空濾器聲學特性及進氣口噪聲聲品質試驗

李　恒，鄭　旭，劉聯鋆，甘慶良

（1.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027；2.上海思百吉儀器系統有限公司 Brüel&Kj?r部門，上海 200125）

空濾器聲學特性及進氣口噪聲聲品質試驗

李恒1，鄭旭1，劉聯鋆2，甘慶良1

（1.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027；2.上海思百吉儀器系統有限公司 Brüel&Kj?r部門，上海 200125）

為研究空濾器總成的聲學特性，在半消聲室內通過靜態實驗測試系統的消聲量、傳遞損失，并進行發動機臺架試驗，評估進氣口噪聲水平及聲品質特性。首先，實驗測試獲得空濾器殼體的聲學特性，并與有限元仿真計算結果相對比，驗證實驗值的準確性。其次，分別研究空濾器殼體、濾芯材料的消聲量、傳遞損失，發現濾芯結構的存在，在中高頻尤其是500 Hz以上大大提升空濾器的消聲性能，而對中低頻影響微小。再者，搭建發動機臺架進行試驗，對比分析安裝空濾器總成前后進氣口噪聲的聲壓級水平。先后進行穩態工況、加速工況試驗，發現空濾器總成幾乎在全頻段內對進氣噪聲均有明顯的降噪功能。最后，提取穩態工況進氣口聲壓頻譜，編程處理數據，分析進氣口噪聲聲品質水平，研究空濾器總成對進氣口響度、尖銳度的影響。為進一步研究并提高發動機進氣口噪聲聲品質提供基礎與指導。

聲學；空濾器；濾芯；消聲量；傳遞損失；聲品質；臺架試驗

發動機噪聲主要由空氣動力噪聲與結構輻射噪聲組成［1］。針對結構輻射噪聲的研究已較為廣泛，空氣動力噪聲的研究仍有待深入。為使排氣噪聲得到有效控制，進氣噪聲的研究與控制顯得尤為重要。

進氣系統主要由空氣濾清器（以下簡稱空濾器）以及進氣管路組成。針對進氣系統的NVH研究主要體現在兩方面：系統聲學特性研究、進氣管口噪聲預測［1］。而進氣口噪聲試驗往往作為驗證評估預測方法是否準確的重要標志之一，因此試驗在研究中尤為重要。同時，空濾器本身作為典型的進氣噪聲消聲元件，研究其聲學特性有助于指導工程設計開發，最終有利于進氣噪聲的控制。賈維新通過實驗測試了空濾器殼體的消聲量（noise reduction，NR），并將此作為仿真計算的驗證值［2］。劉聯鋆等研究了紙質濾芯的聲學性能，發現傳遞損失（transmission loss，TL）主要在中高頻600 Hz以上發揮較好的消聲性能，但未進行實際工作狀態進氣口噪聲試驗評估［3］。因此，本文主要就某空濾器、濾芯結構進行聲學特性試驗，并與有限元法（FEM）仿真結果相驗證，分別分析殼體以及濾芯的主要消聲特性。而在進氣口噪聲測試方面，李恒等通過整車試驗獲得了某汽油機乘用車的進氣口噪聲頻譜，但試驗中不能有效屏蔽風噪、路面噪聲等其它環境因素的嚴重干擾［4］。因此，本文搭建發動機臺架進行試驗，盡可能準確地測量進氣口噪聲水平。

此外，渦輪增壓器的配備［5］，其高速運轉下產生的高頻噪聲，會顯著改變發動機整機輻射噪聲，尤其影響進氣系統的聲學特性［6］。因此選擇增壓型發動機進行臺架試驗，并提取進氣口噪聲頻譜，數據經后處理后，分析與研究增壓性發動機進氣口聲品質水平。主要研究空濾器總成對進氣管口噪聲聲品質的改善作用，為進一步提高發動機進氣口噪聲聲品質水平提供基礎與指導。

1　理論背景

1.1消聲量

消聲量［7］為聲波流經聲學元件的入口側聲壓級Lpi與出口側聲壓級Lpo的差值，可作為評價消聲性能的指標之一

式中pi為消聲元件聲波入口側聲壓；po為出口側聲壓。其與管道末端特性有關，因此在仿真計算需注意末端大氣壓邊界的模擬。

1.2傳遞損失

傳遞損失［7］（TL）為聲波流經聲學元件的入射聲功率級LWi與透射聲功率級LWt的差值，反映消聲元件本身的聲學特性，其未包括聲源及管道末端特性，因此常用傳遞損失評價消聲性能

