消聲元件在汽車進氣系統設計中的運用研究

勾喜建

摘 要：汽車是現代十分常見的交通工具，其給人們的生活帶來了巨大便利，但同時也造成了一些困擾，例如噪聲問題。汽車在運行當中，其進氣系統或其他機組的運行，必然會因為部件運動而出現一些聲響，這些聲響的分貝普遍不高，但在長時間影響下依舊會給駕駛者造成不良體驗，所以在現代汽車系統設計當中十分提倡消聲元件的運用。本文為了了解消聲元件在汽車進氣系統設計中的運用，將展開相關分析工作。

關鍵詞：消聲元件;汽車進氣系統設計;運用

1 引言

汽車進氣系統在運行過程當中會因為氣體流動而出現振動，而這些振動現象就會造成噪聲問題，那么在早期汽車進氣系統設計當中，因為受限于當時技術水平，許多設計人員并沒有考慮到噪聲的影響，使得此項問題一直延續到近代，但隨著科技水平的發展，為了更好的給駕駛者提供良好體驗，相關研究針對汽車進氣系統噪聲問題進行了分析，并提出了消聲元件的應用，理論上該元件可以有效降低噪聲。

2 汽車進氣系統結構與噪聲來源

系統結構分為三部分，即空濾進氣管、空氣濾清器、空濾出氣管，各部分功能見下文。

2.1 空濾進氣管

空濾進氣管是汽車進氣系統的最外部部分，其主要起到引進氣流的功能。在常規設計當中，關于空濾進氣管的設計要求，主要考慮到進氣速率、排除進氣阻礙因素，一般會要求空濾進氣管整體平直，且內側表面沒有雜物，同時會將空濾進氣管設置在安裝范圍的高處，但與汽車散熱器、發動機等具有高熱量設備較遠的位置，此舉主要是為了避免雨水進入空濾進氣管、避免溫度對空濾進氣管進氣效率的影響[1]。

2.2 空氣濾清器

空氣濾清器主要與汽車發動機的節氣門相互連接，當進氣完成之后，將會通過空氣濾清器對氣體進行過濾，以免雜物進入發動機，對于汽車行駛的安全性有一定的幫助。此外，在近代汽車噪聲消聲設計當中，許多設計單位會采用擴張式消聲器作為空氣濾清器的主要形式，從結果上來看，其具有良好表現[2]。

2.3 空濾出氣管

在空濾出氣管的設計要求當中，介于發動機運行時產生的高頻振動現象容易引起空氣濾清器位移的問題，一般空濾出氣管都會采用橡膠管材料、波紋結構來進行設計，通過材料與結構的特點來抵消振動力。

其次圍繞上述分析內容，汽車進氣系統的噪聲來源一般在于空濾進氣管、空濾出氣管兩個部分，即兩者在運行過程當中所產生的振動以及氣流流動都會造成聲響，而因為空濾進氣管、空濾出氣管并不像空氣濾清器一樣具有消聲功能，所以會出現噪聲，因此在后續設計當中，本文將著重對空濾進氣管、空濾出氣管消聲元件設計進行分析。

3 汽車進氣系統常見消聲元件以及聲學原理

在現代技術背景下，通過相關開發工作已經得出了很多可以用于汽車進氣系統消聲的元件，例如赫爾姆茲消音器、四分之一波長管，本文為了充分確認具體效果，將對赫爾姆茲消音器、四分之一波長管的聲學原理進行分析。

3.1 赫爾姆茲消音器聲學原理

結合相關分析得知，在赫爾姆茲消音器條件下，如果聲波進入到其消聲容器當中，其會將所有聲波中與噪聲頻率不符的聲波反射出去，而部分與噪聲頻率相符的聲波將會被保留再容器內部進行振動消能作用，此時就完成了消聲。此外，結合早期對赫爾姆茲消音器的研究理論得知，此類消聲器針對的噪聲頻率一般為底頻，通過共振原理來實現消聲（赫爾姆茲消音器共振頻率表達式見公式（1）），同時其消聲過程當中還存在傳遞損失問題（赫爾姆茲消音器傳遞損失計算方法見公式（2）），這兩項條件將決定赫爾姆茲消音器的消聲能效。

上述兩個公式當中V代表消聲容器容積;f代表共振頻率;lc代表連接管長度;Sc代表連接管截面積;Sm代表主管截面積;c代表實際聲速。那么通過兩個公式說明，在赫爾姆茲消音器的設計應用當中，需要重點控制V消聲容器容積、lc連接管長度、Sc連接管截面積、Sm主管截面積四個部分，否則會導致赫爾姆茲消音器能效下降。

