錢欣怡，郝志勇，劉聯(lián)鋆，胡先鋒

（浙江大學(xué)能源工程系，浙江 杭 州 310027）

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車最主要的噪聲源之一，除了對車輛通過噪聲有較大影響外，還是車內(nèi)噪聲的主要來源，影響到車輛的乘坐舒適性［1］。降低進(jìn)氣噪聲對于提高車輛的NVH性能有重要的意義。

進(jìn)氣系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)主要包括消聲性能和氣動性能兩個方面。消聲性能采用傳遞損失、消聲量、插入損失進(jìn)行評價；氣動性能采用壓力損失進(jìn)行評價［2］。優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能、降低進(jìn)氣噪聲的方法主要是試驗和仿真。采用仿真的方法進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的優(yōu)化具有便捷和成本低等優(yōu)點，而試驗方法具有的直接性、可靠性、最大程度地接近實際使用情況等優(yōu)勢使其成為工程實踐和研究領(lǐng)域不可或缺的手段。Ming－Hung Lu［3］等使用試驗的方法研究了進(jìn)、排氣系統(tǒng)降噪的措施，肯定了臺架試驗作為一種便捷、有效的手段應(yīng)用于進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化時所起到的良好作用；Liu［4］等使用試驗和仿真相結(jié)合的方法，提出了進(jìn)氣系統(tǒng)低噪聲優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)方法；杜江［5］等通過試驗的方法研究了插入管消聲器在氣流作用下，內(nèi)部和外部的聲學(xué)特性。

本研究通過一系列試驗對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了聲學(xué)性能的優(yōu)化。通過整車道路試驗測量了車輛的原始進(jìn)氣噪聲，并依據(jù)進(jìn)氣噪聲的階次瀑布圖，針對其噪聲貢獻(xiàn)突出的頻率段設(shè)計了內(nèi)插管，內(nèi)插管的使用有效降低了全轉(zhuǎn)速段的進(jìn)氣噪聲；同時，本研究對進(jìn)氣系統(tǒng)引氣管上開孔的降噪效果進(jìn)行了靜態(tài)聲學(xué)性能和發(fā)動機(jī)臺架試驗研究，結(jié)果表明，開孔有助于降低進(jìn)氣噪聲。

1 整車進(jìn)氣噪聲路試評估及初步優(yōu)化

1.1 試驗設(shè)備及方法

測試車輛裝備1.8L渦輪增壓汽油機(jī)，5速手動變速器。試驗在某自主品牌乘用車專用試車場進(jìn)行，測量場地環(huán)境噪聲為51.3dB。使用支架將傳聲器固定在進(jìn)氣格柵處，傳聲器軸線與進(jìn)氣氣流方向成45°夾角，頭部距離進(jìn)氣口端面中心10cm（見圖1）。為盡量減小發(fā)動機(jī)本體和附件噪聲對進(jìn)氣噪聲測量的影響，在格柵部位貼附隔音材料進(jìn)行適當(dāng)屏蔽。測試設(shè)備為B＆K 3560C數(shù)據(jù)采集器和KMT RPM－8000－PRO發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計。待水溫、油溫達(dá)到正常使用溫度時，將變速器置于2擋，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r／min左右，待車輛緩慢穩(wěn)速前行時，立即將油門踏板踩到底加速前進(jìn)，同時開始記錄數(shù)據(jù)，直至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過5 500r／min的標(biāo)定轉(zhuǎn)速后停止采集數(shù)據(jù)。

1.2 試驗結(jié)果與分析

試驗中，首先測量了安裝原車進(jìn)氣系統(tǒng)時車輛在加速過程中的進(jìn)氣噪聲，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣噪聲總值在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都偏大。從進(jìn)氣噪聲的階次瀑布圖（見圖2）中發(fā) 現(xiàn)，4 階、5 300r／min（對 應(yīng)頻率 為353Hz）為中心的區(qū)域有一片弧形的高亮成分，對高速時的進(jìn)氣噪聲貢獻(xiàn)較大，應(yīng)設(shè)法對其進(jìn)行消減。

插入管型抗性消聲器具有良好的消聲效果，容易調(diào)節(jié)消聲頻率，其安裝在空濾器內(nèi)部不會對整個進(jìn)氣系統(tǒng)的外觀產(chǎn)生影響，并且造價低，其插入長度La與共振頻率關(guān)系見式（1）。

