基于傳遞損失的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)

岳貴平，張義民

(1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司 汽車振動(dòng)噪聲和安全性控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011;2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是車輛最主要的噪聲源之一，對(duì)車內(nèi)噪聲影響尤其明顯。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲很復(fù)雜，包括許多成分，其中管口噪聲是其最主要部分，管口噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。由于進(jìn)氣系統(tǒng)各個(gè)消聲元件的中心頻率是一定的，特別是赫姆霍茲消聲器和四分之一波長(zhǎng)管等的消聲頻段很窄，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輛負(fù)載改變時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲會(huì)有明顯變化，而車輛舒適性要求這種變化越小越好，越緩慢越好，因此，進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)至關(guān)重要［1－4]。

進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲相對(duì)于各個(gè)消聲元件設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感程度。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)消聲元件的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)相對(duì)容易，但進(jìn)氣系統(tǒng)的各個(gè)消聲元件往往存在著耦合關(guān)系，將進(jìn)氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)相對(duì)困難。本文通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)各個(gè)聲學(xué)元件聲學(xué)解耦和進(jìn)氣系統(tǒng)“歸1化”參數(shù)的推導(dǎo)，探索了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，從而控制進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲相對(duì)于各個(gè)消聲元件的敏感設(shè)計(jì)參數(shù)，更好地滿足車輛舒適性的要求［5－8]。

1 基本理論

1.1 傳遞損失

在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，常見(jiàn)的消聲元件有赫姆霍茲消聲器、擴(kuò)張式消聲器和四分之一波長(zhǎng)管，并且各消聲元件通常以串聯(lián)的形式組合在一起，消聲元件的布置如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖Fig.1 Intake system sketch map

傳遞損失表明聲波經(jīng)過(guò)消聲元件后聲波能量的衰減，可表示為［1]

式中，TL為傳遞損失，Wi為聲波入射能量，Wt為聲波透射能量。

應(yīng)用式(1)，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件傳遞損失的計(jì)算公式如下:

式中，TL1為赫姆霍茲消聲器的傳遞損失，W1i為聲波入射能量，W1t為聲波透射能量，V為消聲容器的容積、Lc和Sc分別為連接管道的長(zhǎng)度和截面積，Sm為主管道的截面積，fc為赫姆霍茲消聲器的中心頻率，fr為頻率成分。

式中:TL2為擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失，W2i為聲波入射能量，W2t為聲波透射能量，m為擴(kuò)張比;L為擴(kuò)張腔的長(zhǎng)度;λ為某聲波的波長(zhǎng)。

式中，TL3為四分之一波長(zhǎng)管的傳遞損失，W3i為聲波入射能量，W3t為聲波透射能量，m為擴(kuò)張比;L為四分之一波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度;λ為某聲波的波長(zhǎng)。

延伸式(1)，傳遞損失也可用來(lái)表示聲波經(jīng)過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)后聲波能量的衰減，即:

式中，TLt為進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失。

由于進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件以串聯(lián)方式相連，有:

式(5～7)聯(lián)立可得:

式(2～4)和式(8)聯(lián)立，可得進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失。

1.2 穩(wěn)健性

進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要降低進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失相對(duì)于各個(gè)消聲元件設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感程度。由于赫姆霍茲消聲器、擴(kuò)張式消聲器和四分之一波長(zhǎng)管靈敏度的數(shù)量級(jí)相差較大，并且各個(gè)消聲元件的中心頻率也不相同，直接通過(guò)消聲元件的靈敏度相加得到進(jìn)氣系統(tǒng)的靈敏度，會(huì)掩蓋有些關(guān)鍵參數(shù)的靈敏度。為了克服以上弊端，引入進(jìn)氣系統(tǒng)的等效靈敏度，定義如下［7]:

式中，Cji表示在某頻率j單個(gè)消聲元件i靈敏度的“歸1化”參數(shù)。

進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性優(yōu)化要求進(jìn)氣系統(tǒng)靈敏度最小。取設(shè)計(jì)變量XT建立目標(biāo)函數(shù)［8]:

式中，F(xiàn)(X)為目標(biāo)函數(shù)。

建立約束條件:

2 聲學(xué)解耦

插入損失是指一個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中插入了消聲元件之前和之后進(jìn)氣口處聲功率級(jí)的差值，在概念設(shè)計(jì)階段，通常把目標(biāo)噪聲作為插入了消聲元件之后出口處聲功率級(jí)。某進(jìn)氣系統(tǒng)的插入損失如圖2所示。

