某發動機氣流敲擊異響試驗分析及優化

陶書杰 楊國芳 郝少華 楊磊 王平

摘 ?要：本文以某款混動車型搭載1.5L增程式發動機為研究對象，發現該混動車型在怠速充電工況下產生有節奏的“咕嚕音”異響。通過對異響源進行特征頻率和傳遞路徑測試分析，確定了“咕嚕音”異響來自于進氣系統，為歧管前端駐波共振引起的氣流敲擊異響，其特征頻率為“300-500Hz”。通過對進氣系統的噪聲頻率分析優化，針對異響特征頻率設計了一款排式諧振腔式的消聲單元，并在發動機NVH臺架上進行了優化驗證試驗，其進氣口噪聲在“300-500Hz”頻段，噪聲下降約7-9dB（A），解決了異響“咕嚕音”的問題，取得了較好的降噪效果。

關鍵字：發動機;進氣系統;咕嚕音;特征頻率;氣柱共振

中圖分類號：U467.2+1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0103-06

Experimental Analysis And Optimization Of Intake Pulsation Noise Of An Engine

TAO Shu-jie， YANG Guo-fang， HAO Shao-hua， YANG Lei， WANG Ping

（ Dongfeng Motor Company Technology Center， Quality Verification Center，

Wuhan 430058， China ）

Abstract： This paper takes a hybrid model equipped with a 1.5L add-on engine as the research object， and finds that the hybrid model produces a rhythmic “grunt” sound under idle charging conditions. Through the characteristic frequency and transmission path test analysis of the iso-loud source， it is determined that the “grunt sound” noise comes from the intake system and is caused by the resonance of the front of the manifold， with a characteristic frequency of “300-500Hz”. Through the optimization of noise frequency analysis of the intake system， a row-type resonant cavity-type muffler unit is designed for the characteristics frequency of the noise， and the optimization and verification test is carried out on the engine NVH bench， and its air intake noise is in the “300-500Hz” band， the noise drop is about 7-9dB（A）， which solves the problem of the ?“grunt” sound and achieves good noise reduction effect.

Key Words： ?Engine; ?Intake System; Grunt; ?Characteristic Frequency; ?The Gas Column Resonance

發動機是汽車的主要噪聲源，隨著發動機的應用場景的不同，其動力輸出型式的變化也帶來了新的噪聲問題， 其中的異響問題也是汽車聲品質研究中最普遍與最棘手的問題之一[1]。而進氣噪聲又是發動機的主要噪聲源之一，在有的高速發動機上，進氣噪聲甚至能比發動機本體噪聲高[2]，因此對于發動機進氣噪聲控制的研究是很有必要的。

本文以某混動車型搭載1.5L增程式發動機為研究對象，發現該混動車型在怠速充電工況下產生有節奏的“咕嚕音”異響，此異響與機械敲擊特征相似。通過對整車以及發動機進行噪聲、振動數據采集分析，鎖定噪聲源，確定了“咕嚕音”是一種進氣脈動異響。本文介紹了針對該異響問題的排查思路，以及關于該異響問題的優化改進方案，有效地降低了進氣咕嚕音異響噪聲，并為同類異響問題的排查思路及改善優化方案提供了借鑒及參考。

1 ? ?異響源識別試驗與分析

1.1 ? 試驗概況

試驗在較為安靜且空曠的環境進行，本文用于試驗研究的整車為一混合動力汽車。搭載的發動機為4缸直列、16氣門的汽油機，其主要技術參數見表1：

1.2 ? 異響源場景復現及主觀評價

通過對異響工況進行整車復現試驗，發現在怠速充電工況出現有節奏的“咕嚕音”異響，此時發動機的轉速為1050rpm，輸出扭矩為90～140Nm，輸入給發電機的扭矩為30Nm～50Nm。通過用聽診器進行聲源排查，首先發現發動機機艙與車前近場噪聲異響特征最明顯，初步判斷異響來自于發動機。

1.3 ? 異響特征頻率分析

采用多通道振動噪聲信號分析系統，在主觀判斷異響較為明顯（車的正前方）的位置布置傳聲器，并進行噪聲測試分析。圖1為車前近場噪聲信號的小波分析圖，由圖1（a）可以看出，車前近場存在一種特征頻率在“300～500Hz”的有節奏的敲擊音，為確認車前近場噪聲信號中的異響特征是否對應實際聽到的異響，通過對信號進行300至500Hz的帶通濾波處理，如圖1（b）為濾波處理后的噪聲信號，發現處理后的聲音在音色與節奏上與咕嚕音異響基本一致，因此確定咕嚕音異響為300-500Hz有節奏的敲擊音。

觀察圖1，由于異響特征頻率突出位置在1s出現約17次，此時發動機轉速為1050rpm，則該異響有17/（1050/60）≈1階特征;觀察幅值較高的幾個敲擊音特征，也可以描述為1s出現8～9次，也就是0.5階特征。

