車內某高頻噪聲的分析和優化控制

石教華 趙 江 王 毅 尤勇利 金江恒

(1 江鈴汽車股份有限公司 江西省汽車噪聲與振動重點實驗室 南昌 330052)

(2 浙江銀輪機械股份有限公司 臺州 317200)

0 引言

隨著中國汽車工業的快速發展和人們生活水平的提高，顧客對車輛舒適性的要求越來越高。NVH(Noise，Vibration，Harshness)作為汽車品質和舒適性的重要內容，極易被顧客感知。因此，各大車企將優秀的NVH水平作為當前的主要競爭力之一，且這種趨勢已經開始向商用車延伸。楊誠等[1]將傳遞路徑分析和增量分析法應用于某車內“嗚嗚”聲問題，成功地找出噪聲源并優化了該噪聲問題。楊文英等[2]提出“聲振摸底→確認異響來自哪個系統→聲強測試分析→結構優化”的噪聲分析流程，并將其應用到由軸系扭振導致的噪聲問題。韓昌等[3]通過對比實驗研究的方法，發現某車用波紋管產生異響的原因是波紋管與編織網之間相互碰撞，并將編織網改成漁網后有效消除了該異響。周華程等[4]分析了廢氣再循環(Exhaust gas recirculation,EGR)系統的噪聲來源，并研究了增加金屬網等消聲件以及優化布置對EGR系統噪聲的影響。陳正翔等[5]研究了彈性波紋管結構振動波的傳播，提供了一種降噪預報的理論方法。田亞莉[6]利用計算機輔助工程(Computer aided engineering,CAE)技術，提出了一種以各階模態頻率為目標函數，對進氣系統波紋管進行結構化優化的設計方法。謝溪凌等[7]研究了一種波紋管黏滯流體隔振器的特性。劉永剛等[8]通過理論分析、數值模擬和實驗的方法，研究了含夾層阻尼的多層金屬波紋管的力學性能，為其設計提供了理論依據。

以往學者大多集中在對波紋管結構本身性能的研究和優化，對波紋管內部介質流場的研究很少。本文針對某皮卡車型在急加速時出現的高頻噪聲，基于“確認問題頻率→鎖定噪聲源→機理研究及CAE分析優化→實驗驗證”分析流程，快速準確地鎖定該高頻噪聲來自EGR冷卻器波紋管。通過理論分析和計算流體動力學(Computational fluid dynamics,CFD)仿真技術，研究了該EGR冷卻器波紋管處介質流場情況，流場的不均勻性和大渦流是輻射高頻噪聲的主要原因。對波紋管進行優化設計，大渦流情況得到顯著改善，優化樣件進行整車實驗驗證，達到了預期的效果。

1 汽車噪聲問題的分析流程

汽車系統非常復雜，任何零部件均可能導致噪聲問題，一套行之有效的噪聲分析流程可以極大地提高問題解決效率。汽車噪聲問題分析流程一般如下：

(1)開展聲振測試獲得車內或者車外聲學數據；

(2)通過聲學濾波互動技術確認噪聲問題的主要頻率；

(3)采用噪聲源識別技術鎖定噪聲來源；

(4)結合CAE技術研究噪聲機理并提出優化方案；

(5)優化方案實驗驗證。

步驟(3)中，NVH工作者可以充分利用已有經驗，對問題做初步的判斷，從而縮小排查范圍，這對提高解決問題的效率有很好的幫助。

2 噪聲源的排查分析

2.1 確認問題噪聲頻率

采用美國PCB公司生產制造的傳聲器和加速度計，以及LMS振動噪聲測試分析系統對車內問題噪聲初步開展簡單道路實驗，測試時將傳聲器布置在駕駛員右耳處，車內噪聲情況見圖1。由圖1可知，車內在9000～14000 Hz頻率處存在明顯噪聲。通過聲學濾波互動技術，設置帶阻濾波器，上下截止頻率分別為9000 Hz、14000 Hz，并邀請10余位經驗豐富的NVH工作者試聽，均表示濾波后車內噪聲良好、可接受，可以確定抱怨的噪聲正是9000～14000 Hz頻段的噪聲。

圖1 急加油門時車內噪聲圖Fig.1 Noise map in cab during wide open throttle

2.2 近場聲學測試分析

近場聲學測試分析法是將聲學傳感器盡可能地靠近被測零部件的表面，以減小非被測零部件的噪聲影響，用測試結果中所關注的頻率范圍的聲壓級大小來確定噪聲的主要來源。雖然近場聲學測試分析法不適用于混響嚴重的場所，且無法避免鄰近零部件的影響，但其具有測試操作簡單，對測試環境、測試儀器和設備要求低等優點，在實際中仍被大量使用。