1.3聲品質分析

聲品質的指標參數有響度和尖銳度［8-10］。

響度是反映人耳對聲音強弱主觀感受程度的心理學參數（單位為sone），可通過Zwicker提出的ISO532B標準計算獲得，它以1/3倍頻帶為基礎，引入特征頻帶作修正，如式（3）所示

式中N'（z）N'（z）為臨界頻帶z上的特征響度。

尖銳度是表征高頻成分在聲音頻譜中的所占比例（單位為acum）。Zwicker提出的尖銳度計算模型，如式（4）所示

式中 g（z）為Zwicker依據不同臨界頻帶設置的響度計權函數，如式（5）所示

2　空濾器聲學特性研究

2.1NR、TL實驗測量

靜態聲學特性實驗于半消聲室內進行。聲源置于半消聲室外，用鐵質金屬管將聲源引入至半消聲室。采用厚質PPR管連接空濾器。聲學特性測試設備及儀器型號如表1所示。

表1　靜態聲學特性測試設備及儀器型號

圖1所示為空濾器NR測試現場，分別于空濾器上、下游各設置一個傳聲器用于測量兩側聲壓級。聲學入口測點傳聲器頭部端面與管壁齊平，出口測點傳聲器頭部端面置于出口截面中心。聲源端發射全頻范圍內幅值為94 dB的聲波，相應獲得聲學入口、出口側的聲壓級。

圖1　空濾器NR測試現場

圖2所示為空濾器TL測試現場，測試時在空濾器下游分別安裝兩種不同阻抗的負載（Za：原PPR管；Zb：延長一段小截面PPR管，并在末端張貼吸聲棉），采用四傳聲器基于傳遞矩陣法測量空濾器的靜態TL［11］。測量中傳聲器頭部端面與管內壁齊平，PPR管內徑為90 mm，上、下游每對傳聲器間距為60 mm，最高分析頻率fm設為2 000 Hz，據ASTM標準E1050-1990［12］，足以滿足要求。

圖2　空濾器TL測試現場

2.2NR、TL仿真計算

FEM在仿真計算消聲元件聲學特性方面，其準確性已經得到普遍的認可［2］。因此為了驗證實驗的準確性，將采用FEM仿真計算空濾器的NR、TL。如圖3所示建立了空濾器殼體的FEM模型，實際工作中聲波由發動機側流經空濾器總成，最終從進氣管口輻射向大氣。因此，聲學出口即為進氣入口，聲學入口為氣流出口。空濾器腔體即為擴張腔作用，聲波在其內部傳播引起共振起到消聲作用。

圖3　空濾器殼體FEM模型

在TL仿真時，為保證聲學出口末端全消聲，于聲學出口側設置特征聲阻抗為416.5 kg/m2·s，且后處理時需分離入口的入射聲波與反射聲波，據式（2）即可獲得系統的TL。其余壁面設為剛性壁面，且不考慮氣流及溫度的影響。

2.3結果分析

圖4所示為半消聲室實驗測試與FEM仿真計算獲得的空濾器NR曲線對比。可以發現：兩者在1 500 Hz頻率范圍內趨勢基本相吻合，NR曲線各峰谷值所對應的頻率點基本一致。整體而言，實驗值的各消聲峰值、谷值發生了略微的偏移，表現為實驗值略比仿真值大，而幅值上略比仿真值小。這主要是由于在FEM仿真時，設置的聲速大小與實際管內聲波傳播速度并非不一致，而引起頻移；同時FEM仿真時將壁面視為剛性壁面，而實際中空濾器殼體為塑料材質，存在略微的聲波透射及聲振耦合引起的殼體振動輻射噪聲，且傳播過程中存在一定的能量耗散［4］等，故造成NR實驗結果幅值略小。空濾器在250 Hz～650 Hz聲學表現較好，其NR均高于20 dB；且在765 Hz、1 220 Hz處均存在消聲峰值，其幅值高達40 dB以上，為空濾內腔體局部結構產生的消聲峰值。但也存在若干消聲谷值，如185 Hz、730 Hz、810 Hz等，表現為消聲性能較差。總體而言，通過對比實驗測試結果與FEM仿真結果，印證了靜態NR實驗的準確性。