3.2 四分之一波長管聲學原理

針對四分之一波長管，首先結合相關理論得知，其一端主要安裝于汽車進氣系統的主管道上，另一端則封閉，所以該管道是一個具有良好密封性的管道，在應用當中當聲波通過主管道進入密封管道內，會與封閉端接觸形成聲波反射，反射后聲波會沿著相反方向回到主管道，此時介于主管道中的聲波與反射聲波之間頻率相同，接觸后就會相互抵消，即實現了消聲目的。公式（3）為四分之一波長管的共振頻率表達式;公式（4）為四分之一波長管的傳遞損失。

上述兩個公式當中L代表波長管的長度;m代表波長管截面積與主管截面積之比;n代表1、2、3等整數。那么在公式（3）計算當中可見，四分之一波長管的頻率只與管長度有關，即管道長度越大，頻率越低;在公式（4）計算當中可見，四分之一波長管傳遞損失參數與管長度、波長管截面積與主管截面積之比相關。

4 汽車進氣系統消聲元件設計

4.1 設計基礎

為了了解消聲元件對汽車進氣系統噪聲的消聲能效，本文將進行相關的設計工作，但為了確保設計工作實踐性，將選擇常規車型作為設計基礎。本文所選車型在加速噪聲測試當中顯示，其進氣系統的4階、6階是主要噪聲來源，并對汽車的NVH性能造成了影響，所以有必要進行消聲設計。

4.2 設計條件以及設計結果

介于赫爾姆茲消音器、四分之一波長管在消聲性能上的不同表現，在設計工作當中不能隨意將兩類消聲元件安置，需要針對噪聲實際條件來進行確認。測試結果顯示，當汽車發動機轉速達3300時，4階噪聲峰值頻率達到了220赫斯、6階噪聲峰值頻率達到了330赫斯，所以在設計工作當中，赫爾姆茲消音器、四分之一波長管必須具備消除220赫斯、330赫斯的能效，那么圍繞兩者能效差距，針對4階噪聲主要采用赫爾姆茲消音器、針對6階噪聲主要采用四分之一波長管來進行設計。

同時為了確保消聲元件的能效不受干擾，本文參考相關理論了解到消聲元件設計的基本要求，即空氣流動要求、溫度要求。空氣流動要求方面，因為空氣與聲波會同時進入消聲元件當中，那么在空氣的介入的條件下，會因為阻力而導致元件內部的氣流體壓力上漲，此時當元件局部氣流體壓力與周邊壓力存在較大誤差時，不但無法保障消聲效果，還會制造較大的噪聲，所以在設計當中本文充分考慮了空氣流通體積，對元件管道口徑進行了調整，以規避了此類問題;溫度要求方面，因為汽車運行過程當中其其他組件容易出現高溫現象，那么在高溫影響下可能會導致消聲元件受到溫度腐蝕，相應無法保障元件能效，同時介于機械振動與氣流的碰撞，也行形成相應噪聲，所以在本文設計當中，盡可能的將消聲元件設置在遠離高溫的位置上[3]。

4.3 測試

針對本文設計系統進行了相關測試工作，首先對赫姆霍茲消音器噪聲測試，測試結果見圖1，其次對四分之一波長管進行測試。綜合結果顯示，本文赫姆霍茲消音器可以將原105分貝噪聲降低至92分貝;四分之一波長管可以將原107分貝噪聲降低至93分貝，說明本文設計系統有效。

5 結語

本文主要對消聲元件在汽車進氣系統設計中的運用進行了分析，通過分析得到結論：早期汽車進氣系統存在噪聲問題，其噪聲源來自于空濾進氣管、空濾出氣管;針對空濾進氣管、空濾出氣管，本文采用赫姆霍茲消音器、四分之一波長管元件進行了設計工作，并對設計結果進行了測試，結果顯示有效。

參考文獻：

[1]岳貴平，盧炳武，劉英杰，et al.發動機進氣系統聲學性能優化設計技術研究[J].汽車技術，2014（2）：1-4.

[2]郭凱，李世偉，楊洋，et al.發動機進氣系統聲學優化設計[J].上海汽車，2015（7）：24-28.

[3]李志遠，劉濤，劉淑軍.渦輪增壓發動機泄壓噪聲的進氣系統優化設計[J].上海汽車，2015（8）：14-17.