汽車進氣系統1/4波長管的設計與應用

當前，汽車保有量達到一個驚人的數值，在川流不息的大街上，汽車的噪聲不絕于耳，汽車噪聲污染已成為城市噪聲污染的主要兇手之一。因此，汽車企業也應該嚴格按照國家法規要求，降低汽車噪聲，盡量減少噪聲污染給城市及其居民帶來的危害。

汽車噪聲多種多樣，喇叭聲、發動機噪聲、機械噪聲等為其主要組成部分。進氣系統作為汽車發動機的門戶，在滿足發動機進氣及過濾要求的同時也帶來進氣口噪聲，它是整車NVH噪聲的重要組成之一。因此降低進氣口噪聲對降低整車NVH噪聲具有重要意義。

進氣噪聲主要成分包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、汽缸的赫姆霍茲共振噪聲、進氣管的氣柱共振噪聲等。空氣過濾器的壁板非常薄，當高速氣流通過時，容易被激勵而引起輻射噪聲[1]。進氣系統與噪聲關聯性如圖1所示。

圖1進氣系統與噪聲源

進氣系統可通過空氣濾清器的容積、進氣管道截面積、內插管的設置、赫姆霍茲共振腔及波長管等進行調音，以達到較理想的優化效果。其中，空氣濾清器的容積、進氣管道截面積及內插管主要是通過截面積的變化，達到較大的擴張比m進行聲學優化；赫姆霍茲共振腔主要是針對低頻較寬頻段對噪聲峰值進行削弱；波長管則主要是針對高頻較窄頻段進行針對性地峰值削弱，達到優化進氣噪聲的目的。其中1/4波長管是汽車進氣系統中最有應用價值的消聲調音元件之一。

本文通過對1/4波長管的應用，根據理論及實測值的分析，解決了某款車型的進氣口嘯叫聲問題。

1 1/4波長管及其設計

1/4波長管是旁支消聲器的一種，圖2所示的為1/4波長管，圖3為旁支消聲器示意圖。聲波在管道中傳播，當遇到邊界時會發生反射，旁支消聲器即利用反射聲波與入射聲波的相互干涉，達到消聲的目的。

圖2 1/4波長管

圖3旁支消聲器

旁支消聲器有管口封閉及管口敞開兩種形式。1/4波長管為安裝在主管道上的一個封閉旁支管，因而屬于管口封閉型旁支消聲器。入射聲波從主管道進入旁支管道后，當到達1/4波長管的封閉端面時，會發生聲波的反射。入射聲波經過1/4波長管的反射后回到主管道，某些頻率下的反射聲波將與主管道內相同頻率的入射聲波相位相反，相互疊加的聲波由于相互抵消而達到消聲的效果[2]。即使相鄰頻率段入射聲波與反射聲波雖然不能完全地抵消，但也將對聲波起到一定的削弱作用。在汽車進氣系統的管道上廣泛應用1/4波長管對特定頻段噪聲峰值進行削弱，即利用該旁支消聲器的原理。

旁支消聲器相關理論計算如下：

式（1）為管道聲學開口-封閉管道的固有頻率f0的計算公式。式中，c為聲速；L表示旁支消聲器管道的長度。由該公式可知，旁支消聲器的固有頻率f0僅取決于其旁支管道的長度L，旁支管道越長，其固有頻率越低。

式（2）為聲速c、頻率f及波長λ的關系。將式（2）代入式（1）得到式（3），即旁支消聲器管道長度L與聲波波長λ的對應關系。

當式（3）中n=1時，即得到式（4）：

式（4）中，旁支消聲器管道長度L為聲波波長λ的1/4倍，此即1/4波長管的由來。

1/4波長管的傳遞損失計算公式如下：

式（5）中TL為1/4波長管的傳遞損失值(dB),m為擴張比，L為波長管的長度，λ為聲波波長[3]。

實際調音過程中需要應用1/4波長管時，先根據仿真或實測的噪聲曲線，找到其噪聲峰值即所需要削弱的部分，設定適當的傳遞損失目標值，再結合以上1/4波長管的相關計算公式，進行1/4波長管參數的設定。

2 1/4波長管的實際應用

在某車型開發過程中，進氣口噪聲實測曲線如圖4中曲線所示。

圖4為某進氣系統進氣口噪聲實測數據，由噪聲曲線分析可知，4、6 階噪聲分別在（4 500～5 000）r/min及3 250 r/min附近存在噪聲峰值，需要針對以上峰值進行調音，以達到較好的聲學性能。

由式（1）可知，為了設定合適的1/4波長管長度L，首先需要設定其目標共振頻率，即調音時該1/4波長管所針對噪聲峰值的頻率f0。而進氣系統的進氣口噪聲主要源自發動機內部噪聲的傳播，其與發動機的發火頻率密切相關。發動機的發火頻率計算公式如下：

式（6）中，τ為發動機的沖程系數。該車型匹配發動機為直列四缸四沖程發動機，其沖程系數τ為2，其發火階次為二階。由式(6)計算得圖3所示進氣口噪聲曲線峰值對應頻率約為300 Hz.

