進氣系統聲學性能優化的試驗研究

錢欣怡，郝志勇，劉聯鋆，胡先鋒

（浙江大學能源工程系，浙江 杭 州 310027）

進氣系統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，還是車內噪聲的主要來源，影響到車輛的乘坐舒適性［1］。降低進氣噪聲對于提高車輛的NVH性能有重要的意義。

進氣系統性能的評價指標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、插入損失進行評價；氣動性能采用壓力損失進行評價［2］。優化進氣系統聲學性能、降低進氣噪聲的方法主要是試驗和仿真。采用仿真的方法進行進氣系統聲學性能的優化具有便捷和成本低等優點，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勢使其成為工程實踐和研究領域不可或缺的手段。Ming－Hung Lu［3］等使用試驗的方法研究了進、排氣系統降噪的措施，肯定了臺架試驗作為一種便捷、有效的手段應用于進氣系統聲學性能優化時所起到的良好作用；Liu［4］等使用試驗和仿真相結合的方法，提出了進氣系統低噪聲優化設計的系統方法；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，內部和外部的聲學特性。

本研究通過一系列試驗對進氣系統進行了聲學性能的優化。通過整車道路試驗測量了車輛的原始進氣噪聲，并依據進氣噪聲的階次瀑布圖，針對其噪聲貢獻突出的頻率段設計了內插管，內插管的使用有效降低了全轉速段的進氣噪聲；同時，本研究對進氣系統引氣管上開孔的降噪效果進行了靜態聲學性能和發動機臺架試驗研究，結果表明，開孔有助于降低進氣噪聲。

1 整車進氣噪聲路試評估及初步優化

1.1 試驗設備及方法

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

1.2 試驗結果與分析

試驗中，首先測量了安裝原車進氣系統時車輛在加速過程中的進氣噪聲，發現進氣噪聲總值在全轉速范圍內都偏大。從進氣噪聲的階次瀑布圖（見圖2）中發 現，4 階、5 300r／min（對 應頻率 為353Hz）為中心的區域有一片弧形的高亮成分，對高速時的進氣噪聲貢獻較大，應設法對其進行消減。

插入管型抗性消聲器具有良好的消聲效果，容易調節消聲頻率，其安裝在空濾器內部不會對整個進氣系統的外觀產生影響，并且造價低，其插入長度La與共振頻率關系見式（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，選擇使用內插管對其進行抑制。依據式（1）設計插入長度為241mm的內插管（見圖3）。將內插管安裝在空濾器的氣流出口端并重復了試驗，試驗結果見圖4和圖5。

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

對比圖2和圖5可以發現，安裝了內插管后，在設計頻率點及其附近的高亮區域明顯變暗，說明內插管在設計頻率及其附近頻率區間起到了良好的消聲作用。值得一提的是，安裝內插管后，進氣噪聲的3～15階次中，中高轉速對應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速對應的頻率成分也有一定程度的降低。通過對比還可以發現，在1 200r／min以內，進氣噪聲的高階次成分有不同程度的降低，1 200～2 800r／min區間內的部分高階成分也得到不同程度的抑制，這些對于低轉速段的進氣噪聲降低有貢獻。

為進一步說明，單獨提取出進氣噪聲具有代表性的2，4，6，8階成分進行比較（見圖6）。安裝內插管后，進氣噪聲的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這一區間有不同程度的升高；4階成分除1 500～1 800r／min這一區間相比不安裝內插管時有小幅提升外，其余轉速段內都得到了降低；6階成分除超過5 400r／min之后變差外，其余轉速段都有不同程度的下降；8階成分在1 400r／min之后的整個轉速段都有降低。總體而言，安裝內插管后，進氣噪聲的4，6，8階次成分都得到了較好的抑制。

為考察安裝內插管對進氣系統氣動性能的影響，在穩態氣動性能試驗臺上測量了此進氣系統在設計流量下的流阻，結果表明，原車進氣系統的流動阻力為7.70kPa，增加內插管后流動阻力為8.04kPa。流阻的增加幅度較小，在廠家可以接受的范圍內。

整車道路試驗中，安裝內插管前后發動機轉速從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，導致加速性能略微變差的原因應是安裝內插管后進氣系統的流阻變大，在420m3／h的設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

在進氣系統引氣管上的適當位置開孔，具有降低進氣噪聲的作用。德國曼胡默爾公司在其生產的幾款空濾器引氣管上使用了開孔的設計；日產和奧迪公司也在其幾款量產車型的進氣系統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。引氣管上開孔后進氣噪聲得到降低的原因之一是聲泄漏，此種措施導致的發動機艙內噪聲的升高并最終對車內噪聲的影響并不明確，需要進一步研究。

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，數量為8個，開孔面積307.7mm2，原進氣口面積約為3 000mm2。對開孔前后的進氣系統進行了靜態聲學性能試驗和動態發動機臺架試驗，以研究開孔對進氣系統聲學性能的影響。

2.1 傳遞損失試驗與結果分析

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

試驗在浙江大學振動噪聲實驗室內進行，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，用內壁光滑的剛性圓管將聲源引入半消聲室內并與進氣系統相連（見圖8）。將1，2傳聲器安裝在內徑為75mm的入口直管段，3，4傳聲器安裝在內徑為45mm的出口直管段，并使傳聲器頭部與管道內壁面平齊。其（1，0）模態的平面波截止頻率可依據式（2）計算：

