帶穿孔管空氣濾清器傳遞損失性能研究

韓坤 屈曉峰 宋艷冗

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

帶穿孔管空氣濾清器傳遞損失性能研究

韓坤 屈曉峰 宋艷冗

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對某越野車進氣口噪聲引起車內(nèi)噪聲大的問題，采用GT-POWER軟件計算空氣濾清器傳遞損失，結(jié)果顯示其傳遞損失偏低，從而導(dǎo)致進氣口噪聲大。研究穿孔管消聲器傳遞損失特性與穿孔率的關(guān)系，基于研究結(jié)果設(shè)計了帶有穿孔管的空氣濾清器以提高傳遞損失。經(jīng)實車試驗驗證，傳遞損失增加后進氣口噪聲和車內(nèi)噪聲減小，即新空氣濾清器有效。

主題詞:進氣噪聲 空氣濾清器 傳遞損失 穿孔管

1 前言

空氣濾清器是發(fā)動機進氣系統(tǒng)最重要的消聲元件，對降低進氣噪聲以及整車噪聲水平至關(guān)重要。國內(nèi)研究學(xué)者對空氣濾清器的理論和仿真計算研究較多，且仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性好[1～6]。評判空氣濾清器消聲性能的一個重要參數(shù)是傳遞損失。增加空氣濾清器體積可以提高空氣濾清器傳遞損失，但發(fā)動機艙空間有限，因此通過改變空氣濾清器本身的結(jié)構(gòu)來提高其消聲能力尤為重要。本文針對某車在1 350 Hz進氣口噪聲較大的問題，對空氣濾清器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在其出口位置添加穿孔管結(jié)構(gòu)，以提高空氣濾清器的傳遞損失。

2 空氣濾清器進氣噪聲理論計算方法

2.1 擴張消聲器理論

空氣濾清器在不考慮濾芯時是一個擴張消聲器，從結(jié)構(gòu)（圖1）角度定義擴張消聲器的傳遞損失為[7]:

式中，m=S2/S1為擴張比；L為擴張腔的長度；λ為波長；TW為傳遞功率系數(shù)。

圖1 擴張腔結(jié)構(gòu)

當空氣濾清器空間確定后，其傳遞損失也基本確定，若提高傳遞損失，則要改變空氣濾清器內(nèi)部空間。

2.2 基于GT-POWER傳遞損失計算原理與方法

從能量角度定義傳遞損失TL為：

式中，LW1和LW2為入口和出口的升功率級；W1和W2為入口和出口的升功率；p1和p2為入口和出口位置的聲壓。

GT-POWER軟件計算傳遞損失是利用基于能量角度定義的公式，該軟件基于一維非線性流體動力學(xué)模型，以時域方法為理論基礎(chǔ)，采用有限體積法計算系統(tǒng)內(nèi)氣體的動力學(xué)問題。

3 某車型進氣噪聲問題分析

3.1 問題來源

某車加速試驗時，測得車內(nèi)噪聲如圖2所示。

圖2 加速工況車內(nèi)噪聲總級曲線

由圖2可知，在1 700 r/min時存在峰值，影響了曲線的線性度，表明在該轉(zhuǎn)速時噪聲過大。

加速時進氣口噪聲測試結(jié)果如圖3所示?？芍?，在1 700 r/min時進氣口噪聲峰值與圖2峰值一致，即進氣口噪聲趨勢和車內(nèi)一致，進氣口噪聲大導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增加。

圖3 加速工況進氣口噪聲總級曲線

圖4為對應(yīng)圖3的頻率圖。在縱坐標1 700 r/min、橫坐標1 335 Hz處存在噪聲帶，圖3和圖4在1 700 r/min時的峰值可以認為由1 330 Hz頻率引起。

圖4 加速工況進氣口頻率圖

3.2 空氣濾清器傳遞損失計算

基于以上原理和方法，在GT-POWER中進行空氣濾清器傳遞損失計算，圖5為空氣濾清器傳遞損失計算結(jié)果。

文獻[6]指出，在1 600 Hz以下，GT-Power軟件預(yù)測消聲性能有較高的有效性和精度，因此重點關(guān)注1 600 Hz以內(nèi)的傳遞損失。該計算結(jié)果表明，在1 300 Hz處空氣濾清器傳遞損失存在谷值，傳遞損失小而造成進氣口噪聲大，與進氣口試驗測量結(jié)果一致。因此，需要優(yōu)化空氣濾清器的傳遞損失。

