某車進(jìn)氣系統(tǒng)噪音的優(yōu)化與改進(jìn)

馮博 楊繼城 趙雨雷 靖海宏

摘要：對某車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣噪音的頻譜特性，對原空氣濾清器和進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用有限元方法計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失，并比較改進(jìn)前后的消音性能。同時(shí)，通過整車進(jìn)氣系統(tǒng)噪音試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)前后進(jìn)氣系統(tǒng)的消音特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)的聲壓級明顯下降。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng)噪音;空氣濾清器;有限元法;傳遞損失;

中圖分類號：TB535+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2018） 02-0094-05

1 引言

隨著NVH在轎車開發(fā)中扮演越來越重要的角色，進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲也正逐漸受到重視。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲除了對車輛通過噪聲有較大影響外，還是車內(nèi)噪聲的主要來源，因?yàn)樵撛肼曉淳嚯x車廂很近，所以非常影響車輛乘坐舒適性。

進(jìn)氣噪聲是內(nèi)燃機(jī)的空氣動力噪聲，亦是內(nèi)燃機(jī)的噪聲源之一。對大功率內(nèi)燃機(jī)來講，進(jìn)氣噪聲有時(shí)候可比內(nèi)燃機(jī)自身的噪聲（燃燒噪聲、機(jī)械噪聲）還高。一般內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速顯著提高，其進(jìn)氣噪聲也會顯著增大。所以研究進(jìn)氣噪聲對內(nèi)燃機(jī)整機(jī)噪聲的影響是很必要的。

本文針對某車三擋全油門狀態(tài)下進(jìn)氣噪聲的頻譜特性，借助仿真與試驗(yàn)手段，研究了進(jìn)氣系統(tǒng)的特性，找到了問題產(chǎn)生的原因，進(jìn)而提出相應(yīng)的整改措施降低噪聲，改善了加速進(jìn)氣噪聲水平。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)理論

消音元件和系統(tǒng)的消音效果通常有四個(gè)評價(jià)指標(biāo)：傳遞損失、插入損失、聲壓級差和聲壓級。傳遞損失一般用來評價(jià)單個(gè)消音元件，而插入損失和聲壓級一般用來評價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的消音效果。聲壓級差可以用于單個(gè)消音元件和整個(gè)系統(tǒng)的評價(jià)。所以，利用插入損失來評價(jià)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的消音效果，是最為簡單的一種方法。

2.1插入損失的聲學(xué)理論

插入損失是指一個(gè)系統(tǒng)中插入了消音元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級（或者聲壓級）的差值，其計(jì)算公式如下所示：

式中，W1是沒有安裝消音元件系統(tǒng)在測量點(diǎn)的聲功率;W2是安裝了消音元件后在同一點(diǎn)測量的聲功率。具體見下圖1所示。

2.2傳遞損失的聲學(xué)理論

空氣過濾器的功能有兩個(gè)：過濾空氣和消除進(jìn)氣口的噪聲?？諝膺^濾器相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)張消音器，其容積大小和尺寸決定了傳遞損失和中心頻率。

一般來說，容積越大，消音效果就越好。而影響傳遞損失的因素有兩個(gè)：擴(kuò)張比m和過濾器的長度L。在設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)的管道和過濾器時(shí)，有時(shí)候，進(jìn)入管和輸出管會插入到過濾器之中，如圖2所示。這種情況，插入的長度對傳遞損失有影響，傳遞損失可以用以下公式來表達(dá)：

式中，L_a是進(jìn)入管在過濾器中的長度，L_b是輸出管在過濾器中的長度。

3 進(jìn)氣噪音問題分析

3.1問題描述

對某款新開發(fā)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行噪音測試，在三檔節(jié)氣門全開工況下，測得150 Hz～280 Hz頻段內(nèi)駕駛員右耳處噪音水平整體偏高，如圖3所示。同時(shí)主觀評價(jià)進(jìn)氣噪聲較大，并且測得進(jìn)氣口噪音在150 Hz～280 Hz頻段內(nèi)（220 Hz、270 Hz）有能量偏高現(xiàn)象，如圖4所示;說明進(jìn)氣系統(tǒng)在此頻段內(nèi)的噪音對車內(nèi)噪音影響較大，有必要對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行噪音分析與改進(jìn)。

3.2傳遞損失的仿真計(jì)算

根據(jù)上述的聲學(xué)理論，對該進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行傳遞損失仿真分析，得到了的傳遞損失曲線如圖5。從傳遞損失的仿真曲線上可以看出，在150 Hz—280 Hz頻段內(nèi)TL值偏低，保持在3～5 dB之間，幾乎沒有消音能力。正好解釋了上述試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，為了消除該頻段內(nèi)220 Hz和270 Hz對車內(nèi)噪音的影響，以下主要針對220 Hz和270 Hz進(jìn)行噪音優(yōu)化。