式中：c為聲速；La為插入管長度；f為共振頻率［6］。

針對353Hz這一噪聲突出的頻率，選擇使用內(nèi)插管對其進(jìn)行抑制。依據(jù)式（1）設(shè)計插入長度為241mm的內(nèi)插管（見圖3）。將內(nèi)插管安裝在空濾器的氣流出口端并重復(fù)了試驗，試驗結(jié)果見圖4和圖5。

由圖4可以看到，安裝了內(nèi)插管后，進(jìn)氣噪聲總值在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有了明顯降低，特別是1 700～2 700r／min這一區(qū)間降幅在5dB左右，2 700r／min以上的轉(zhuǎn)速區(qū)間進(jìn)氣噪聲總值的降幅也都在3dB左右。

對比圖2和圖5可以發(fā)現(xiàn)，安裝了內(nèi)插管后，在設(shè)計頻率點及其附近的高亮區(qū)域明顯變暗，說明內(nèi)插管在設(shè)計頻率及其附近頻率區(qū)間起到了良好的消聲作用。值得一提的是，安裝內(nèi)插管后，進(jìn)氣噪聲的3～15階次中，中高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率成分降幅明顯。以上兩處噪聲幅值的降低對于3 000r／min以上進(jìn)氣噪聲總值的下降起到了較大的作用。2階以下的低階次高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率成分也有一定程度的降低。通過對比還可以發(fā)現(xiàn)，在1 200r／min以內(nèi)，進(jìn)氣噪聲的高階次成分有不同程度的降低，1 200～2 800r／min區(qū)間內(nèi)的部分高階成分也得到不同程度的抑制，這些對于低轉(zhuǎn)速段的進(jìn)氣噪聲降低有貢獻(xiàn)。

為進(jìn)一步說明，單獨提取出進(jìn)氣噪聲具有代表性的2，4，6，8階成分進(jìn)行比較（見圖6）。安裝內(nèi)插管后，進(jìn)氣噪聲的2階成分在2 600r／min之前和4 500r／min之后得到了抑制，但在2 600～4 500r／min這一區(qū)間有不同程度的升高；4階成分除1 500～1 800r／min這一區(qū)間相比不安裝內(nèi)插管時有小幅提升外，其余轉(zhuǎn)速段內(nèi)都得到了降低；6階成分除超過5 400r／min之后變差外，其余轉(zhuǎn)速段都有不同程度的下降；8階成分在1 400r／min之后的整個轉(zhuǎn)速段都有降低?？傮w而言，安裝內(nèi)插管后，進(jìn)氣噪聲的4，6，8階次成分都得到了較好的抑制。

為考察安裝內(nèi)插管對進(jìn)氣系統(tǒng)氣動性能的影響，在穩(wěn)態(tài)氣動性能試驗臺上測量了此進(jìn)氣系統(tǒng)在設(shè)計流量下的流阻，結(jié)果表明，原車進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力為7.70kPa，增加內(nèi)插管后流動阻力為8.04kPa。流阻的增加幅度較小，在廠家可以接受的范圍內(nèi)。

整車道路試驗中，安裝內(nèi)插管前后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000r／min加速到5 500r／min的時間分別為11.2s和11.5s，兩者相差0.3s，導(dǎo)致加速性能略微變差的原因應(yīng)是安裝內(nèi)插管后進(jìn)氣系統(tǒng)的流阻變大，在420m3／h的設(shè)計流量下流阻增加的幅值大約為4.4%。

2 引氣管開孔的降噪效果研究

在進(jìn)氣系統(tǒng)引氣管上的適當(dāng)位置開孔，具有降低進(jìn)氣噪聲的作用。德國曼胡默爾公司在其生產(chǎn)的幾款空濾器引氣管上使用了開孔的設(shè)計；日產(chǎn)和奧迪公司也在其幾款量產(chǎn)車型的進(jìn)氣系統(tǒng)引氣管上采用了開孔降噪的措施。對于開孔的位置，以上三家公司都選擇了引氣管上位置較高處。引氣管上開孔后進(jìn)氣噪聲得到降低的原因之一是聲泄漏，此種措施導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)噪聲的升高并最終對車內(nèi)噪聲的影響并不明確，需要進(jìn)一步研究。

