某MPV排氣系統對車內轟鳴聲貢獻度驗證及優化

堯瀟雪，曾憲民，韋土珍，盧 寧

（1.佛吉亞（柳州）排氣控制技術有限公司，廣西 柳州545000；2.柳州五菱汽車工業技術有限公司，廣西 柳州545000）

0 引言

汽車駕駛艙封閉時構成一個完整的密閉腔體，腔體中的空氣作為彈性體會形成許多振動模態和聲腔模態，當外界具有一定能量及頻率的聲波傳入后，激勵該腔體發生共振，會產生轟鳴聲。轟鳴聲是中低頻噪聲的一種，具有較大能量，形成的壓力脈動會對駕乘人員耳膜產生強烈壓迫感，長時間后可能引起頭痛、惡心、焦躁不安等不良反應，因此轟鳴聲會較大程度降低汽車的駕乘感受體驗。能引起駕駛艙內轟鳴聲的主要激勵源除排氣系統外，還包括發動機、傳動軸系及不規則路面激勵等[1]，因此在排氣系統開發過程中若出現轟鳴聲問題，首先需要分析驗證排氣系統對其貢獻程度，通過試驗確認引起問題的頻率，再針對該頻率設計優化方案。本文將以某MPV車內轟鳴聲為案例，對如何開展排氣系統對車內轟鳴聲貢獻度驗證及優化方案設計進行闡述。

1 問題描述

某MPV排氣系統設計開發過程中，主觀評價時發現三檔全油門加速工況發動機轉速在1 200 r/min、1 600 r/min附近時，車內后排座位區域存在明顯轟鳴聲并壓迫耳膜。開發小組通過道路試驗采集原方案三檔全油門加速工況車內后排座位噪聲及排氣系統尾管輻射噪聲，測試結果見圖1和圖2（下文統稱為第一輪測試）。

從圖1車內后排座位噪聲結果可見發動機轉速在1 230 r/min、1 600 r/min時，Overall曲線存在明顯峰值最大差值約8dB（A），結合階次切片及彩圖等數據分析，確認其主要貢獻來源于二階，對應頻率為41 Hz及53.3 Hz，此頻率聲波易給人耳帶來轟鳴聲的主觀感受[2]，測試結果與主觀評價結果相符。從圖2原方案尾管輻射噪聲測試結果看，在發動機轉速為1 230 r/min時二階不存在明顯波峰，但發動機轉速為1 600 r/min時存在差值約為2.5 dB（A）較緩波峰且聲壓級較高，但不足以判斷其對車內轟鳴聲貢獻度，因此需要進一步試驗驗證。

圖1 原方案3-WOT車內后排座位噪聲

圖2 原方案3-WOT尾管輻射噪聲

2 排氣系統貢獻度驗證

在汽車NVH問題分析研究中，常將汽車簡化為“激勵源→傳遞路徑→響應點”的噪聲振動基本物理模型[3]。因此本次排氣系統對車內轟鳴聲貢獻度驗證將從激勵源及傳遞路徑兩個方向入手，首先考慮優化該問題傳遞路徑特性，以達到在傳遞過程中衰減到達響應點能量的目的，再者是降低激勵源的輻射能量，并分別比較響應點聲壓級變化。

2.1 傳遞路徑驗證

排氣系統噪聲傳遞到車內需要經過車身，本次在車廂尾部（主要是后排座椅周圍）鋪裝消音棉、粘貼阻尼板，以增強車身對排氣系統輻射噪聲的隔音效果，通過道路試驗采集該狀態下3檔全油門加速工況車內后排座位噪聲，測試對比結果見圖3（下文統稱為第二輪測試）。

圖3 傳遞路徑優化前后3-WOT車內后排座位噪聲

將第一輪、第二輪車內后排座位測試數據做對比，可見對車內進行隔音優化后，發動機轉速在1 230 r/min附近時車內后排總聲壓值變化不明顯，發動機轉速在1 600 r/min附近時車內后排總聲壓值降低約2 dB（A）。對隔音優化前后車輛進行主觀評價：發動機轉速在1 200 r/min附近時轟鳴聲及壓耳膜感受變化不明顯，發動機轉速在1 600 r/min附近時轟鳴聲及壓耳膜感受有明顯改善，與測試結果較吻合。