圖4　空濾器NR實驗結果

圖5所示為實驗測試與FEM仿真計算獲得的空濾器TL曲線對比。兩者在1 500 Hz頻率范圍內趨勢基本相吻合，TL曲線各峰谷值所對應的頻率點基本一致。且消聲峰值所在的頻率與圖4中NR所述相一致，在765 Hz、1 220 Hz處，其TL幅值分別高達20 dB、36 dB；TL幅值為零處與NR消聲谷值所對應的頻率也相吻合，依次位于730 Hz、810 Hz等附近。而空濾器作為擴張腔元件，其基本消聲范圍100 Hz～500 Hz內，其TL幅值達10 dB左右。但在TL實驗測試時于195 Hz左右產生一個局部的峰值，而在FEM計算時并不存在，可能是實際測試時空濾與連接管路間存在略微的安裝間隙或傳聲器置于PPR管內引起聲波的擾動等引起。通過兩者TL結果的對比，進一步驗證了半消聲室內測試空濾器聲學特性的準確性與有效性，也肯定了B&K設備與儀器在NR、TL測試方面的精確性。

圖5　空濾器TL實驗結果

2.4濾芯聲學特性研究

實際工作過程中，空濾器內部附帶濾芯結構，以此達到過濾空氣的作用，因此有必要研究濾芯結構的靜態聲學特性。一般濾芯材料包括無紡布材料、紙質材料兩種，該濾芯由多孔無紡布材料制成，其安裝示意如圖（6）所示。

圖6　空濾器內部濾芯材料安裝示意

將濾芯安裝于空濾器上下殼體內部，并加以實際工裝固定，放置于半消聲室內進行靜態聲學特性的測試，分別獲得NR、TL如圖（7）所示。結果可知：

圖7　帶濾芯的空濾器聲學特性

在頻率范圍450 Hz內，濾芯的存在基本不影響NR、TL曲線，即消聲性能并無明顯的改變。而高于450 Hz時，濾芯的存在顯著地提高了空濾器的整體消聲性能。NR平均提高8.0 dB左右，最為顯著的提升出現于1 140 Hz處，幅值達39.7 dB，其不帶濾芯時有明顯的消聲谷值，而濾芯的存在不但“抹平”了低谷，還表現為較好的消聲性能。同時，TL也因為濾芯的存在平均提升達8.2 dB。然而，濾芯的存在也降低了765 Hz、1 220 Hz處的消聲峰值，使其曲線更為平滑。由此分析，濾芯在低頻范圍內消聲能力并不明顯，而主要表現在中高頻段，尤其為500 Hz以上。

3　發動機進氣口噪聲臺架試驗研究

發動機臺架試驗于半消聲室進行，試驗發動機參數如表2所示。

圖2是在77 K，采用N2作為吸附質，選取典型改性樣品St1、St3、ST1 和原樣活性炭SA，測得活性炭的吸附等溫線。根據國際理論(化學)與應用化學聯合會(IUPAC)定義的4類吸附等溫線的類型，樣品均為有H1遲滯環的Ⅳ型的中孔毛細凝聚類型。當相對壓力P/P0<0.1時，低壓端的吸附曲線偏向Y軸，微孔對N2有較強的吸附。當0.3

表2　試驗發動機參數

進氣口采用PVC管延長引出，同時于測試進氣口處，采用多孔吸音棉做屏蔽，盡可能地避免發動機本體噪聲的干擾，如圖（8）所示。

圖8　發動機臺架試驗現場及傳聲器布置

測試進氣口輻射噪聲，傳感器置于進氣口法向軸線45°，距離10 cm處，采用防風罩包裹，避免氣流對傳感器壓片薄膜的影響，減小測量誤差。另外設置振動加速度傳感器于發動機機體，用于提取發動機轉速信號，傳感器為B&W12100型壓電加速度傳感器。

3.1穩態工況進氣口噪聲

分別進行了發動機為怠速、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min工況的臺架試驗，獲得了相應的進氣口噪聲頻譜，如圖（9）所示。

