某商用車進氣噪聲問題分析及改善

梁光輝，施朝坤，覃 晟

（1.廣西壯族自治區汽車拖拉機研究所有限公司，廣西 柳州 545006；2.東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西 柳州 545000）

目前，隨著國家環境噪聲法規的越來越嚴格及汽車市場持續快速發展，汽車噪聲性能逐步被客戶關注。商用車進氣結構一般都是布置在駕駛室后面，距離駕駛艙很近，對駕駛舒適性有重要的影響。經研究表明，進氣噪聲有時比內燃機本體噪聲高5～10 dB（A），不僅對車外噪聲有重要影響，而且在汽車低轉速運行時對車內噪聲也有很大程度的影響[1]。因此，對進氣噪聲進行研究及控制具有重要意義。

本文以某商用車進氣噪聲“咚咚聲”問題為例，對商用車進氣噪聲產生的機理及控制的策略進行研究，運用整車道路噪聲試驗和頻頻分析手段，確定進氣“咚咚聲”根本原因，然后結合CAE仿真分析技術，制訂優化方案，通過驗證有效解決了該進氣噪聲問題，從而為改善進氣系統噪聲提供了一種可借鑒的工程實用方法。

1 商用車進氣噪聲產生機理

1.1 進氣噪聲產生原理

進氣噪聲為傳統內燃機空氣動力性噪聲，一般來說，進氣噪聲隨著發動機轉速的增加而變大，同時與發動機負荷有一定相關性。隨著發動機轉速增加或負荷率增大，進入進氣系統的空氣量加大，進氣系統管道的渦流強度、壓力脈動及噪聲頻率也隨著增大，一般表現為周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲和氣柱共振噪聲等。

針對商用車比較常見的壓力脈動產生的噪聲，其特點是存在明顯的階次特性和周期性。周期性壓力脈動噪聲是指在內燃機工作時，由于進氣門周期性的打開與關閉，引起進氣系統管道中的速度波動和空氣壓力變化產生的噪聲。當進氣門打開時，進氣系統管道中產生壓力脈沖，由于有空氣阻尼的存在，壓力脈沖會隨著發動機活塞的下行而消失。當進氣門關閉時，進氣系統管道中也會產生一個壓力脈沖，由于有空氣阻尼影響，壓力脈沖也會很快消失，因此在內燃機一個缸的工作循環過程中，產生2個壓力脈沖，隨著進氣門的周期性的打開與關閉，就會產生周期性的壓力脈動噪聲[2]。根據周期性壓力脈動噪聲的產生原理，其噪聲頻率f0可以通過公式（1）表示：

1.2 商用車進氣噪聲優化策略

針對已開發量產車型，解決進氣噪聲一般采用增加消聲器來實現，消聲器的種類有很多種形式。根據消聲器消聲原理，一般分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合消聲器[3]，實際應用時需要根據這些進氣噪聲的聲音特性來選擇合適的消聲器，總結如下。

（1）抗性消聲器利用管道截面的突變導致通道內聲阻抗產生突變，當聲波頻率與諧振腔固有頻率接近時，將引起聲腔共振，聲能消耗，從而實現消聲效果；其優點是具有良好的低頻消聲性能，缺點是消聲頻帶較窄，適用于窄帶噪聲和中低頻噪聲的控制，1/4的波長管及赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔為常見的此類消聲器。

（2）阻性消聲器為聲波吸收型消聲器，阻性消聲器利用聲波在多孔且串通的吸聲材料中傳播時，通過黏滯阻力和摩擦的方式將聲能轉化為熱能消耗掉，達到消聲的目的。此類消聲器的優勢在于能在較寬的中高頻段范圍內實現消聲；缺點在于容易受到環境的影響而導致其使用壽命變短，且其對低頻噪聲消聲效果較差，目前車用空氣濾清器的濾芯是最常用的阻性消聲器。

（3）在實車應用時，通常要求消聲器在較寬的頻率范圍內產生良好的消聲效果，一般都采取既有阻性吸聲材料又有抗性濾波元件的形式，即阻抗復合消聲器，汽車的進氣系統就是一個典型的阻抗復合消聲器。

2 進氣噪聲案例分析

2.1 問題描述

根據市場客戶反饋，某中型載貨車原地怠速工況室內出現嚴重的“咚咚聲”，經初步排查是該聲音從進氣口傳出，嚴重影響乘客舒適性，不可接受，要求對該問題進行分析整改。

2.2 試驗分析

為了準確識別造成進氣管“咚咚聲”的主要噪聲源，針對反饋樣車進行了整車NVH排查試驗和頻譜分析工作，試驗排查方案為分別斷開引起波紋管、斷開發動機連接端和斷開空壓機膠管3個方案。主要實測數據及分析結果如下。