綜合測試及主觀評價結果，初步判斷發動機轉速在1 600 r/min附近時排氣系統輻射噪聲對車內后排位置轟鳴聲有一定貢獻度，但發動機轉速在1 230 r/min附近時車內后排轟鳴聲的激勵源更大可能性在車輛前部，但無法完全排除排氣系統影響，需進一步驗證。

2.2 激勵源驗證

在排氣系統尾管出口處增加安裝絕對消聲器，提高排氣系統消聲能力，以降低尾管輻射噪聲的能量（下文統稱為第三輪測試）。為驗證該排氣系統加裝絕對消聲器后尾管輻射噪聲的二階能量降低程度是否滿足試驗要求，分別在原尾管出口位置及絕對消聲器出氣口位置安裝麥克風，并測試其3擋全油門加速工況噪聲輻射情況，測試對比結果見圖4。對圖4所示測試數據分析可知加裝絕對消聲器后，發動機轉速在1 230 r/min和1 600 r/min時，原尾管出口位置麥克風測到的二階聲壓級約為51 dB（A）和55 dB（A），較未加裝絕對消聲器降低約 18 dB（A）和20 dB（A），絕對消聲器出口位置麥克風測到二階聲壓級約為56 dB（A）和58 dB（A），較未加裝絕對消聲器降低約13 dB（A）和17 dB（A）。由此可見絕對消聲器消聲效果明顯，加裝絕對消聲器達到降低輻射能量目的。

圖4 消聲器前后3-WOT尾管輻射噪聲

在車內后排座位布置麥克風，進行道路試驗采集3擋全油門加速工況車內噪聲情況。將三輪測試得到的車內數據做對比分析（車內后排座位OA值對比見圖5）。由測試結果可知：發動機轉速在1 230 r/min附近時三輪測試得到的聲壓級均無明顯差異；發動機轉速在1 600 r/min附近時，加裝絕對消聲器后波峰消失。對加裝絕對消聲器的試驗車進行主觀評價，發現發動機轉速在1 200 r/min附近后排座位轟鳴聲情況無明顯變化，發動機轉速在1 600 r/min附近轟鳴聲消失，這與測試結果相吻合。

圖5 三輪測試3-WOT車內后排座位噪聲

綜合三次試驗結果分析，可得出結論：排氣系統輻射噪聲對發動機轉速在1 230 r/min附近時車內的轟鳴聲幾乎沒有貢獻，主要激勵源有可能在車輛前部，優化排氣系統方案對解決該問題意義不大；排氣系統輻射噪聲是發動機轉速在1 600 r/min附近時時車內轟鳴聲主要激勵源，具有很大貢獻度，需要進一步優化方案，消除該轟鳴聲。

3 優化方案設計及效果驗證

由以上三輪試驗可以確定發動機轉速在1 600 r/min附近時車內的轟鳴聲由排氣尾管輻射噪聲激勵引起，其對應頻率為53.3 Hz。通過GT-POWER仿真分析可知該排氣系統前后消在該頻率段附近消聲量較小，需進一步開展方案優化設計。由于前消容積僅有3 L，消除低頻噪聲能力有限，優先通過優化后消結構實現降噪。分析排氣系統原方案壓降情況，系統壓降與目標值之間仍有5 kPa富余，結合制造工藝及成本考慮通過調整后消隔板及內部管路的開孔數量、大小及位置來增加后消筒體在53.3 Hz附近消聲量。新方案仿真結果顯示在53.3 Hz附近消聲量增加約7 dB（A），并制作樣件進行道路測試驗證（下文統稱為第四輪試驗）。

將新方案三檔全油門加速工況車內噪聲結果與第一輪測試結果進行對比，結果對比見圖6。發動機轉速在1 600 r/min附近時車內OA值下降約2.5 dB（A），波峰削減，聲壓級上升平緩。該方案主觀感受也得到優化，原發動機轉速在1 600 r/min時車內后排座位的轟鳴聲消失。綜上，可判斷優化方案達到預期效果。

圖6 原方案、新方案3-WOT車內后排座位噪聲

4 結束語

通過本文案例，為驗證排氣系統對汽車噪聲問題貢獻度分析提供一種思路方法，即從汽車噪聲振動的物理模型入手，改變激勵源及傳遞路徑，以確認排氣系統對相應問題的貢獻度。

在消聲容積等條件不變的情況下，排氣系統背壓與低頻段消聲效果是互相權衡制約的設計過程，可適當犧牲排氣系統背壓提升低頻段消聲量。