在各穩態工況下，空濾器總成（帶濾芯，下同）的存在均使得進氣口噪聲有明顯的降低，也進一步印證了空濾器具有過濾空氣的主要功能外，還對降低發動機進氣噪聲有顯著的作用。特別地，在脫軸（發動機與測功機傳動軸脫離）怠速工況，空濾器總成的存在大大降低了100 Hz～700 Hz頻段內的噪聲，這也與圖7所述空濾器的聲學特性相一致；而在800 Hz以上，進氣口噪聲存在略微的降低，但降低幅值不明顯，主要是因為怠速工況進氣管內幾乎無氣流存在，進氣噪聲主要表現為中低頻的周期性壓力脈動，高頻氣流噪聲不明顯，因此消聲性能表現也較明確。而在發動機轉速1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min穩態工況下，進氣氣流的存在使得進氣噪聲中高頻氣流噪聲較為明顯，因此空濾器總成的存在對該頻段噪聲的衰減最為突出。特別在800 Hz～1 150 Hz頻段內，增加空濾器總成后，進氣口噪聲出現顯著的降低，同時在1 450 Hz以上范圍也表現為較好的消聲性能。此外，在測試過程中，發動機與測功機傳動軸相連接，測功機尤其是傳動軸引起的噪聲也會對進氣口造成干擾。

圖9　各穩態工況進氣口噪聲頻譜

在頻域范圍內，將無空濾、有空濾狀態進氣口噪聲作差，即可獲得該發動機空濾器系統的插入損失（insertion loss，IL）1/3倍頻程結果，如圖（10）所示。

圖10　各穩態工況下空濾器的插入損失

可以發現：空濾器總成的存在，各穩態工況下進氣口噪聲均得以有效的降低；尤其是脫軸怠速工況，其IL在80 Hz特征頻帶最高幅值達35.3 dB（A），平均值達25.3 dB（A）。總體而言進氣氣流的存在，會使得空濾器總成的消聲能力在中高頻表現的更為突出，IL平均值達15.0 dB（A）；而無氣流（怠速）工況，則相反，這與上述進氣口噪聲頻譜分析結論相一致。此外，除怠速外，其它穩態工況下，IL曲線在特征頻帶高于163 Hz范圍基本無明顯差異，而在低頻區域差異較明顯。

3.2加速工況進氣口噪聲

圖11　加速工況進氣口噪聲時頻圖

為研究該發動機進氣口噪聲瞬態特性，測試獲得了發動機轉速1 200 r/min～5 400 r/min的WOT加速工況進氣口時頻分析結果，如圖（11）所示。對比安裝空濾器總成前后的進氣口噪聲時頻譜可知，有空濾器的情況下，進氣口噪聲得到了顯著的降低，主要表現為兩方面：一方面是階次噪聲成分，安裝空濾器總成后，原狀態中最為明顯的2、4、6、8階次成分得到了很好的衰減，僅存留一部分的2階、4階成分，而此為發動機曲軸旋轉工作時特有的成分，存留是必然的。另一方面是中低轉速工況600 Hz～2 000 Hz頻段內的寬頻氣流噪聲成分（圖（a）中虛線框所示）。安裝空濾器總成后，該區域寬頻成分得到明顯的衰減。當然其它轉速、頻段也有相應的降低，而局部區域也存在略微的惡化（圖（b）虛線框所示），可能是測功機及傳動軸等其它噪聲干擾所致。因為安裝空濾器總成后，進氣口噪聲水平得以降低，而傳動軸等其它噪聲仍未變化，以致誤差存在。

根據發動機瞬態加速測試結果，分別提取加速過程中的不同轉速工況進氣口聲壓級水平，發動機轉速1 800 r/min～4 800 r/min，每隔600 r/min提取一個結果，如表3所示。安裝空濾器總成后進氣口噪聲水平得到顯著的降低，聲壓級總值平均降低幅值達16.2 dB（A），2階降低33.0 dB（A）、4階降低31.1 dB（A）、6階降低27.1 dB（A）。因此空濾器總成系統在進氣系統噪聲控制方面有著不可或缺的作用，設計優良的空濾器總成，在達到過濾空氣的同時也將達到良好的聲學性能，而這些實驗數據也將更好地指導空濾器總成的前期設計開發。