由圖3可知，噪聲峰值部分需要降低約20dB才能達到削弱其峰值的目的。設計過程中考慮將該波長管放置在進氣系統清潔空氣管上(準54),根據以上參數，取聲速c為 340 m/s，結合式（1）～（5），可計算得：波長λ≈1133 mm，L≈283 mm，m≈0.28，1/4波長管直徑d≈28mm。根據以上計算結果，將該1/4波長管的參數設計為：準28×280 mm，預計其能滿足預定的調音目標。

為驗證該1/4波長管的實際消聲效果，根據其設計參數，制作該1/4波長管的快速樣件進行實車噪聲測試，其實測噪聲曲線對比如圖5所示。

圖5添加1/4波長管后進氣口噪聲實測值對比

如圖5所示的噪聲曲線中，實線表示添加1/4波長管前的進氣口噪聲曲線，虛線表示添加1/4波長管后的進氣口噪聲曲線。

由圖中噪聲曲線分析可知，進氣口噪聲在4階和6階得到明顯改善，其在(4 500～5 000)r/min及3 250 r/min轉速下的噪聲峰值得到顯著削弱，且噪聲曲線走向較為平滑，添加該1/4波長管后進氣口噪聲達到了預期的噪聲性能優化目標。

3 1/4波長管的整車布置及感知質量

完成了1/4波長管的參數設計后，其最終需要作為整車及子系統的一個零部件，呈現在客戶面前，因而美觀性也是需要考慮的一個重要因素。

1/4波長管的消聲性能僅與其截面積及管長有關，與具體走向無關。在整車實際布置時，往往無法為1/4波長管找到一個足夠的空間將其設計為一根長直管，因而很多情況下均對1/4波長管的走向進行適當處理，在復雜的三維空間為其尋找最佳的布置空間。

在確定好該1/4波長管的技術參數后，根據該車型進氣系統的周邊環境，為該波長管設計了如圖6和圖7中A、B、C三個方案。

圖6 1/4波長管布置方案（仰視）

圖7 1/4波長管布置方案（俯視）

在圖6及圖7所示1/4波長管的三個方案中，方案A將波長管隱藏在清潔空氣管底部，方案B將波長管隱藏至進氣管底部，方案C將波長管外露在進氣管上部即清潔空氣管前端。

由圖7可知，在打開發動機艙蓋后，方案B及方案C的波長管直接外露，美觀性較差，方案A的隱藏效果較好，因此最終方案選定為方案A。

該1/4波長管的最終設計方案如圖8所示。

如圖8所示，1/4波長管三維走向較為復雜，圖9所示為該車型進氣系統。在發動機艙蓋打開后，隱藏的1/4波長管能避免引起客戶對管路布置的不滿意。在滿足消聲性能的前提下，該1/4波長管的布置方案能有效地提高發動機艙的感知質量，有利于整車品質的提升。

圖8 1/4波長管

圖9進氣系統

3 結束語

1/4波長管是汽車進氣系統常用的消聲元件，由于其對噪聲峰值的針對性強，因而對噪聲性能優化效果十分明顯。1/4波長管設計原理相似，但是其不同尺寸參數對噪聲的優化效果造成一定差異。在實際車型開發過程中，需要根據實測結果，找出其對應的噪聲峰值及頻率，同時結合理論計算與實測數據進行分析，合理設計1/4波長管，使其滿足進氣口噪聲性能優化的要求。這對降低整車噪聲，提升整車品質具有一定的意義。

[1]趙要珍，許雪瑩，韓國華.汽車進氣系統噪聲控制與優化[J].上海汽車，2012，(12):47.

[2]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，2006:214.

[3]岳貴平，張義民.非正態隨機參數的旁支消聲器聲學可靠性靈敏度設計[J].機械科學與技術，2010，(6):721.