某中型客車進氣噪聲聲學優化

韓楊 周鋐 靳暢 張芳

（同濟大學 新能源汽車工程中心）

某中型客車進氣噪聲聲學優化

韓楊 周鋐 靳暢 張芳

（同濟大學 新能源汽車工程中心）

通過對某中型客車空氣濾清系統的聲場仿真計算和整車進氣噪聲試驗分析，提取其進氣噪聲聲源特性并進行了聲學優化。首先采用四負載法提取進氣噪聲聲源特性，建立進氣系統聲學邊界元模型，預測進氣系統進氣口噪聲并與試驗測試數據對比，驗證提取聲源的準確性；然后進行整車進氣系統噪聲試驗，分析進氣噪聲頻譜特性，確定消聲頻率；最后通過仿真設計了消聲元件，并提出優化方案用于實車驗證。整車進氣噪聲試驗結果表明，優化后進氣系統聲學特性得到明顯改善。

1 前言

進氣系統噪聲是汽車最主要噪聲源之一[1]，降低進氣噪聲對改善汽車NVH性能具有重要作用。對于進氣噪聲聲學優化，Swati M等[2]提出了插入式赫姆霍茲共振消聲器來解決進氣噪聲低頻問題，為進氣消聲設計開辟了一條新思路；浙江大學郝志勇等[3]采用邊界元法對空氣濾清器系統進氣聲學預測，通過簡單的空氣濾清器數模在數值計算和試驗中進行了低頻降噪研究。上述研究主要針對轎車的進氣噪聲問題，而對商用車的進氣噪聲聲學優化研究較少。為此，本文對某中型客車進氣噪聲聲源特性進行了提取，并基于進氣噪聲的聲源特性仿真預測了進氣噪聲，提出了優化方案，進而改善了該中型客車進氣系統聲學特性。

2 進氣噪聲聲源特性參數提取理論和方法

2.1 聲源特性參數提取理論

進氣噪聲是從發動機與進氣系統連接處發出，再通過空氣濾清器及消聲系統輻射到大氣中，因此可將進氣噪聲聲源定義在節氣門所在端面[4]，空氣濾清器及消聲系統可看作聲學負載，其中聲源阻抗與聲學負載阻抗串聯，組成的聲電類比線路圖如圖1所示。

當屏蔽掉發動機等其它噪聲源后，進氣噪聲聲源可視為單口聲源，即進氣噪聲聲源聲學特性參數包括隨頻率變化的聲源聲壓和聲源阻抗，表達式為：

式中，Ps為聲源聲壓；Zs=（Rs+jXs）為聲源阻抗，包括聲阻和聲抗；PL為聲源與聲學負載連接端面的聲壓值；ZL=（RL+jXL）為進氣系統中聲學負載阻抗；W為在聲平面的聲功率。

2.2 聲源特性參數提取方法

聲源特性參數提取方法分為直接法和間接法。因間接法容易實現且預測結果較精確[5]，而其中的多負載法具有較高的預測精度，因此本文采用四負載法[6]提取聲源特性參數。

在某一工況下，發動機進氣噪聲聲源特性是線性不變的，即聲源聲壓和聲源阻抗不隨下游連接的聲學負載的不同而改變[7，8]，則四負載法聲源特性參數提取原理如圖2所示。

利用4根不同長度的直管作為聲學負載。圖2中x=0處的聲壓值即為聲源與聲學負載連接端面的聲壓值PL，可表示為:

式（3）中，ZL可通過邊界元法仿真計算獲得，PL可通過測量點聲壓（聲學負載末端聲壓Pout）和ZL計算得到。Ps和Zs是復數域變量，由實部和虛部組成，因此式（3）包含了實部方程和虛部方程，計算聲源聲壓和聲源阻抗即為計算其實部和虛部4個未知變量，所以采用4個不同的聲學負載聯立4個方程進行求解。

2.3 聲源特性參數提取試驗

采用四負載法對某中型客車4缸4沖程柴油機的進氣系統聲源特性參數進行提取試驗，利用傳聲器測量聲學負載末端聲壓Pout。圖3為聲源特性參數提取試驗現場，試驗工況為3擋節氣門全開急加速工況，轉速范圍為1 000～4 000 r/min，采樣間隔為40 r/min，4個聲學負載及其安裝位置如圖4所示。

3 進氣噪聲預測及其準確性驗證

3.1 聲源特性參數提取結果

進氣噪聲具有明顯的諧次特性[3]，主要以2、4、6、8階次噪聲為主，因此本文主要計算2、4、6、8階聲源特性參數。圖5為Zs與管道特征阻抗Z0相除得到的無量綱聲源阻抗，其中Z0=ρc，ρ為空氣密度，c為聲速。

3.2 聲源特性參數提取結果試驗驗證

因邊界元方法網格較少、易于操作且計算精度較高，因此采用邊界元方法進行進氣噪聲仿真計算。圖6為原始空氣濾清器總成網格模型，該模型共劃分9 655個單元，其中四邊形單元9 251個，三角形單元404個，總節點數為9 455個。利用Virtual.Lab的Acoustic模塊進行進氣口噪聲計算，在入口端定義所求得的PL和ZL作邊界條件，出口端定義全吸聲的邊界條件，可仿真計算出發動機在3擋全油門急加速工況下進氣口處噪聲值。