表3　不同發動機轉速工況進氣口聲壓級總值及階次噪聲水平

3.3進氣口噪聲聲品質分析

如圖12所示為發動機臺架試驗不同穩態工況下，計算處理獲得的進氣口聲壓級總值Overall、響度Loudness以及尖銳度Sharpness參數。安裝空濾器總成后，進氣口聲壓級總值、響度、尖銳度明顯降低。4種工況下聲壓級總值降低值11.9、12.3、14.1、13.1 dB（A），降低幅度依次為16.0%、12.4%、12.8%、11.5%。響度降低幅值分別為15.5、84.6、166.1、210.0 sone，降低幅度依次為48.3%、60.5%、64.5%、63.3%。尖銳度降低幅值分別為-0.1、0.4、0.5、0.5 acum，降低幅度依次為-7.7%、21.1%、20.9%、19.1%。3個參量基本隨發動機轉速的升高而呈現遞增的趨勢，安裝空濾器總成后聲壓級總值的降低值保持較為平穩；響度的降低值則隨發動機轉速的升高而增大，但降低幅度也相對較平穩；而尖銳度則略有差異，尤其在發動機脫軸怠速工況，進氣口噪聲尖銳度反而增大了，但增大幅度并非很大。這與怠速穩態頻譜分析結論相一致，中高頻區域噪聲降低并不明顯，而中高頻成分對聲品質參數尖銳度的影響較為敏感，因此出現略微的不降反增的結果。總體而言，安裝空濾器總成后，進氣口噪聲聲品質得到了明顯的改善，可為后期深入研究發動機進氣口噪聲聲品質提供基礎與指導。

圖12　各穩態工況進氣口噪聲聲品質指標

4　結語

（1）采用B&K聲源及功放、B&K數據采集器，基于Pulse分析系統，于半消聲室內實驗測試獲得空濾器殼體的靜態聲學特性，并與FEM仿真計算結果相對比，驗證了測試數據的可靠性、準確性；

（2）分別通過實驗研究了空濾器殼體、濾芯材料的NR、TL，發現濾芯結構的存在，主要對中高頻尤其是500 Hz以上消聲能力有較高的提升，而對中低頻并無顯著的作用；

（3）搭建發動機臺架試驗，對比分析了安裝空濾器總成前后進氣口噪聲的噪聲水平。依次通過穩態工況、加速工況試驗，發現空濾器總成幾乎在全頻段對進氣噪聲均有明顯的降噪功能；且分析了進氣口噪聲聲品質水平，發現響度、尖銳度均得到較大幅度的降低，其降低幅度分別高達59.2%，13.4%左右，為進一步研究進氣噪聲聲品質提供基礎；

（4）試驗中仍不可避免部分測功機傳動軸、發動機本體輻射等其它環境噪聲影響，導致測試結果產生了略微的誤差，需要在后期進行改進與完善。

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Tests ofAcoustic Performance ofAir-filters and Sound Quality of Intake Noise

LIHeng1，ZHENGXu1，LIU Lian-yun2，GAN Qing-liang1
（1.College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Brüel&Kj?r Dept.Spectris Instrumentation&System Shanghai Co.Ltd.，Shanghai 200125，China）

In order to investigate the acoustic performance of the air-filter assembly，the static noise reduction and transmission loss are measured in a semi-anechoic room.Furthermore，the engine bench test is carried out.Accordingly，the sound pressure level and the sound quality of the intake noise are evaluated.First of all，the acoustic performance of the airfilter is measured and the results are verified though the finite element simulation.Then，the noise reduction and the transmission loss of the air-filter are obtained and analyzed though the tests with/without filter element inside.The results indicate that the filter element performs well in noise attenuation in the frequency range above 500 Hz，but does not so well in the middle-and-low frequency range.Subsequently，the engine bench test is conducted under the condition of steady state and accelerating state.It is found that the air-filter with the filter element inside has good intake noise attenuation effect almost in the whole frequency range.Finally，the intake sound pressure frequency spectrum is acquired in the steady state operation condition and the sound quality is analyzed.In addition，the influence of the air-filter assembly on the loudness and sharpness of the intake noise are analyzed.This work provides a basis for further improvement of the sound quality of the intake noise of internal-combustion engines.

acoustics；air-filter；filter element；noise reduction；transmission loss；sound quality；bench test

TK417+.125

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.016

1006-1355（2016）05-0075-07

2016-04-05

李恒（1989-），男，浙江省蘭溪市人，博士研究生，主要研究方向為發動機現代設計CAE及進、排氣系統NVH性能研究。E-mail:alfred0622@163.com