3.3插入損失的直管試驗(yàn)分析

對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口進(jìn)行直管插入損失試驗(yàn)，結(jié)果如下圖6所示。從圖中可以看出，150Hz-280Hz噪音明顯。結(jié)合前面的進(jìn)氣口噪音頻譜及傳遞損失計(jì)算結(jié)果確定了進(jìn)氣系統(tǒng)消聲效果不佳;并且發(fā)動機(jī)階次頻率與空濾殼體模態(tài)可能在170Hz處發(fā)生共振。

4 進(jìn)氣系統(tǒng)噪音的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，對進(jìn)氣系統(tǒng)噪音問題的解決，主要方法是在原進(jìn)氣系統(tǒng)上增加消音元件，對問題頻段進(jìn)行有針對性地消音降噪。此進(jìn)氣系統(tǒng)在150～280Hz頻段內(nèi)的噪音屬于窄帶低頻噪音。

4.1方案制定

由于受到空濾空間的限制，所以對170 Hz采取赫姆赫茲消音器方案不可取，只能采取增加空濾殼體的剛度來達(dá)到避頻消音的效果。220 Hz和270 Hz采取1/4波長管的方法來消音。以下針對此類消音器進(jìn)行具體論述。

（1）增加空濾殼體剛度改善170 Hz噪音

對空濾殼體進(jìn)行模態(tài)分析，得知空濾殼體一階模態(tài)為165 Hz，與插入損失試驗(yàn)中的170 Hz共振頻率基本吻合，如下圖7所示。因此，通過增加空濾殼體剛度來達(dá)到避頻消音的效果。具體改善方案為：A和B區(qū)采取填充措施、C區(qū)溝槽加深、D區(qū)加筋板增厚等，如下圖8所示。

（2）增加1/4波長管改善220 Hz和270 Hz噪音

通過在進(jìn)氣管處增加1/4波長管來消除220 Hz和270 Hz頻率，對于1/4波長管的參數(shù)模型，其共振頻率為：其中，f₀為共振頻率;c為聲速;L為波長管的長度;R₀為1/4波長管的半徑;R為進(jìn)氣管的半徑。

根據(jù)上述公式（3），分別計(jì)算出220 Hz和270 Hz頻率對應(yīng)1/4波長管的長度為38 cm、32cm，并且在保證1/4波長管的圓管直徑小于進(jìn)氣管直徑一半的前提下，設(shè)計(jì)合適的1/4波長管來達(dá)到消音的效果，如下圖9～10所示。

4.2方案分析

將上述設(shè)計(jì)的1/4波長管和空濾殼體加筋等方案增加到原進(jìn)氣系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)如上圖8-9所示。對其進(jìn)行傳遞損失仿真計(jì)算，并與原狀態(tài)的傳遞損失進(jìn)行對比，結(jié)果如下圖11所示。

從上圖11中可以看出，優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)在150—280 Hz頻段內(nèi)的傳遞損失值有明顯地提高，尤其是針對220 Hz和270 Hz頻率的提升更為明顯。從而，進(jìn)一步驗(yàn)證了1/4波長管有效性。從下圖12中可以看出，優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)比原進(jìn)氣系統(tǒng)有明顯的改善，消除了170 Hz的共振頻率，車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)也得到相應(yīng)改善;論證了空濾殼體加筋方案的可行性。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)用到整車上，進(jìn)氣口噪音和車內(nèi)駕駛員耳旁噪音測試結(jié)果如下圖13-15所示，圖13-14分別驗(yàn)證了在160—280 Hz頻段內(nèi)的車內(nèi)駕駛員耳旁噪音和進(jìn)氣口噪音水平明顯降低;如圖15所示，車內(nèi)駕駛員耳旁噪聲降低1.5 dBA左右;進(jìn)氣口噪聲降低5 dBA左右，最大降低8 dBA。

6結(jié)束語

本文針對某車進(jìn)氣系統(tǒng)噪音頻譜特性，進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)噪音分析，運(yùn)用了進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失仿真計(jì)算，發(fā)動機(jī)臺架插入損失直管試驗(yàn)，查找出進(jìn)氣系統(tǒng)消聲能力低，針對問題提出了優(yōu)化方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證;驗(yàn)證了進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和1/4波長管旁支消音器消除窄帶噪音的有效性，為進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。