由以上分析可知，此敲擊異響的特征頻率為“300-500Hz”，敲擊節奏與發動機的1階和0.5階相關。由此推斷異響主要與發動機的兩個因素相關：（1）結構傳遞--發動機曲柄連桿機構運轉所產生的機械敲擊異響;（2）噪聲輻射--發動機燃燒時進氣門周期性開閉引起的氣體壓力波動造成的進氣噪聲[1]。

1.4 ? 異響源傳遞路徑分析

1.4.1 結構傳遞路徑分析

若異響由發動機曲柄連桿機構運轉所產生的機械敲擊異響，其傳遞路徑應以結構振動傳遞為主，即由發動機缸體—懸上—懸下—座椅異軌—車內。在懸置主動側與被動側、發動機排氣側缸體、變速箱殼體以及空氣濾清器上、進氣歧管上等布置振動測點，并進行振動測試與分析。

圖2為部分發動機振動測點與進氣系統振動測點的異響特征頻率分析圖。由圖2（a）可以看出，發動機排氣側缸體、變速箱殼體、左右懸置主動側無明顯異響特征。而由圖2（b）可看出，空氣濾清器、進氣歧管、進氣軟管前振動有明顯的異響特征。異響特征在發動機缸體本身的振動信號上不體現，而在與進氣系統相關的振動測點上體現，這說明異響源與發動機曲柄連桿機構不相關，而與進氣系統相關。

1.4.2 噪聲輻射傳遞路徑分析

若異響由進氣系統相關，則其傳遞路徑應以噪聲輻射傳遞為主，分別在車內（副駕駛右耳）、發動機艙近場、發動機下方近場、進氣口近場（車前進氣格柵處）布置噪聲測點，采用多通道振動噪聲測試系統進行振動噪聲測試與分析，圖3為四個噪聲測點的噪聲信號小波分析圖，由圖3可以看出，進氣口近場異響特征（300-500Hz敲擊音特征）最明顯，而發動機下方近場與發動機艙近場無明顯特征。結合噪聲數據可知異響在車前進氣口明顯，異響主要來自于進氣系統。

2 ? ?異響源位置聚焦及原因分析

2.1 ? 異響場景再現—發動機臺架

為了進一步確定聲源的根本原因，此項聲源分解試驗在發動機NVH臺架上進行。根據發動機軸與發電機軸的連接齒輪的速比關系，計算得出整車怠速充電狀態下，發電機扭矩40Nm對應發動機扭矩約為105Nm。因此在發動機半消聲室中進行發動機轉速1050rpm，扭矩105Nm的工況再現測試，發現進氣口近場有明顯異響特征。為了進一步明確異響與發動機轉速和扭矩的關聯性，在發動機不同轉速與扭矩控制下進行振動噪聲測試。

異響與發動機扭矩的關聯性。固定發動機轉速為1050rpm，在40s內將發動機扭矩從50Nm均勻提升到150Nm，測試進氣軟管引出的進氣口近場，發現異響特征在發動機扭矩約100Nm到130Nm時較為明顯。扭矩低于100Nm時，異響在300-500Hz附近較弱，而扭矩高于130Nm時，噪聲在200-800Hz頻段附近能量都較高，沒有明顯的敲擊特征。

2.2 ? 進氣系統部件拆裝驗證試驗

為進一步確認異響源來源于進氣系統的哪一部分，進行了以下的排查試驗。拆卸下發動機的空氣濾清器，圖4為增壓器前進氣口噪聲信號小波分析圖，由圖4可以看出，在壓縮機前的進氣口近場噪聲仍存在明顯的異響特征。由此可以判斷異響源并非由空氣濾清器產生。

更換增壓器后進行的振動噪聲測試，將進氣軟管延長引出，分別測試原狀態的引出進氣口近場噪聲與更換競品增壓器后的引出進氣口近場噪聲，噪聲測點如圖5（a）。圖5（b）為該噪聲測點換裝增壓器前后異響特征頻率對比圖，結合主觀評價以及圖5（b）數據結果分析，異響均無明顯改善。則可判斷異響源并非增壓器。

而把節氣門敞開后（進氣不經過空氣濾清器、增壓器、中冷器），在發動機1050rpm/105Nm工況下測試節氣門前進氣口近場噪聲。圖 6為節氣門前近場噪聲信號小波分析圖，由圖6可以看出明顯異響特征，這說明異響來源于進氣系統中冷后的部分。又結合節氣門近場噪聲1階的敲擊特征，推斷異響的波動與不同缸進氣過程產生的氣流波動有關。1階的敲擊特征說明在發動機一個工作循環中異響出現兩次，因此推斷異響是此發動機在工作循環中兩個缸在進氣過程中的氣流波動大造成的。

2.3 ? 異響敲擊時刻轉角分析試驗

為進一步驗證咕嚕音異響具體在進氣過程哪一時刻，進行曲軸轉角分析試驗。對節氣門近場噪聲進行300～500Hz濾波，并將所得濾波信號的時域轉換為角度域。如圖 7可知，異響在發動機一次工作循環中，出現于曲軸轉角約40°與400°時刻。考慮異響在進氣歧管中的傳播時間，異響出現的時刻仍是在1缸與4缸進氣過程中。因此判斷咕嚕音異響產生于發動機四個缸進氣過程的氣流脈動大小不一，1缸與4缸氣流脈動較大，因此在發動機的的工作循環中出現這樣一種氣流導致的1階敲擊特征的咕嚕音異響。

