案例|天纳克Tenneco Inc排气系统主动降噪技术

概述

汽车排气系统对于车型在市场上取得成功起着越来越关键的作用。最重要的是，车辆所发出的声音对品牌形象影响越来越大。例如，汽车发烧友即使闭着眼睛也能分辨出驶来的是宾利还是法拉利。较低价格车辆的买主有可能不会过分讲究，但他们仍希望在启动引擎时能够听到某种独特的声音。与此同时，政府规定也在迫使汽车原始设备制造商（OEM）降低排气管所发出的噪声级。汽车制造商还希望降低排气系统的背压，从而改善燃料经济性。

传统的被动排气降噪技术依赖穿孔管以及声学腔室的设计来滤除声波，然而这种方法已经逐渐难以满足设计中一些往往相互冲突的目标。汽车OEM正着眼于采用主动降噪技术来解决排气系统噪声问题。排气噪声主动降噪系统采用由微处理器驱动的扬声器，使其发出的声波可抵消发动机所发出的一部分噪声，从而产生较为令人满意的声响。排气噪声主动降噪系统的关键优势在于可通过软件控制来调整扬声器的输出，从而在各种不同工作条件下发出适当的声波。

挑战

Tenneco 公司目前致力于为其 OEM 客户开发既能消除噪声又能生成完美声响的主动排气系统。在这一项目中，Tenneco 的工程师们所面临的众多挑战之一就是设计用来安装扬声器的外壳。外壳会影响扬声器的性能，特别是可能将扬声器最有效的工作频率范围抬高。Tenneco 的工程师们正在设计一种外壳，以便尽量减轻这种影响，从而使扬声器在低频区极为高效地工作，以抵消发动机所发出的低频声响，同时又不会消耗过多的电功率。

在过去，设计主动扬声器系统的工程师主要依靠实物试验来设计扬声器外壳等零部件。但这种方法需要组装各种待测排气系统配置的样机。这不仅耗费了大量的时间、金钱，而且由于对排气系统进行仪表检测存在困难，因此实物试验所采集到的信息也有限。Tenneco 的工程师们需要一种方法，以便能够利用排气系统（包括扬声器和外壳在内）的仿真模型对主动排气系统的性能进行准确模拟。

 

方案/验证

Tenneco 的工程师们之所以选择 Actran 声学仿真软件，是由于该软件具备对扬声器进行完整电声学建模的能力，可追踪电能转变为声能的过程和方式，从而基于电池所消耗的能量大小来评估扬声器所产生的声压级。借助 Actran，Tenneco 的工程师们可将扬声器作为一种振动部件进行完整建模，模型中考虑所有的结构部件，同时考虑扬声器振膜与其外部和内部空气的耦合。电磁建模是在人性化操作界面中进行。

Tenneco 的工程师们使用 Actran 分别创建了扬声器单体的有限元模型，以及将扬声器单体与完整排气系统集成在一起的模型。在以上两种情况下对扬声器进行激励，均得到了与实物试验数据非常吻合的仿真结果。随后，他们添加入口边界条件（表征由发动机激励引起的排气系统中的声音）并建立噪声消除环路。起初，他们在入口处采用简单的单频正弦波，并在整个排气系统中采用恒温空气。他们为扬声器提供电信号，以消除发动机噪声并检查声响减弱的程度。最后，Tenneco 的工程师们加入了更为复杂的边界条件，其中包括真实声学输入和温度梯度，以贴近实际工作条件。

结果

Tenneco 公司资深核心科学工程师 Nicolas Driot 表示：

“Actran 使 Tenneco 能够开发出一种针对主动排气系统（包括扬声器和外壳）的电声学仿真流程，并与实物实验数据非常吻合。如今，我们利用仿真研发我们的下一代排气噪声主动降噪系统。仿真不仅能以最短的时间对大量可行设计概念的性能进行评估，还能省去构建实物样机的成本。这种方法在对排气系统的性能改进上超越了传统流程。传统流程通常只能对少量不同的可行设计进行评估。基于仿真的新方法还可以更快地将新产品推向市场。”