圖5 傳遞損失計算結(jié)果

4 空氣濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對該車型進氣噪聲問題，在原空氣濾清器的出口位置增加穿孔管結(jié)構(gòu)，改進前后的空氣濾清器模型如圖6所示。

圖6 空氣濾清器結(jié)構(gòu)示意

4.1 傳遞損失隨穿孔率的變化

為了研究新空氣濾清器的性能，首先考察穿孔管上小孔的直徑和個數(shù)對穿孔管消聲器傳遞損失的影響。

圖7為一個直通的穿孔管消聲器模型，在GT-POWER中建模，其由一個方腔和圓形的穿孔管組成，方腔的邊長為90 mm，長度是130 mm，穿孔管的長度是140 mm，管直徑是65 mm。在穿孔管上分別均布表1中所列個數(shù)和直徑的孔，保持個數(shù)不變，增加孔徑來增加穿孔率。

圖7 穿孔管模型

由GT-POWER分別計算出對應(yīng)的傳遞損失，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，隨著穿孔率的增加，傳遞損失曲線右移，達到相同傳遞損失值對應(yīng)的頻率變大。因此，可以通過改變穿孔率使穿孔管消聲器作用于目標頻段。在1 300 Hz頻段內(nèi)，孔徑由3 mm變化到4 mm，傳遞損失所能達到的最大值逐漸增大，而孔徑由4 mm增加到5 mm，傳遞損失所能達到的最大值逐漸降低。

表1 孔徑和個數(shù)

圖8 不同孔徑傳遞損失對比

4.2 穿孔率不變傳遞損失對比

以孔徑4 mm，個數(shù)120時的穿孔率為基準，保證穿孔率基本不變，改變孔徑和個數(shù)，可得表2所示穿孔方案。

表2 穿孔率不變穿孔方案

由GT-POWER分別計算出對應(yīng)的傳遞損失，結(jié)果如圖9所示。

圖9 相同穿孔率傳遞損失對比

由圖9可知，在800 Hz以內(nèi)，4條傳遞損失曲線基本重合，800～1 600 Hz時，曲線差異化明顯，但峰值對應(yīng)的頻率基本相同，峰值隨小孔直徑的增加而變大，即穿孔率相同的穿孔管消聲器作用頻段不變。

5 新空氣濾清器傳遞損失計算和試驗驗證

5.1 新空氣濾清器傳遞損失計算

根據(jù)設(shè)計方案及對穿孔管消聲器的研究，穿孔管設(shè)計為孔徑4 mm，均布120個。GT-POWER對該空氣濾清器難以離散化，為簡化空氣濾清器結(jié)構(gòu)，將空氣濾清器拆分為擴張腔和穿孔管兩部分，如圖10所示。在GT-POWER軟件中，對擴張腔和穿孔管分別進行離散化，通過兩者串聯(lián)的方式計算出空氣濾清器的傳遞損失，結(jié)果如圖11所示。

圖10 新空氣濾清器簡化示意

圖11 新、舊空氣濾清器傳遞損失對比

由計算結(jié)果可知，新空氣濾清器的傳遞損失在600 Hz處及1 200 Hz以后都有明顯提升，解決了原空氣濾清器在1 300 Hz附近傳遞損失偏小的問題。

5.2 新空氣濾清器實車試驗

將新空氣濾清器安裝在原試驗車輛上，測量原車輛加速時車內(nèi)噪聲和進氣口噪聲，圖12為加速工況車內(nèi)噪聲的Overall曲線。

圖12 加速工況車內(nèi)噪聲對比

由圖12可知，在1 600 r/min以下新空氣濾清器噪聲曲線在上方，噪聲增加；1 600～3 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，新空氣濾清器曲線在原空氣濾清器曲線的下方，噪聲減小，尤其在1 700 r/min處曲線峰值明顯降低；3 000 r/min以后，空氣濾清器的降噪效果對整車噪聲影響不明顯，因而曲線無大的差別。更換空氣濾清器后曲線線性度提高，車內(nèi)噪聲降低了約1.5 dB（A）。