該高頻噪聲在急加油門后出現，在同等車速下帶檔滑行不出現，可以初步排除風噪的可能，疑似高壓氣體流通零部件輻射噪聲。該皮卡車搭載的是3.0 L直列4缸渦輪增壓柴油機，增壓系統、EGR系統以及排氣系統均存在高壓氣流。因此，在增壓器、排氣系統、EGR閥和EGR冷卻器波紋管近場布置聲學傳感器，進行詳細道路測試。各測點近場噪聲情況見圖2。由圖2可知，幾個測點均存在該頻段噪聲，其中EGR冷卻器波紋管處該頻段噪聲最為明顯。對比車內高頻噪聲最明顯時刻各測點9000～14000 Hz頻段噪聲聲壓級大小，依次為82.4 dB(A)、79.8 dB(A)、89.5 dB(A)、96.1 dB(A)(見表1)。EGR波紋管處所關心頻段的聲壓級最大，其次是增壓器。

圖2 各測點近場噪聲圖Fig.2 Near field noise map of each test point

表1 各測點9000～14000 Hz頻段噪聲聲壓級Table 1 Sound pressure level between 9000 to 14000 Hz of each test point

2.3 聲振頻譜分析

汽車包含眾多噪聲源，其整體噪聲是由各零部件所產生的噪聲在捕捉處的空間矢量疊加。假如整體噪聲在某一峰值頻率和某一零部件振動的峰值頻率相對應，且該零件對應頻率振動能量明顯大于其他零件，那么可以認為該零部件是該頻段的噪聲的主要來源[9]。依次在增壓器殼體和EGR冷卻器波紋管兩零部件上布置高溫振動傳感器，在車內布置聲學傳感器進行道路測試。增壓器和EGR冷卻器波紋管振動信號見圖3和圖4。對比分析圖3和圖4可知，增壓器在該頻段的振動能量不大，且和車內噪聲不對應；EGR冷卻器波紋管振動在該頻段能量非常大，且和車內噪聲完全吻合，基本可以確定高頻噪聲主要來源于EGR冷卻器。

為了進一步驗證EGR冷卻器是該高頻噪聲的來源，通過修改電子控制單元標定數據將EGR閥強制永久關閉，使EGR冷卻器中無氣體流通，其他地方保持不變。此時車內高頻噪聲消失，高頻噪聲來源于EGR冷卻器得到進一步驗證。

圖3 車內噪聲和增壓器振動Fig.3 Cab noise and turbo-changer vibration

圖4 車內噪聲和EGR冷卻器波紋管振動Fig.4 Cab noise and bellows of EGR vibration

3 機理研究和分析優化

3.1 機理分析

分析該EGR冷卻器的整體設計，可以看到冷卻器入口存在較大角度的轉彎，高溫高壓的廢氣在入口處急轉彎，加上凹凸不平的波紋管內壁，介質流場在該區間分布可能很不均勻，易形成渦流，從而產生高頻噪聲。緊接波紋管的是蜂窩管狀熱交換器，蜂窩管四周充滿冷卻液，該段為直線形狀，一般不會產生噪聲問題。借助CFD數值仿真進行分析，建立CFD分析模型如圖5(a)所示。通過實驗測得分析所需的參數 (見表2)。仿真分析結果顯示在波紋管進氣口及其下游的進氣室流場均勻性很差，且呈現明顯大渦流，波紋管和波紋管下游進氣室整體聲壓級偏高。

表2 CFD分析邊界參數Table 2 Boundary parameters for CFD analysis

圖5 CFD分析模型Fig.5 CFD model

圖6 優化前后對比Fig.6 CFD results before and after optimization

3.2 CFD分析優化

通過加長波紋管進氣口上游進氣管直段長度，調整波紋管波高、波距等設計，以及增加導流板等方式進行優化，優化后CFD分析模型見圖5(b)，其他分析參數保持不變。結果顯示波紋管進氣口和進氣室的大渦流現象得到顯著改善，波紋管處氣流速度和聲壓級均有明顯降低，優化效果明顯(見圖6)。

4 整車實驗驗證

按照上述優化方案制作樣件，進行整車驗證，驗證包含主觀駕評和客觀測試兩部分。主觀駕評邀請專業駕評團隊參與，駕評人員一致認為抱怨高頻噪聲消失，效果良好。客觀測試結果顯示該高頻噪聲基本消失，得到明顯改善，如圖7所示。

圖7 優化前后車內噪聲對比Fig.7 Cab noise before and after optimization

5 結論

本文針對某車型急加速車內出現的高頻噪聲問題，依照“確認問題頻率→鎖定噪聲源→機理研究及CAE分析優化→實驗驗證”的分析流程，通過聲學濾波互動技術確認該高頻噪聲能量主要集中在9000～14000 Hz。采用近場聲學測試分析法、聲振頻譜分析法等噪聲源識別技術快速鎖定EGR冷卻器為噪聲源。基于理論分析和CFD仿真技術研究波紋管處流場和噪聲情況，確認波紋管進氣口呈現明顯大渦流，對噪聲很不利。通過對波紋管進行設計優化，CFD分析結果顯示該現象得到了有效的優化。優化樣件通過整車實驗驗證，效果良好。