汽車進氣系統聲學模態研究

楊晉，張現杰，夏云峰

（奇瑞汽車股份有限公司汽車研發總院，安徽蕪湖241006）

汽車進氣系統聲學模態研究

楊晉，張現杰，夏云峰

（奇瑞汽車股份有限公司汽車研發總院，安徽蕪湖241006）

針對某車型進氣系統諧振腔沒發揮作用這一實際問題，對進氣系統進行聲學模態試驗與CAE仿真分析，掌握了進氣系統聲腔模態特性，找出了問題根源，并優化了進氣系統的諧振腔位置，消除了進氣系統引起的車內轟鳴問題。

NVH；進氣系統；諧振腔；轟鳴聲

0 引言

汽車進氣系統是整車NVH性能開發重點關注對象之一，通過合理的設計、布置聲學消聲元件 （諧振腔與四分之一波長管等），可以有效優化與進氣系統相關的聲音幅值和品質，為用戶提供滿意的整車聲學環境。

常用的評價進氣系統聲學特性的指標之一為傳遞損失，影響傳遞損失的主要因素是進氣系統的聲學模態，了解了系統聲學模態特性可以合理布置聲學消聲元件。文中介紹了如何利用試驗和仿真手段獲取進氣系統聲學模態，根據模態振型優化某車型進氣系統諧振腔位置，解決進氣口和車內轟鳴聲問題。

1 進氣噪聲問題描述

某車型在開發過程中發現在急加速工況乘員艙在2 100 r／min附近有轟鳴聲，嚴重影響車內舒適性。經排查發現進氣系統引氣口噪聲在同樣條件下有一峰值 （見圖1），分析為四階噪聲，峰值頻率在70 Hz附近。為解決這一問題，在進氣系統引氣管設計安裝一諧振頻率為70 Hz的諧振腔 （見圖2），實際裝車驗證問題并未改善。初步判斷諧振腔放置位置不合理。

2 進氣系統聲學模態試驗

為選擇諧振腔放置最佳位置，開展了進氣系統聲學模態試驗研究。試驗原理圖如圖3所示，揚聲器為激勵源，激勵信號為白噪聲，P0—P4為傳聲器，用于測量聲壓信號。

模態 “振型”從傳遞函數的峰值得到，絕對值取決于參考麥克風和揚聲器的位置。模態 “振型”是用各點共振峰值與最大值比值得到的。

確定各點的峰值和相位，各點的峰值除以最大值進行歸一化。相位是以峰值點的相位為基準的差。則模態 “振型”就可以用歸一化后的幅值乘以調整后的相位余弦計算。模態 “振型” ψin：

其中：fn為第n個模態頻率，m為幅值最大值位置，Ai（fn）為第n個模態 i位置幅值，Am（fn）為第 n個模態最大幅值，φi（fn）為第n個模態i位置相位，φm（fn）為第n個模態幅值最大位置相位。根據式 （1）進行 “振型”計算的結果見表1。

表1 進氣系統模態測量結果

3 進氣系統聲學模態仿真

在開展試驗的同時，作者也進行了進氣系統聲學模態仿真計算。分析中用長度和直徑相同的直管代替進氣歧管間管道（“凈管”）。進氣引管長度利用開口直管長度修正方法進行修正，見公式 （3），圖5為修正原理示意圖。

對于一端開口一端封閉的管道［1］（圖5），其固有頻率為：

其中：c為聲速，n為模態階次。其計算長度L′是實際管道長度L加上等效延長管長度ΔL＝0.6r，即：

圖6是進氣系統聲腔有限元模型，圖7是前4階聲學模態結果。

試驗結果同仿真分析結果的模態 “振型”一致，但頻率結果有差別。對于第四階模態 （仿真中258 Hz的模態），試驗未檢測到。這一階模態是進氣歧管的 “橫向”模態，受麥克風布置的影響無法檢測到，此模態對于改善進氣系統結構意義不大，這一差別可以忽略。模態頻率的差別是因為模型修正不準確或受試驗時環境條件的影響。

4 問題分析和解決

從試驗和仿真結果看，該車型轟鳴聲峰值對應的是試驗結果的76.7 Hz模態和仿真的69 Hz模態。兩個模態振型的極值點在空濾附近，引氣口為結點。原設計方案中諧振腔接近引氣口，使諧振腔無法充分發揮作用，試驗中將諧振腔位置移至空濾附近，進氣系統76.7 Hz的聲學模態發生明顯偏移。將改變諧振腔位置的進氣系統裝車驗證，引氣管口噪聲改進效果見圖8所示。

5 結論

在進氣系統設計開發過程中，對進氣系統聲學模態進行分析，在其 “位移”最大 （即模態振型極點）的地方布置消聲元件，即赫姆霍茲諧振腔或四分之一波長管，可以充分發揮消聲元件作用，有效改善進氣系統噪聲。

【1】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，2006：189－195.

【2】杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎［M］.南京：南京大學出版社，2001：254－259.

【3】Lu Ming-Hung，Jen Ming Une.Intake／Exhaust Noise Reduction with Rig Test Optimization-Case Studies［R］.SAE，1999：1－8.

【4】Shaw Christopher E，Moenssen David J，Kostun John D.A Correlation Study of Computational Techniques to Model Engine Air Induction System Response Including BEM，FEM and 1D Methods［R］. SAE，2003：3－25.

【5】應懷樵.現代振動與噪聲技術：第3卷［M］.北京：航空工業出版社，2002：254－258.

【6】李增剛，詹福良.聲學仿真計算高級應用實例［M］.北京：國防工業出版社，2010：25－48.

Research on Acoustic Mode of Vehicle Intake System

YANG Jin，ZHANG Xianjie，XIA Yunfeng
（Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu Anhui241006，China）

Acoustic mode of vehicle intake system was validated by test and CAE simulation，to find out the reason that a resonator in system did notwork.The booming noise was removed by changing the position of the resonatorwhich was optimized according to the results of the acoustic mode analysis.

NVH；Intake system；Resonator；Booming noise

2014－04－24

楊晉（1972—），男，碩士，工程師，研究方向為汽車NVH開發。E-mail：yangjin1＠mychery.com。