汽車進(jìn)氣系統(tǒng)轟鳴聲傳遞路徑分析

劉煥廣，楊晉

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 前言

隨著可變進(jìn)氣、進(jìn)氣增壓等發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷革新，進(jìn)氣系統(tǒng)帶來(lái)的NVH問(wèn)題也變得越來(lái)越復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要從控制進(jìn)氣系統(tǒng)（進(jìn)氣口、管道、增壓器等）輻射噪聲水平的角度來(lái)研究進(jìn)氣系統(tǒng)NVH問(wèn)題。龐劍等[1]從管道聲學(xué)理論出發(fā)概述了進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理和常見(jiàn)消聲器的設(shè)計(jì)方法；虞涵仁[2]以某越野車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲為研究對(duì)象，開(kāi)展了進(jìn)氣系統(tǒng)消聲裝置的聲學(xué)特性仿真與設(shè)計(jì)分析工作；劉恩等[3]在整車半消聲室NVH底盤測(cè)功機(jī)上研究了進(jìn)氣噪聲和車內(nèi)噪聲品質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。李桓等[4]通過(guò)靜態(tài)測(cè)試空濾器的消聲量、傳遞損失和在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)試進(jìn)氣口噪聲品質(zhì)，研究了空濾器總成的聲學(xué)特性。但是，行業(yè)內(nèi)仍缺少進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲結(jié)構(gòu)傳遞路徑的研究。

本文針對(duì)某轎車進(jìn)氣系統(tǒng)引起的車內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題，運(yùn)用傳遞路徑分析方法和“源－路徑－響應(yīng)”的分析思路，分別考察了空氣傳遞路徑和結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)，改進(jìn)方案經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可有效解決該轟鳴聲問(wèn)題。

2 問(wèn)題診斷

某轎車在加速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min附近時(shí)，車內(nèi)后排乘員位置能聽(tīng)到突兀的低頻聲，有壓迫耳膜的感覺(jué)，嚴(yán)重影響車內(nèi)聲學(xué)舒適性。測(cè)試3檔全油門加速工況下的噪聲數(shù)據(jù)如圖1所示，車內(nèi)噪聲曲線在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2130r/min時(shí)，出現(xiàn)明顯峰值，且為發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲貢獻(xiàn)，頻率為71Hz。

圖1 3檔全油門加速右后乘員右耳處噪聲

該車進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示：

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為了確定進(jìn)氣系統(tǒng)的影響，將空氣濾清器（簡(jiǎn)稱空濾器）和進(jìn)氣引管拆除，在進(jìn)氣軟管處增加軟管引出發(fā)動(dòng)機(jī)艙，并連接大寬頻消聲器，屏蔽進(jìn)氣系統(tǒng)的影響，如圖3、4所示，對(duì)比屏蔽前后的車內(nèi)噪聲如圖5所示。

圖4 增加大寬頻消聲器

圖5 屏蔽進(jìn)氣系統(tǒng)的影響

屏蔽后，轟鳴點(diǎn)2130r/min處車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)降低約5dB（A），2階噪聲下降了約8dB（A），主觀感受轟鳴聲消失，可見(jiàn)轟鳴聲來(lái)自進(jìn)氣系統(tǒng)。

3 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析方法的理論基礎(chǔ)[5]為：

式中，yk為各路徑合成的目標(biāo)k的噪聲；Fi為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i的傳遞力；Qj為空氣傳遞路徑j(luò)產(chǎn)生的體積加速度；Hik、Hjk分別為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i、空氣傳遞路徑j(luò)到目標(biāo)k的噪聲傳遞函數(shù)NTF（Noise Transfer Function）。

結(jié)合“源－路徑－響應(yīng)”分析思路，將進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲傳遞路徑梳理如圖6所示。

圖6 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲傳遞路徑分析

針對(duì)空氣傳遞路徑，改進(jìn)車身（包含聲學(xué)包裝）降低噪聲傳遞函數(shù)Hjk往往成本高、周期長(zhǎng)，因而往往通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)，降低其輻射噪聲水平，來(lái)達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的；赫姆霍茲消聲器是針對(duì)低頻率進(jìn)氣噪聲問(wèn)題的有效措施[1]。圖7是進(jìn)氣軟管增加71Hz赫姆霍茲消聲器前后的噪聲對(duì)比。