根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)各個(gè)消聲元件的中心頻率不同，進(jìn)行消聲元件的聲學(xué)解耦。找出插入損失最大的三個(gè)值 IL1、IL2和IL3，并將三個(gè)值對(duì)應(yīng)的頻率排序f1＜f2＜f3，如表1所示。把頻率f1作為赫姆霍茲消聲器的中心頻率;把頻率f2作為擴(kuò)張式消聲器的中心頻率;把頻率f3作為四分之一波長(zhǎng)管的中心頻率［5]。表中，序號(hào)1代表諧振腔，序號(hào)2代表濾清器，序號(hào)3代表四分之一波長(zhǎng)管。

圖2 管口噪聲Fig.2 Orifice noise

表1 消聲元件的插入損失和中心頻率Tab.1 Insert loss and center frequency of parts

3 歸一化

式中，F(xiàn)(X1)為目標(biāo)函數(shù)。

建立約束條件:

式中，f1為中心頻率。長(zhǎng)度單位為mm，容積單位為L(zhǎng)，頻率單位為Hz。

赫姆霍茲消聲器穩(wěn)健性優(yōu)化的結(jié)果為d=90 mm，V1=1.75 L，d1=11.25 mm，L1=21.88 mm。應(yīng)用該優(yōu)化結(jié)果，求解3個(gè)中心頻率處赫姆霍茲消聲器的靈敏度，其“歸1化”參數(shù)定義為靈敏度的倒數(shù)，有:

式中，F(xiàn)(X2)為目標(biāo)函數(shù)。

建立約束條件:

式中，f2為中心頻率。

擴(kuò)張式消聲器穩(wěn)健性優(yōu)化的結(jié)果為d=90 mm，L2－1=491.63 mm，L2－2=450 mm。應(yīng)用該優(yōu)化結(jié)果，求解3個(gè)中心頻率處擴(kuò)張式消聲器的靈敏度，其“歸一化”參數(shù)為:

式中，F(xiàn)(X3)為目標(biāo)函數(shù)。

建立約束條件

式中，f3為中心頻率。

四分之一波長(zhǎng)管穩(wěn)健性優(yōu)化的結(jié)果為d=70 mm，d3=42.5 mm，L3=151.3 mm。應(yīng)用該優(yōu)化結(jié)果，求解3個(gè)中心頻率處四分之一波長(zhǎng)管的靈敏度，其“歸一化”參數(shù)為

4 穩(wěn)健性優(yōu)化

4.1 重要度指標(biāo)

重要度指標(biāo)是進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件重要程度的綜合評(píng)價(jià)［6]。

單個(gè)消聲元件評(píng)分規(guī)則為，對(duì)極其重要的單元評(píng)10分，反之最少可評(píng)到1分。進(jìn)氣系統(tǒng)的總評(píng)分為:

式中，系統(tǒng)總評(píng)分為ω;第i消聲元件得分為ωi。

第i消聲元件的重要度指標(biāo)為αi

結(jié)合式(22－23)，進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件重要度分配如下表。

表2 重要度指標(biāo)Tab.2 Importance index

4.2 穩(wěn)健性優(yōu)化

式中，F(xiàn)(X)為目標(biāo)函數(shù)。

依據(jù)式(12)建立約束條件，

進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性優(yōu)化的結(jié)果為d=90 mm，V1=2.25 L，d1=8.75 mm，L1=28.13 mm，L2－1=491.63 mm，L2－2=350 mm，d3=42.5 mm，L3=151.3 mm。與單個(gè)消聲元件的穩(wěn)健性優(yōu)化結(jié)果相比，進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)整體穩(wěn)健性優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量 d、V1、d1、L1和 L2－2的優(yōu)化結(jié)果變化很大。

通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性優(yōu)化，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況改變時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲會(huì)緩慢地變化，管口聲噪聲的線性度也會(huì)提高。

5 結(jié)論

本文基于聲學(xué)理論和穩(wěn)健性方法，探索了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行了進(jìn)氣系統(tǒng)各個(gè)聲學(xué)元件的聲學(xué)解耦，“歸一化”參數(shù)的推導(dǎo)，以及重要度指標(biāo)設(shè)定，以此為基礎(chǔ)，完成了進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)穩(wěn)健性整體優(yōu)化。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法能夠兼顧每個(gè)中心頻率，在概念設(shè)計(jì)階段為車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件的聲學(xué)性能設(shè)計(jì)提供定量的依據(jù)。

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