整車進氣噪聲試驗在室內低噪聲道路模擬轉鼓上進行，利用德國GRAS公司生產的ICP壓電式麥克風采集噪聲信號，數據采集設備為LMS公司SCA?DASⅢSC316W信號放大和智能采集系統。為減少發動機其它噪聲的影響，采用鉛板和毛氈片屏蔽其它噪聲源，并將排氣管外接消聲包，試驗布置如圖7所示。

進氣口噪聲各階次仿真結果與試驗結果對比如圖8所示。由圖8可看出，各階次進氣噪聲的仿真結果與試驗結果較吻合，說明所提取的聲源特性參數是準確的，符合該發動機進氣系統各階次實際聲學特性。

4 進氣系統聲學優化

4.1 進氣噪聲消聲頻率的選擇

進行進氣系統聲學優化時，首先要確定優化頻率。圖9為3擋發動機節氣門全開急加速工況下進氣噪聲SPL（Sound Pressure Level）曲線，由圖9可看出，進氣噪聲總聲壓級在整個加速過程中均超過目標值，階次噪聲值在一些轉速下超過階次噪聲目標值；圖10為試驗得出的進氣噪聲瀑布圖，由圖10可看出，噪聲主要集中在中低頻段（260～420 Hz）內，因此確定降噪頻率范圍為260～420 Hz，該降噪頻帶較寬。

4.2 消聲元件的仿真優化設計

進氣系統聲學優化基本使用抗性消聲器[9]，為此，本文利用Virtural.Lab軟件的聲學模塊，針對該中型客車仿真設計了抗性消聲器?？剐韵暺靼〝U張腔式消聲器、赫姆霍茲消聲器、1/2波長管、1/4波長管等。因該中型客車進氣噪聲降噪頻頻帶較寬，應選擇中間頻率進行降噪，以使整個頻率范圍得到較好的降噪效果，而在該頻率范圍內赫姆霍茲消聲器和1/4波長管可以起到良好的消聲作用，因此，針對260～420 Hz的降噪頻率范圍提出了2種優化方案。方案1如圖11a所示，選取350 Hz作為赫姆霍茲消聲器設計計算的消聲頻率，考慮到發動機艙的安裝空間，該消聲器設計容積為0.29 L，連接管直徑為25 mm，長度為20 mm；方案2如圖11b所示，是在方案1的基礎上加1/4波長管，選擇380 Hz作為1/4波長管設計計算的消聲頻率，其連接管直徑為25 mm,長度為220 mm。通過邊界元仿真計算出各方案進氣噪聲總聲壓級，并與原方案（圖9中進氣噪聲總聲壓級）進行對比，結果如圖12所示。

由圖12可看出，方案1中進氣噪聲總聲壓級在整個轉速下普遍低于原始狀態，但某些轉速下超過目標噪聲值；方案2中進氣噪聲總聲壓級在整個轉速下低于原始進氣噪聲，并且小于進氣噪聲目標值。對比2種方案仿真結果可知，對于較寬的消聲頻帶，采用2個消聲元件的降噪效果明顯好于單個消聲元件,即方案2降噪效果明顯優于方案1。

4.3 設計方案試驗驗證

為驗證方案2的可行性，將根據方案2設計的消聲器應用于該中型客車，通過整車進氣噪聲試驗對該方案進行驗證。由于發動機艙空間限制，將消聲元件安裝在進氣管處，如圖13所示。

采用優化方案后，該中型客車進氣噪聲聲壓級曲線如圖14所示，優化前、后進氣噪聲瀑布圖如圖15所示。由圖14和圖15可看出，在降噪頻率范圍內噪聲明顯降低；進氣噪聲總聲壓級整體上降低了2.5～7.0 dB，達到了降噪目標，進氣系統的聲學特性得到明顯提升。

Acoustic Optimization for Intake System of Commercial Bus

Han Yang,Zhou Hong,Jin Chang,Zhang Fang
（Clear Energy Automobile Engineering Center,Tongji University）

Air filter system sound field simulation and vehicle intake noise test analysis of a commercial bus are conducted,the source characteristic of intake noise is extracted for acoustic optimization.Firstly four-load method is used to extract the intake noise source characteristic,and an acoustic boundary element model is built for the intake system.Then the values of intake noise calculated are compared with the values measured from test to verify the extract acoustic source.Then vehicle intake noise test is made to analyze spectrum characteristic of intake noise and determine the damping frequency.Finally damping elements are designed with simulation and optimization plan is proposed for vehicle verification.Vehicle intake noise test results show that the optimized intake system is improved significantly in acoustic performance.

Commercial bus,Intake noise,Acoustical source characteristic,Acoustic optimization

商用客車 進氣噪聲 聲源特性 聲學優化

U467.1

A

1000-3703（2015）02-0016-04