圖7 增加71Hz赫姆霍茲消聲器的效果

增加消聲器后，車內(nèi)轟鳴點(diǎn)2階噪聲降低近6dB（A），主觀感受不到轟鳴聲。

為了確定結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)，斷開(kāi)進(jìn)氣系統(tǒng)（空濾器）與車身的連接，對(duì)比車內(nèi)噪聲的變化如圖8所示。

斷開(kāi)連接點(diǎn)后，車內(nèi)噪聲2階峰值下降了約4dB（A），主觀感受轟鳴聲不明顯。

圖8 斷開(kāi)進(jìn)氣連接點(diǎn)車內(nèi)噪聲對(duì)比

如圖9所示，空濾器有3個(gè)連接點(diǎn)P1、P2和P3，分別通過(guò)橡膠軟墊連接到車身側(cè)支架。由式（1）可知，通過(guò)降低傳遞到車身側(cè)的力Fi和降低車身側(cè)連接點(diǎn)到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)Hik均可減小結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)。

圖9 空濾器連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)

將3個(gè)連接點(diǎn)處軟墊橡膠硬度降低，改善隔振，可減小傳遞力。

仿真計(jì)算空濾器3個(gè)車身側(cè)安裝點(diǎn)到車內(nèi)的NTF發(fā)現(xiàn)，P3點(diǎn)Z向NTF最大，且在70-80Hz范圍存在明顯峰值。P3點(diǎn)為蓄電池托盤為安裝空濾器延伸出的安裝點(diǎn)，如圖10所示為近似懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)加強(qiáng)后NTF顯著降低，70-80Hz范圍峰值降低約10dB，如圖11所示。

圖10 P3點(diǎn)車身側(cè)支架（蓄電池托盤）

為驗(yàn)證以上分析結(jié)果，橡膠軟墊硬度由50HA降低為40HA，制作P3點(diǎn)手工加強(qiáng)的支架如圖所示12（a），裝車測(cè)試車內(nèi)噪聲對(duì)比如圖13所示。

圖11 空濾器P3點(diǎn)支架加強(qiáng)NTF仿真

采用結(jié)構(gòu)路徑改進(jìn)方案后，2130r/min車內(nèi)2階噪聲降低近10dB（A），主觀感受轟鳴聲完全消除。

圖13 40HA軟墊+P3點(diǎn)支架加強(qiáng)方案驗(yàn)證

4 工業(yè)化方案分析

總結(jié)以上，解決該進(jìn)氣系統(tǒng)轟鳴聲問(wèn)題有兩條途徑：

1）改進(jìn)空氣傳遞路徑，增加71Hz赫姆霍茲消聲器；

2）改進(jìn)結(jié)構(gòu)傳遞路徑，采用40HA硬度橡膠軟墊和加強(qiáng)P3點(diǎn)后蓄電池托盤（如圖12（b）所示）。

增加赫姆霍茲消聲器，需要在進(jìn)氣引管附近留出空間約400mL（含布置間隙要求），周邊件的設(shè)計(jì)變更較多，且新增消聲器單件成本。

結(jié)構(gòu)路徑的改進(jìn)方案，橡膠軟墊硬度降低，結(jié)構(gòu)不變，只需調(diào)整橡膠硫化配方，無(wú)成本增加；蓄電池支架P3點(diǎn)加強(qiáng)，僅需加焊一小加強(qiáng)件， 不新增零部件，成本低。

對(duì)比看出，結(jié)構(gòu)路徑改進(jìn)方案優(yōu)勢(shì)明顯，最終工業(yè)化實(shí)施。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用傳遞路徑分析方法，結(jié)合“源－路徑－響應(yīng)”的分析思路，梳理了進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問(wèn)題的整車控制方法，通過(guò)測(cè)試和仿真手段，分析了某轎車進(jìn)氣轟鳴聲問(wèn)題空氣傳遞路徑和結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)，并分別制定改進(jìn)方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，均能有效解決該轟鳴聲問(wèn)題，也說(shuō)明了進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞路徑分析方法的正確性。

案例中重點(diǎn)討論了結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)和改進(jìn)對(duì)策：通過(guò)降低橡膠軟墊硬度，減小空濾器連接軟墊的傳遞力；加強(qiáng)車身側(cè)面安裝支架，降低安裝點(diǎn)到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，方案能有效解決該轟鳴聲問(wèn)題，且相比赫姆霍茲消聲器有明顯優(yōu)勢(shì)，為解決進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問(wèn)題提供了新的參考。