應用於排氣管的輕量化設計，如何將內部元件簡單化、本體結構輕薄化，又能維持良好的聲音品質，便是此分析技術的價值所在。

 

圖3. 產生排氣管殼體輻射噪音之模態振型與改善模擬

更多相關技術介紹，歡迎您參考車輛中心-論文區-「汽車後段消音器殼體輻射噪音模擬驗證」專文的詳盡說明。