某車(chē)型進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究

白子琦，李光武，周維

某車(chē)型進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究

白子琦，李光武，周維

（華晨汽車(chē)工程研究院 動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車(chē)行駛過(guò)程中主要噪聲源之一，進(jìn)氣噪聲通過(guò)進(jìn)氣口輻射至駕駛室及周?chē)h(huán)境，容易影響駕乘舒適性和造成噪聲污染。文章著重分析了某增壓車(chē)型進(jìn)氣口噪聲的來(lái)源及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的消聲元件優(yōu)化其噪聲性能，并通過(guò)Virtual.Lab聲學(xué)仿真和實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。該結(jié)論為增壓機(jī)型進(jìn)氣口噪聲性能優(yōu)化提供了一定的指導(dǎo)。

進(jìn)氣口噪聲；消聲元件；NVH測(cè)試；聲學(xué)仿真

前言

進(jìn)氣系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒提供純凈的空氣，與增壓器直接相連，容易受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、增壓器氣流的影響產(chǎn)生進(jìn)氣口噪聲。進(jìn)氣口噪聲通過(guò)進(jìn)氣口輻射至駕駛室及周?chē)h(huán)境，影響駕乘人員的駕乘體驗(yàn)。在進(jìn)氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段，需要在設(shè)計(jì)上使噪聲性能滿足整車(chē)目標(biāo)，以提高汽車(chē)的駕乘舒適性。

本文基于某增壓車(chē)型進(jìn)氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，針對(duì)其進(jìn)氣口噪聲性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文著重分析了進(jìn)氣口噪聲來(lái)源及特性；通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)相應(yīng)噪聲頻率的消聲元件形成優(yōu)化方案；并通過(guò)仿真與實(shí)車(chē)NVH測(cè)試驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，為該車(chē)型進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲性能設(shè)計(jì)提供了有效的參考建議。

1 進(jìn)氣口噪聲特性分析

1.1 進(jìn)氣口噪聲來(lái)源

本文研究的車(chē)型為乘用SUV，其發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6T，功率為150 kW，屬于大排量高功率發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配的進(jìn)氣系統(tǒng)如圖1、圖2所示。增壓機(jī)型[1]進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲除了來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)氣系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，還有來(lái)自增壓器的氣動(dòng)噪聲。

發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲與其工作頻率有關(guān)，四缸汽油機(jī)的工作頻率一般在0 Hz～200 Hz范圍內(nèi)。進(jìn)氣系統(tǒng)的振動(dòng)主要來(lái)自于氣流與管壁的摩擦，摩擦產(chǎn)生管路振動(dòng)形成噪聲；而增壓器的氣動(dòng)噪聲[2]則與其工況有關(guān)，一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，油門(mén)瞬間加速/減速的工況，發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)增壓器的低進(jìn)氣量，此時(shí)升高壓比會(huì)使增壓器的工作曲線接近喘振線，容易在增壓器進(jìn)口產(chǎn)生壓力波動(dòng)，形成氣動(dòng)噪聲。

圖1 初始方案進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 增壓器工作曲線

1.2 進(jìn)氣口噪聲特性

在NVH半消聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行噪聲測(cè)試，采用3G WOT工況，測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)氣口100 mm，45°方向，測(cè)試進(jìn)氣口噪聲，圖3為該車(chē)型匹配初始方案的噪聲測(cè)試結(jié)果。

圖3 噪聲瀑布圖及各階次噪聲曲線

從噪聲瀑布圖中可以看出，增壓器寬頻噪聲集中發(fā)生在低轉(zhuǎn)速的區(qū)域，并且間斷分布于所有頻段上，分別在800 Hz～2 200 Hz、2 500 Hz～3 500 Hz、3 700 Hz～4 700 Hz頻帶表現(xiàn)明顯。低頻噪聲在200 Hz～800 Hz表現(xiàn)明顯。從階次曲線上看，進(jìn)氣口噪聲在1 500 rpm～2 000 rpm的位置，超標(biāo)近10 dB；4、6、8階次噪聲也均在不同轉(zhuǎn)速位置超越目標(biāo)線，整體不滿足進(jìn)氣NVH性能要求。

2 進(jìn)氣口噪聲優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及仿真

2.1 消聲器工作原理

進(jìn)氣管路消聲器[3]分為阻性消聲器和抗性消聲器。市場(chǎng)上阻性吸音材料的價(jià)格較為昂貴，考慮到工程成本，一般選用抗性消聲原件。抗性消聲器常用的有1/4波長(zhǎng)管、赫爾姆茲消聲器、寬頻消聲器。

評(píng)價(jià)消聲器消聲性能的參數(shù)是傳遞損失（Transmission Loss）。傳遞損失表示聲音經(jīng)過(guò)消聲元件后聲音能量的衰減，通常情況下傳遞損失值越大，消聲器效果越好。不同種類的消聲器傳遞損失計(jì)算方法也不同。其中，1/4波長(zhǎng)管的傳遞損失與波長(zhǎng)管長(zhǎng)度（）有關(guān)，其傳遞損失可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：為聲波波長(zhǎng)。