（1）通過初步排查：①斷開引氣管，室內噪聲降低3.2 dB（A），主觀感受“咚咚聲”依然存在，說明“咚咚聲”不是引氣管引起，是由空壓機或是發動機引起的；②斷開發動機進氣管，室內噪聲只降低1.1 dB（A），主觀感受“咚咚聲”依然存在；③斷開空壓機連接管，室內噪聲降低2.8 dB（A），主觀感受“咚咚聲”明顯降低，因此可以初步判定該問題是由于空壓機進氣引起的（表1）。

表1 排查方案噪聲性能及測評

（2）經過頻譜濾波分析，影響車內主觀感受的主要噪聲頻率為80～320 Hz，其中160 Hz峰值最高；斷開空壓機連接管后，室內噪聲降低2.6 dB（A），中心頻率160 Hz明顯降低，主觀感受“咚咚聲”改善明顯，同時進氣口噪聲在該頻率下也降低7.2 dB（A）（圖1）。再經過階次分析發現：該噪聲成分表現為明顯的階次關系，進氣口噪聲階次與室內噪聲峰值完全吻合，該車型匹配空壓機為單缸機，與發動機通過齒輪傳動，通過階次計算可以判斷該階次為空壓機噪聲階次，從而進一步確認該聲音是空壓機進氣閥門周期性開閉產生的壓力脈動噪聲，該噪聲通過進氣管往外傳播，進而傳遞到駕駛室內。

2.3 方案對策

試驗結果表明，進氣“咚咚聲”是由于空壓機產生的壓力脈動噪聲，通過進氣管往外傳播所導致，主要問題頻率為80～320 Hz；根據進氣控制策略，目前最常用的赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔能較好地消除中低頻噪聲。當前行業評價消聲系統的消聲性能通常用傳遞損失這一指標[4]。根據聲學理論可知，赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔的共振頻率f0和傳遞損失可以用公式（2）和公式（3）計算：

根據公式（2）和公式（3）得出，諧振腔的傳遞損失和共振頻率f0相關影響的參數為主管道截面積sp、連接管截面積sc、共振腔體積V、連接管長度l。

針對空壓機目標頻率，設計諧振腔幾何形狀和結構參數，定義諧振腔連接管直徑sc=20 mm，連接管長度l=137 mm，共振腔體積為V=1.9 L，聲速。

2.4 有限元驗證

本文進氣系統結構主要包括進氣管道、空氣濾清器和諧振腔，應用Virtual.lab軟件聲學仿真軟件對進氣系統進行有限元分析，建立進氣系統內腔空氣介質，CAE有限元模型如圖2所示。

圖2 CAE有限元模型示意圖

假設聲波在管道內以平面波的方式進行傳播，定義在諧振腔入口施加單位振動速度激勵，在出口處定義為無反射邊界條件，計算入口和出口的聲壓響應分析傳遞損失[5]。濾芯對低頻消音性能影響較小，本次分析頻段為10～400 Hz，為考慮濾芯的影響，計算傳遞損失曲線如圖3所示。

圖3 傳遞損失仿真分析

從圖3可以看出，原車進氣系統在80 Hz、160 Hz和320 Hz附近傳遞損失最高只有25 dB，在這些頻率消聲能力較弱；通過增加諧振腔后，在這3個頻率下傳遞損失提高到39 dB，在160 Hz傳遞損失達到最大。

2.5 實車效果驗證

基于諧振腔結構設計和CAE驗證結論，對諧振腔零件進行3D打印并裝車進行噪聲性能驗證，實車驗證結果如圖4所示。

圖4 實車驗證結果

如圖4所示，進氣系統增加諧振腔后，怠速工況下室內噪聲明顯降低3.3 dB（A），改善效果明顯，主觀感受原來的進氣“咚咚聲”完全消除，在原來主要噪聲峰值頻率80 Hz、160 Hz和320 Hz下噪聲降低6～8 dB（A），通過在進氣管路增加諧振腔，進氣噪聲問題得到徹底解決。

3 結論

（1）本文針對進氣噪聲產生機理和控制策略進行探討，并通過運用整車道路噪聲試驗、頻譜濾波分析及階次分析等手段對某商用車進噪聲問題進行有效識別、確定問題產生的原因，在傳統內燃機作為動力的商用車NVH設計具有一定的參考借鑒意義和工程應用價值。

（2）基于某商用車存在的進氣噪聲問題，本文通過理論分析、諧振腔方案設計和CAE仿真分析提出解決方案，并經實車效果驗證，有效地解決了某商用車進氣噪聲問題，改善車輛整體駕乘舒適性，降低了顧客對噪聲抱怨，提高產品市場競爭力。