鑒于此款車型的引氣管后段在整車上所處的位置較高，選擇在此處開孔對車輛涉水性能不會產(chǎn)生不利影響，因而選擇在引氣管后段的上方位置開孔（見圖7）。開孔孔徑為7mm，數(shù)量為8個，開孔面積307.7mm2，原進(jìn)氣口面積約為3 000mm2。對開孔前后的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)聲學(xué)性能試驗和動態(tài)發(fā)動機(jī)臺架試驗，以研究開孔對進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的影響。

2.1 傳遞損失試驗與結(jié)果分析

傳遞損失（Transmission Loss，TL）只與消聲元件本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而不受聲源和尾管輻射特性的影響［6］，是消聲元件聲學(xué)性能研究中常用的指標(biāo)之一。目前消聲元件傳遞損失的測量方法主要有兩負(fù)載法、兩聲源法、脈沖法和聲波分解法［7］。其中，兩負(fù)載法允許測量管道下游存在反射，在實驗室內(nèi)具有較強(qiáng)的可操作性，所以本研究采用兩負(fù)載法測量傳遞損失。

試驗在浙江大學(xué)振動噪聲實驗室內(nèi)進(jìn)行，半消聲室容積為310m3，背景噪聲30.3dB。試驗時聲源被放置在半消聲室外部，用內(nèi)壁光滑的剛性圓管將聲源引入半消聲室內(nèi)并與進(jìn)氣系統(tǒng)相連（見圖8）。將1，2傳聲器安裝在內(nèi)徑為75mm的入口直管段，3，4傳聲器安裝在內(nèi)徑為45mm的出口直管段，并使傳聲器頭部與管道內(nèi)壁面平齊。其（1，0）模態(tài)的平面波截止頻率可依據(jù)式（2）計算：

式中：c0為聲速；D為管道直徑。依據(jù)最大管徑75mm，可算得最低截止頻率為2 656Hz，高于本試驗所考察的頻率上限（1 000Hz）。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)E1050—90，一對傳聲器之間的距離與所測量的最高頻率須滿足式（3）［8］：

式中：fm為最高測量頻率。本試驗中，取兩對傳聲器間的距離都為50mm，可滿足在消聲元件安裝管道的截止頻率范圍內(nèi)測量消聲元件聲學(xué)特性的要求。本試驗中分別使用膨脹比約為2.0和3.5的2個膨脹腔作為末端負(fù)載。

傳遞損失測量結(jié)果見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)，在引氣管的后部開孔后，進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失明顯比不開孔時大。50Hz以內(nèi)，開孔后傳遞損失有小幅的提高；在150～370Hz頻率范圍內(nèi)，傳遞損失普遍有8dB左右的提升，特別是328Hz處有17dB左右的提升；370～1 000Hz頻率段內(nèi)傳遞損失有2～5dB的提升；但是在80Hz附近頻段內(nèi)，開孔后的傳遞損失并未得到提升?？傮w而言，開孔后的傳遞損失相比不開孔時，在大部分頻率段內(nèi)都有了提升。

2.2 消聲量試驗與結(jié)果分析

消聲量（Noise Reduce，NR）的定義如下：

式中：Lpi和Lpo分別為消聲元件入口端和出口端的聲壓級［9］。

消聲量的測量試驗裝置見圖10，測量結(jié)果見圖11。由開孔前后消聲量隨頻率變化的曲線也可看出，開孔對低于370Hz頻率段（除80Hz附近一小段外）消聲量的提高有幫助，特別是在310Hz處消聲量提高16dB左右，這在傳遞損失曲線上也有體現(xiàn)。在370～1 000Hz頻率段，除650Hz附近頻段消聲量有所下降外，其余頻段的消聲量都有一定程度的提高，這與傳遞損失曲線所反映的情況大致相同。