式中：c0為聲速；D為管道直徑。依據最大管徑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ASTM標準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測量消聲元件聲學特性的要求。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載。

傳遞損失測量結果見圖9。可以發現，在引氣管的后部開孔后，進氣系統的傳遞損失明顯比不開孔時大。50Hz以內，開孔后傳遞損失有小幅的提高；在150～370Hz頻率范圍內，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頻率段內傳遞損失有2～5dB的提升；但是在80Hz附近頻段內，開孔后的傳遞損失并未得到提升。總體而言，開孔后的傳遞損失相比不開孔時，在大部分頻率段內都有了提升。

2.2 消聲量試驗與結果分析

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。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 發動機臺架試驗

在實際裝車使用時，進氣系統內部是有氣流流動的，為驗證在進氣系統引氣管上開孔的措施在有氣流作用下仍能夠有效降低進氣噪聲，進行了臺架試驗。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，因而用1臺2.0L自然吸氣汽油機替代，以200r／min為間隔測量了全負荷工況下1 000～4 000r／min各點的進氣噪聲。傳聲器軸線與進氣氣流方向成45°夾角，頭部距離進氣口端面中心10cm。為盡量減小發動機本體噪聲的影響，將進氣系統用內壁光滑的直管引出至離發動機3m處，同時在進氣噪聲測點與發動機本體之間使用隔音材料進行屏蔽，使發動機本體傳來的噪聲不能直接傳播到測點處，試驗布置見圖12，測量結果見圖13和圖14。

由圖13進氣噪聲總值能夠發現，在引氣管的后部開孔后，進氣噪聲總值，在全轉速段都減小了，尤其是在1 000～1 400r／min區間內降幅較大，在1 800r／min附近和3 400～4 000r／min區間也都有2dB左右的降幅。

對比進氣噪聲中貢獻最大的2，4，6，8階次成分（見圖14），不難發現在引氣管后部開孔后，進氣噪聲的這4個階次在大部分轉速區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內的進氣噪聲中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內的進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時對應的頻率為80Hz，正好處于開孔后進氣系統聲學性能降低的頻率段上。而4階成分在1 200r／min處對應的頻率也是80Hz，所以在1 200r／min處也出現了開孔后幅值變大的情況。

綜上所述，在進氣系統的引氣管上開孔后，進氣噪聲總值在整個轉速區間內都得到了降低；進氣噪聲的2，4，6，8階次成分在大部分轉速區間內得到了降低，只在部分轉速區間稍有升高。可以預測，在整車上對引氣管采用開孔的措施也能夠有效降低進氣噪聲。

3 結論

a）針對1款即將量產的車型在整車道路試驗中暴露的進氣噪聲過大問題，結合試驗數據，快速設計了內插管，成功降低了整個轉速區間的進氣噪聲；整車試驗結果表明，內插管的設計是有效的；流阻實驗表明，內插管對進氣系統的流阻影響甚小；

b）通過靜態試驗，使用傳遞損失和消聲量2個聲學性能評價指標，研究了在引氣管后部開孔前后進氣系統聲學性能的差異，發現開孔后進氣系統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；通過發動機臺架試驗的驗證，進一步表明開孔具有降低進氣噪聲的作用；

c）預測在整車的進氣系統引氣管上采用開孔措施，對降低進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，但其對車內噪聲的影響還需進一步研究；

d）通過對進氣系統的傳遞損失、消聲量和整車進氣噪聲的測量，對進氣系統聲學性能優化中涉及的靜態試驗、發動機臺架試驗和整車道路試驗進行了系統性的研究。

［1］ 賈維新.發動機結構噪聲和進氣噪聲的數字化仿真及優化技術研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［2］ 張曉東.發動機進氣系統消聲器的氣動—聲學性能研究［D］.上海：上海交通大學，2007.

［3］ Ming－Hung Lu，Ming Une Jen.Intake／Exhaust Noise Reduction with Rig Test Optimization［C］.SAE Paper 1999－01－1660.

［4］ Chi Liu，Zhi－yong Hao，Xin－rui Chen.Optimal Design of Acoustic Performance for Automotive Air－cleaner［J］.Applied Acoustic，2010，71（5）：431－438.

［5］ 杜 江，歐陽華，杜朝輝.氣流影響下的插入管消聲器聲學特性的實驗研究［J］.噪聲與振動控制，2010（4）：104－109.

［6］ 龐 劍，諶 剛，何 華.汽車噪聲與振動——理論與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2006：225－226.

［7］ Munjal M L.Acoustics of Ducts and Mufflers［M］.New York：Wiley－interscience，1987.

［8］ 徐航手，康鐘緒，季振林.排氣消聲器傳遞損失的實驗測量與分析［J］.噪聲與振動控制，2009（4）：228－232.

［9］ 劉聯鋆，郝志勇，錢欣怡.空濾器濾芯聲學性能的仿真方法［J］.浙 江大 學 學 報：工 學 版，2012，46（10）：1785－1789.