圖13為加速工況進氣口噪聲的Overall曲線。

圖13 加速工況進氣口噪聲對比

由圖13可知，1 600 r/min以下，由于共振頻率的降低導(dǎo)致新空氣濾清器的曲線在原來的上方；進氣口噪聲在轉(zhuǎn)速1 700 r/min時的峰值明顯降低，在1 700～3 300 r/min，由于新空氣濾清器傳遞損失增加，使得噪聲減??；3 300 r/min以上，新空氣濾清器噪聲曲線在原空氣濾清器噪聲的上方，這主要是因為穿孔管結(jié)構(gòu)使得氣阻和氣流再生噪聲增加，氣流再生噪聲以中高頻為主，輻射功率與氣流速度的6次方成正比，因而隨轉(zhuǎn)速的提高，氣流再生噪聲增加，新空氣濾清器噪聲曲線在原空氣濾清器噪聲曲線上方，但相差不大。

圖14為新空氣濾清器進氣口噪聲的頻率圖。

圖14 新空氣濾清器加速工況進氣口頻率圖

由圖14可知，1 335 Hz處的噪聲帶消聲，因此可以判斷車內(nèi)噪聲和進氣口噪聲降低是由新空氣濾清器在1 350 Hz處傳遞損失增加導(dǎo)致的，這與仿真計算結(jié)果對應(yīng)，因而可以證明仿真計算是正確的。

6 結(jié)束語

a.仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的一致性表明，新空氣濾清器增加了目標頻率對應(yīng)的傳遞損失，降低了進氣口噪聲和車內(nèi)噪聲，因此帶有穿孔管的空氣濾清器可以用來降低整車噪聲水平；

b.空氣濾清器消聲性能限于發(fā)動機艙室空間的限制，但可以改進空氣濾清器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升其性能，降低進氣口噪聲，降低對整車噪聲的貢獻。參考文獻

1 Rusch P A,Dhingra A K.Numerical and Experimental Investigation of Acoustic and Flow Performance of Intake Systems.Journal of Vibration and Acoustics,2002,124:334～339.

2 朱廉潔，季振林.汽車空氣濾清器聲學(xué)性能數(shù)值計算及分析.噪聲與振動控制，2007（2）:55～58.

3 朱廉潔，季振林.汽車發(fā)動機空氣濾清器消聲特性研究.汽車工程,2008,30（3）:260～263.

4 劉聯(lián)鋆，郝志勇，劉遲.空氣濾清器流動阻力與噪聲特性的仿真和優(yōu)化.汽車工程,2011,33（12）:1092～1097.

5 石來華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化.客車計算與研究,2010,3:18～21.

6 劉晨,季振林,胡志龍.高溫氣流對穿孔管消聲器聲學(xué)性能的影響.汽車工程,2008,30（4）:330～334.

7 龐建,諶剛,何華.汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社,2006.

8 Seybert A F,Ross D F.Experimental Determination of Acoustic Properties Using a Two-microphone Random-excitation Technique.Journal of the Acoustical Society of America，1977,61（5）:1362～1370.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年3月22日。

Research on the Transmission Loss of Air Filter with Perforated Pipe

Han Kun,Qu Xiaofeng,Song Yanrong
（Beijing Automotive Technology Center,Beijing 101300）

Intake noise of an off-road vehicle causes high interior noise,to solve this problem,the transmission loss of air filter is calculated by GT-POWER,which shows that the transmission loss is low leading to high noise at the air intake.The relationship is studied between the transmission loss characteristics of perforated pipe and muffler and punching rate.A new air filter with perforated pipe is designed based on the research to increase transmission loss.The vehicle test showed that,after the transmission loss is increased,the noise at the air intake and the interior is reduced,verifying the effectiveness of the new air filter.

Intake noise,Air filter,Transmission loss,Perforated pipe

U464.134+4

A

1000-3703（2016）11-0016-04