2.3 發(fā)動機(jī)臺架試驗

在實際裝車使用時，進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部是有氣流流動的，為驗證在進(jìn)氣系統(tǒng)引氣管上開孔的措施在有氣流作用下仍能夠有效降低進(jìn)氣噪聲，進(jìn)行了臺架試驗。由于實驗室臺架上沒有原試驗車輛上搭載的1.8L渦輪增壓汽油機(jī)，因而用1臺2.0L自然吸氣汽油機(jī)替代，以200r／min為間隔測量了全負(fù)荷工況下1 000～4 000r／min各點的進(jìn)氣噪聲。傳聲器軸線與進(jìn)氣氣流方向成45°夾角，頭部距離進(jìn)氣口端面中心10cm。為盡量減小發(fā)動機(jī)本體噪聲的影響，將進(jìn)氣系統(tǒng)用內(nèi)壁光滑的直管引出至離發(fā)動機(jī)3m處，同時在進(jìn)氣噪聲測點與發(fā)動機(jī)本體之間使用隔音材料進(jìn)行屏蔽，使發(fā)動機(jī)本體傳來的噪聲不能直接傳播到測點處，試驗布置見圖12，測量結(jié)果見圖13和圖14。

由圖13進(jìn)氣噪聲總值能夠發(fā)現(xiàn)，在引氣管的后部開孔后，進(jìn)氣噪聲總值，在全轉(zhuǎn)速段都減小了，尤其是在1 000～1 400r／min區(qū)間內(nèi)降幅較大，在1 800r／min附近和3 400～4 000r／min區(qū)間也都有2dB左右的降幅。

對比進(jìn)氣噪聲中貢獻(xiàn)最大的2，4，6，8階次成分（見圖14），不難發(fā)現(xiàn)在引氣管后部開孔后，進(jìn)氣噪聲的這4個階次在大部分轉(zhuǎn)速區(qū)間都有不同程度的下降，其中2階成分在2 350r／min之前得到了較好的抑制。由圖6可知，2 000r／min內(nèi)的進(jìn)氣噪聲中2階成分較為突出，因而在引氣管的后部開孔對降低車輛2 000r／min內(nèi)的進(jìn)氣噪聲有積極的作用。

開孔后，2階成分在2 400r／min時反而升高了，從傳遞損失和消聲量的靜態(tài)試驗中可以看到，在頻率為80Hz附近處，開孔后傳遞損失并沒有得到提升，而消聲量則比不開孔時要低。2階成分在2 400r／min時對應(yīng)的頻率為80Hz，正好處于開孔后進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能降低的頻率段上。而4階成分在1 200r／min處對應(yīng)的頻率也是80Hz，所以在1 200r／min處也出現(xiàn)了開孔后幅值變大的情況。

綜上所述，在進(jìn)氣系統(tǒng)的引氣管上開孔后，進(jìn)氣噪聲總值在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)都得到了降低；進(jìn)氣噪聲的2，4，6，8階次成分在大部分轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)得到了降低，只在部分轉(zhuǎn)速區(qū)間稍有升高?？梢灶A(yù)測，在整車上對引氣管采用開孔的措施也能夠有效降低進(jìn)氣噪聲。

3 結(jié)論

a）針對1款即將量產(chǎn)的車型在整車道路試驗中暴露的進(jìn)氣噪聲過大問題，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，快速設(shè)計了內(nèi)插管，成功降低了整個轉(zhuǎn)速區(qū)間的進(jìn)氣噪聲；整車試驗結(jié)果表明，內(nèi)插管的設(shè)計是有效的；流阻實驗表明，內(nèi)插管對進(jìn)氣系統(tǒng)的流阻影響甚?。?/p>

b）通過靜態(tài)試驗，使用傳遞損失和消聲量2個聲學(xué)性能評價指標(biāo)，研究了在引氣管后部開孔前后進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的差異，發(fā)現(xiàn)開孔后進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失和消聲量在大部分頻率段都得到了不同程度的提高；通過發(fā)動機(jī)臺架試驗的驗證，進(jìn)一步表明開孔具有降低進(jìn)氣噪聲的作用；

c）預(yù)測在整車的進(jìn)氣系統(tǒng)引氣管上采用開孔措施，對降低進(jìn)氣噪聲也能起到一定的作用，有助于車輛滿足通過噪聲測試的限值要求，但其對車內(nèi)噪聲的影響還需進(jìn)一步研究；

d）通過對進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失、消聲量和整車進(jìn)氣噪聲的測量，對進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化中涉及的靜態(tài)試驗、發(fā)動機(jī)臺架試驗和整車道路試驗進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

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