由以上分析確認咕嚕音異響是在發動機轉速1000～1500rpm，發動機扭矩100～130Nm出現的一種1階敲擊特征，其特征頻率為300～500Hz，來自于發動機的進氣系統的氣流脈動。此發動機進氣脈動噪聲主要是由進氣歧管前端處存在的駐波導致的，即某一缸進氣過程中，進氣系統中空氣柱振動的模態和對各缸激勵力的響應耦合，造成其對應的歧管口與進氣系統歧管前管內各處的壓力在特定的頻譜模態下（如300～500Hz）出現較明顯峰值，即產生了氣柱共振[3-4]。關于發動機氣柱共振異響產生的機理，可查閱豐田公司針對于發動機缸內氣柱共振所產生的異響隆隆聲的論文，本文對此不做詳述。

3 ? ?優化改進效果驗證試驗

3.1 ? 優化改進方案

由以上排查試驗分析，咕嚕音異響主要由氣柱共振產生的，其中進氣歧管長度不一會造成發動機運轉時各缸進氣過程中氣流模態的不同。因此，可通過調節進氣歧管長度來調節進氣系統聲品質[5]，考慮采用等長進氣歧管方案，從激勵源上改善氣流均勻性，從而解決異響問題。本文采用的是在進氣系統中安裝特定頻率的諧振腔結構，從“傳遞路徑”上有效減弱對應頻率的噪聲。制作的進氣消音器由370Hz、385Hz、400Hz三個頻率的諧振腔組合而成，其結構類似圖 8（b）。按圖8（a）所示將其安裝在進氣系統的空氣濾清器與增壓器之間。

3.2 ? 進氣消音器效果驗證試驗

在發動機噪聲試驗臺架上分別對原狀態與安裝了進氣消音器的狀態進行噪聲試驗，試驗工況為發動機轉速1050rpm，扭矩105Nm。通過試驗可以看出，采用改進方案后，由進氣軟管引出近場噪聲信號的小波分析圖（如圖 9.a）可知其在300-500Hz范圍有明顯減弱，由該噪聲的頻譜（如圖 9.b）可知其在300-500Hz的聲壓級降低了約7dB。進氣消音器對于咕嚕音異響有明顯改善效果。

4 ? ?結束語

通過進行整車異響排查和臺架聲源分解試驗，確定了異響的特征頻率及階次特征，并判斷出異響與進氣系統相關。通過對節氣門近場噪聲濾波分析，找到異響敲擊對應的曲軸轉角時刻，判斷異響產生于1缸與4缸的進氣過程中，進一步驗證了進氣歧管前端處氣柱共振是咕嚕音異響的根源。

通過對異響產生機理的分析，提供了兩種改善方案。一是將進氣歧管改為等長進氣歧管，從振源上減弱4個缸之間的進氣脈動差異，從而減弱這種敲擊特征;二是從傳遞路徑上在進氣管路上安裝諧振腔以消除對應頻率段的異響。第二種方案經過試驗驗證，進氣口近場噪聲在300-500Hz頻率段，聲壓級下降約7-9dB（A），對發動機低速高扭矩工況下這種咕嚕音異響，有著明顯的改善效果。

以上這些優化改進方案，只是針對于發動機整機的進氣噪聲降噪措施之一，發動機進氣噪聲的其他問題還需根據發動機的具體情況，采取相應的改進措施。但這種對于氣流敲擊異響的排查解析方法以及對這種進氣噪聲異響的改善措施對同類機型的進氣系統的噪聲開發具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華. 汽車車身噪聲與振動控制 [M] . 北京：北京理工大學出版社，2006：11-12.

[2]邊強，高文志，張 晶. 發動機進氣系統階次噪聲及其消減方法 [J] . 農業工程學報，2012，28（1）：57-63.

[3]徐志超，祖炳鋒，王振等，發動機進氣歧管的氣動噪聲預測方法研究 [J].機械科學與技術，2018，37（8） ： 1280-1285.

[4]Suzuki T，Kayaba F.The Analysis and Mechanism of Engine 'Intake Rumbling Noise' [J] . SAE Transactions， 1990， 99 ： 2059-2067.

[5]馬大猷.現代聲學理論基礎 [M] .北京： 科學出版社，2004.

專家推薦語

王必璠

東風商用車技術中心

平臺總師 ?研究員高級工程師

發動機的噪聲問題是近些年國內提升發動機品質的一個重要方面。在噪聲的起源和傳遞分析上有著許多新面臨的問題需要發動機廠家進行研究。該論文在選題上切合了發動機目前關注的方向，應用的理論和實際分析方法符合目前的主流方向。通過理論和分析，對實際問題進行了解決，具備交流的條件。該論文條理清晰，語言通順，解決問題的實例具有一定的參考意義。