對(duì)應(yīng)中心頻率為：

式中：為聲波波速，340 m/s。

赫爾姆茲消聲器的消聲性能與其腔體容積（）相關(guān)，其傳遞損失可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：S、l為連接管路的尺寸。

對(duì)應(yīng)中心頻率為：

寬頻消聲器的原理是使聲波從消聲器的中心管壁上的開(kāi)孔擴(kuò)散至擴(kuò)張腔體內(nèi)，在擴(kuò)張腔體內(nèi)反射，削減傳遞聲能。其消聲原理類似于赫爾姆茲消聲器，常用于消除來(lái)自增壓器的寬頻氣流噪聲。

2.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

針對(duì)噪聲測(cè)試結(jié)果，在初始方案的基礎(chǔ)上，在空濾進(jìn)氣管路及進(jìn)氣口附近設(shè)計(jì)消聲器，形成優(yōu)化方案，優(yōu)化后的進(jìn)氣管路結(jié)構(gòu)及理論計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.3 優(yōu)化方案仿真分析

為了初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和有效性，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維傳遞損失仿真分析。分別建立初始方案和優(yōu)化方案的進(jìn)氣系統(tǒng)有限元模型，如圖4所示。求解器使用商業(yè)軟件Virtual. Lab acoustic，在求解器里設(shè)置邊界條件，其中，聲學(xué)入口采用聲壓入口（acoustic pressure），出口采用全吸聲屬性Auto- matically Matched Layer。

表1 優(yōu)化方案消聲器結(jié)構(gòu)與中心頻率

類型消聲器結(jié)構(gòu)編號(hào)中心頻率/Hz 寬頻消聲器13 300～4 290 22 000～2 500 3750～950 1/4波長(zhǎng)管41 320 51 100 61 680 71 485 81 230 赫爾姆茲消聲器9595 101 040

圖4 有限元模型

對(duì)有限元模型進(jìn)行仿真分析，初始方案及優(yōu)化方案?jìng)鬟f損失曲線如圖5所示。可以看出，優(yōu)化方案的傳遞損失提升的頻率段可以覆蓋大部分頻譜圖上噪聲性能差的位置。

圖5 傳遞損失優(yōu)化及對(duì)應(yīng)頻譜圖

3 進(jìn)氣口噪聲優(yōu)化方案實(shí)車(chē)驗(yàn)證

將優(yōu)化方案樣件搭載在同一車(chē)型上，用相同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)氣口噪聲測(cè)試。圖6為初始方案、優(yōu)化方案進(jìn)氣口噪聲瀑布圖對(duì)比，可以看出，在優(yōu)化方案中，位于低轉(zhuǎn)速的寬頻噪聲消除效果明顯，主要體現(xiàn)在800 Hz～2 200 Hz、2 600 Hz～3 600 Hz、3 700 Hz～4 700 Hz等中高頻段，說(shuō)明針對(duì)中高頻帶的波長(zhǎng)管組和寬頻消聲器對(duì)增壓器的氣流噪聲具有一定遏制效果；來(lái)自全轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)低頻噪聲也有一定的削減。消聲器的消聲頻段也與傳遞損失仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)。從階次曲線上看，優(yōu)化方案全階噪聲低于目標(biāo)線，各階次曲線也基本滿足目標(biāo)。

圖6 優(yōu)化方案頻譜圖

圖7 初始方案、優(yōu)化方案階次曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文基于某車(chē)型進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)化進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。進(jìn)氣口噪聲來(lái)源于增壓器氣流擾動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件的振動(dòng)。通過(guò)理論計(jì)算與仿真的方法設(shè)計(jì)消聲器，從實(shí)車(chē)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，所設(shè)計(jì)的消聲元件對(duì)進(jìn)氣口噪聲遏制效果明顯，實(shí)車(chē)驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果相符合。為后續(xù)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)化、消聲器的開(kāi)發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

[1] 劉培培,程源,盧生林.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器Hiss噪聲分析與改進(jìn)[J].汽車(chē)工程師,2017(10):44-46.

[2] 王博洋,張治國(guó),趙世來(lái),等.基于降低增壓器HISS噪聲的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化方案研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2018(24):97-99.

[3] 龐劍,諶剛,何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2008:216-235.

Optimization and Experimental Analysis of Air Intake System Noise Performance

BAI Ziqi, LI Guangwu, ZHOU Wei

（Brilliance Auto R&D Center, Powertrain Integrated Technology Section, Liaoning Shenyang 110141）

Air intake noise is one of the main noise sources in the process of vehicle driving. Air intake noise radiates to cab and surrounding environment through air inlet, easily affecting driving comfort and causing noise pollution. This paper focuses on the analysis of source and characteristics of air intake noise, design corresponding silencer to optimize its acoustic performance, verify the rationality of the optimization through Virtual.Lab acoustic simulation and Harshness (NVH) test. The conclusion provides some guidance for optimizing air intake noise performance of turbocharged models.

Air intake noise; Silencer; NVH test; Acoustic simulation

U462.1

A

1671-7988(2021)23-62-03

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1671-7988(2021)23-62-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.017

白子琦，碩士，進(jìn)氣系統(tǒng)工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，研究方向：進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲。