基于消聲優化的空濾器系統噪聲研究

魏小寶，何柳

（1.上海交通大學車輛工程專業，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，柳州 545007）

基于消聲優化的空濾器系統噪聲研究

魏小寶1，何柳2

（1.上海交通大學車輛工程專業，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，柳州 545007）

空氣濾清器系統做為發動機進氣系統的重要零部件，其不僅影響著發動機系統的進氣效率，功率，扭矩等，更重要的在于它還是整車的噪聲源之一，影響著整車的內噪聲和通過噪聲。隨著汽車在我國的大規模普及，其已日漸成為生活中不可缺少的代步工具，因此人們對汽車本身的噪聲和舒適性要求越來越高，做為噪聲源之一的空氣濾清器系統的噪聲研究就顯得特別重要，本章內容將具體說明如何基于噪聲控制進行空氣濾清器的設計開發。

空氣濾清器；噪聲控制；噪聲階次分析方法

目前為上海交通大學在讀工程碩士，車輛工程專業，主要研究方向為汽車的進氣系統及其NVH性能，排氣系統的設計研究等，曾發表《基于熱場分析的排氣消聲器質量控制技術》等文章。

引言

整車噪聲除了發動機的結構輻射噪聲外，空氣濾清器系統噪聲也是主要的噪聲源，其已成為車輛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。空氣濾清器系統噪聲從本質及成因上來講與燃燒過程有關系，其噪聲頻譜與發動機轉速有直接關系，因此在分析中經常采用階次分析技術，通過階次分析技術分析出需要使用消聲元件的頻段及其種類，然后使用噪聲仿真軟件和實際測試對比來達到控制噪聲的目標。基于改善品質的需求，對空濾器噪聲的研究和消聲降噪會非常必要。

1 空濾器進氣噪聲理論基礎

1.1空濾器進氣噪聲簡介

進氣噪聲：由進氣門周期性開閉引起進氣管道內空氣壓力和密度的起伏變化，形成空氣動力性噪聲，在發動機升、降速過程中，其主要頻率成分受發動機轉速的影響而不斷發生變化，因此從本質及成因上來講進氣噪聲與燃燒過程有關系，其噪聲頻譜與發動機轉速有直接關系，隨著轉速的升高， 進氣噪聲隨之增大， 而且進氣噪聲總聲壓級與轉速之間基本呈線性遞增關系。根據產生機理將進氣噪聲分為以下幾類：

（1）周期性壓力脈動噪聲：氣門的開閉過程中發動機進氣管道內空氣壓力和速度波動，空氣密度呈周期性變化，是進氣噪聲的主要構成部分。

（2）紊流噪聲：高速氣流進入氣缸，由于在氣流通道內有障礙物使氣流受阻形成紊流。

（3）氣缸的共振噪聲：氣缸相當于一端封閉的赫姆霍茲共振腔，共振來源于氣缸內氣體壓力波的激發，共振頻率的大小只取決于氣缸容積、進氣管長度和直徑。

（4）進氣管的氣柱共振噪聲：進氣門關閉，進氣管一端封閉一端開口構成氣柱共振系統。在管道內的氣體介質由于具有連續分布的質量和可壓縮性而易發生氣柱的振動。

空氣濾清器系統噪聲大體可分為以下兩類：

以上定性的講解了進氣噪聲的產生及其分類，以下將定量講解相關概念

進氣空氣動力噪聲：

n： 發動機轉速 ，

z：發動機缸數，

i： 發動機沖程系數（四沖程為2），

k：諧波次數（階次數），

f： 噪聲頻率對于四缸發動機z=4，i =2發動機發火頻率：

n： 發動機轉速 ，z：發動機缸數，

對轉速范圍在700-6 000轉的四缸發動機，發動機的發火頻率范圍為：

根據空氣濾清器的工作環境可知為使空氣濾清器避免產生共振，應當使空氣濾清器的模態頻率高于200Hz，一般取高于振動頻率15%，則空氣濾清器的殼體的振動頻率是200×1.15 =230Hz。

1.2空濾器進氣噪聲分析方法

目前比較成熟的噪聲分析方法是階次分析方法，這是一種有效的非穩態信號分析方法，采用階次分析法，對汽車發動機空氣濾清器系統噪聲進行研究測試，可以清晰的分辨發動機轉速對于空氣濾清器噪聲的影響及其相互關系，從而為發動機空氣濾清器系統噪聲控制提供參考依據，通常所說的階次噪聲與發動機的點火頻率有關。

對于發動機這類旋轉機械，通常定義曲軸旋轉對應的頻率為基頻，也就是1階，基頻的n倍被稱為n階。在發動機進氣系統研究中，并非所有階次都是所需的，這要視發動機的類型而定，比如對于直列四缸發動機，在一個工作循環內，按照1243缸的順序依次點火，一個工作循環，曲軸轉兩圈，所以發火頻率剛好對應2階，進氣系統噪聲通常在發火頻率及其對應的諧次上有較高的值。

階次分析首先要分析進氣口總聲壓級隨轉速的變化關系， 并根據進氣噪聲階次分析的特征分量分布， 初步識別其主要頻率成分及相應噪聲源， 以及最大噪聲產生時的發動機運行工況， 分析結果可為發動機進氣系統優化設計及噪聲控制提供一定的參考依據。

下圖所示為某發動機5 000rpm穩定工況時進氣口噪聲的聲壓級，由圖可見，其聲壓級具有明顯的諧次特性，并且前8階噪聲中，2、4、6、8階為最突出的諧次。所以對于直列四缸發動機而言，研究其發火頻率及其各諧次的噪聲才有意義，發火頻率的第二諧次對應4階，第三諧次對應6階，依此類推，而噪聲隨著諧次的增加逐漸減弱，所以在四缸發動機進氣系統階次噪聲研究中，通常取2、4、6、8階。對于六缸發動機，通常取3、6、9、12階。

2　空氣濾清器系統

2.1空氣濾清器系統簡介

空氣濾清器系統包括空氣濾清器總成，進氣管總成，波紋膠管總成等，由于調音的需要通常還會包括諧振腔和1/4波長管等消聲元件。此處我們研究的空氣濾清器總成為進氣系統的一部分，不包括進氣歧管，其主要功效在于過濾即將進入發動機的空氣，保證供給給發動機清潔的空氣，同時基于消聲降噪的需求，減少進氣口、流動、輻射和結構引起的噪聲，根據不同發動機的噪聲特性增加相關的消聲元件，優化由空氣濾清器系統引起的相關車內噪聲和通過噪聲的貢獻值。空濾器系統所有功能要求和結構設計對整車噪聲非常關鍵。

2.2空濾器系統消聲元件簡介

空氣濾清器本身也是一種消聲降噪元件，且隨著自身容積的增大，消音效果會變好，但僅僅用空氣濾清器本身很難達到控制噪聲的目的，尤其是人們對車內噪聲的要求越來越高和要求越來越好的車外噪聲，因此對空氣濾清器消聲元件的噪聲控制研究顯得特別重要。

2.2.1赫姆霍茲消聲腔

赫姆霍茲共振諧振腔由一個消聲元器件和一根連接管道組成，該連接管將消聲元器件與氣流通道主管道相連接，諧振腔傳遞損失最大時其共振頻率如下：

各參數代表的意義如下：

消聲元件容積V ；

主管截面積Sm ；

連接管的截面積為Sc ；

連接管的長度為Lc；

C為聲速；

赫姆霍茲共振諧振腔各參數的變動對其消聲特性有著很大的影響，因此我們可以調整諧振腔的各參數來達到一定的消聲目的。隨著諧振腔容積增大，傳遞損失最大值對應的頻率將會減小，連接管長度增大，傳遞損失最大值對應的頻率也會減小，連接管內徑增大，傳遞損失最大值對應的頻率會增大。

由于空間限制，諧振腔在安裝過程中也會出現折彎安裝，實驗證明當諧振腔彎曲安裝時對傳遞損失，中心頻率等都沒有影響，因此可以按照空間優化布置，根據經驗一般會取諧振腔容積為發動機排量的3-5倍進行設計。

2.2.21/4波長管

1/4波長管是安裝在主管道上的一個封閉管子，其消聲原理是當聲波從主管道進入旁支管道后被封閉端反射回到主管道，某些頻率的聲波與主管道中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，以此來達到消聲的目的。

C為聲速

L為波長管長度

波長管一般用來消除高頻噪聲

影響1/4波長管傳遞損失及消聲特性的參數主要有：

1）1/4波長管長度；

2）1/4波長管直徑；

3）進氣主管道直徑；

隨著波長管長度的增加，1/4波長管的共振消聲頻率將會降低，傳遞損失最大值對應的頻率也會減小；隨著波長管直徑的增加，傳遞損失最大值對應的頻率減小，對應的峰值將會增大；進氣主管道直徑增加，傳遞損失最大值對應的頻率將會增大，對應的峰值將會下降。

1/4波長管由于會受到空間的限制，因此在布置的時候會出現折彎，實驗證明彎曲角度的變化不會對傳遞損失產生影響，因此可根據實際空間位置進行布置。

3. 噪聲優化過程

3.1空氣濾清器系統的噪聲仿真

目前在開發空氣濾清器系統的時候都會先應用GT-POWER， Wave等軟件進行初步的仿真分析，經過仿真初始設計的空氣濾清器系統測得相關的噪聲曲線并與設定的目標相對比，得出需要改進的噪聲曲線特性。如下圖所示為典型的噪聲特性曲線，從圖6中可以看出以下特性：

1）.進氣系統總的噪聲在1000rpm-4 000rpm的轉速范圍之內超出目標值；

2）.二階噪聲在1 500rpm-3 500rpm的轉速范圍超出目標值，在93Hz左右的頻率上達到峰值；

3）.四階噪聲曲線在1 400rpm，2 600rpm及

3 800r p時有尖峰且在2 950rpm-5 350rpm的轉速范圍內噪聲超過目標值；六階的噪聲在1 650rpm-3 600rpm超出目標值。

為了將空氣濾清器的噪聲水平控制在目標范圍之內，需要增加一些消聲元件降噪。

針對二階的噪聲特性，由于在93Hz左右的頻率上存在峰值，考慮增加赫姆霍茨消聲腔，在此經過計算增加1.7L的赫姆霍茨消聲腔，經過消聲之后的噪聲曲線如下圖7：增加赫姆霍茲共振消聲腔之后的噪聲特性如下：

1）. 二階的噪聲基本上可以滿足要求，只有在3 000rpm和4 800rpm的時候略為超出目標值2-3分貝；

2）. 四階噪聲在2 600 rpm和3200rpm的范圍內有較大幅度的降低，在3 800 rpm仍然存在尖峰，在2 800 rpm到4 200 rpm的轉速范圍仍然超過目標值；

3）. 六階的噪聲特性變化不是很明顯。

經過本輪消聲之后空氣濾清器系統的噪聲特性已經較之前未增加消聲元件之前改善許多，但仍然未符合設定的目標，從噪聲特性曲線可以看出四階在3 800 rpm轉速左右存在峰值，考慮增加253Hz的赫姆霍茨共振腔，針對六階的情況有3個尖峰噪聲且從1 800 rpm到3 500 rpm之間的噪聲值超過目標曲線，3個尖峰點的轉速為2 000 rpm，2 600 rpm和3 300 rpm，其對應的共振頻率為200Hz，260Hz，320Hz，類似于第一次增加赫姆霍茨消聲腔的過程，在此增加對應于以上三個頻率點的赫姆霍茨消聲腔，經過消聲之后的噪音特性如下圖8：

從噪聲特性曲線圖上可以看出空氣濾清器系統總的進氣噪聲基本上可以滿足要求，只在3000rpm到3 600rpm的轉速范圍內略為有些超標，我們認為基本上可以滿足噪聲要求，各階次噪聲均符合設定的目標，仿真調音結束。

3.2空氣濾清器系統的調音過程

空氣濾清器系統經過初步的噪聲仿真之后需要進一步做調音處理，因為大多數常用的噪聲仿真軟件都是一維的，模型的準確性對仿真結果的準確性至關重要，為了使仿真結果與測試結果的擬合度盡量的高需要在實測空氣濾清器各系統性能參數的情況后對仿真模型進行標定處理，所以進行實車調音非常必要。

3.2.1噪聲源識別

進行消音降噪處理首先需要精確的找到噪聲源，一般都會經過主觀和客觀兩種方法進行判斷，首先經過主觀判斷，經過人耳的初步判斷找到大概的噪聲源，再經過儀器精確測試，測試時需要對所選定的噪聲源和總的噪聲源分別進行屏蔽處理，以此對比測試來確定真正的噪聲源。3.2.2噪聲優化過程

空氣濾清器系統經過一系列的噪聲仿真優化等過程后經實際測試整車的通過噪聲在此條件下仍不滿足國家法規要求，空氣濾清器對噪聲有相當的貢獻值，因此需要進一步深挖造成噪聲超標的原因，通過消聲元件的優化來達到噪聲控制的要求，以下對空氣濾清器進行調音，其基本過程如下：

經過實車測試發現空濾器系統對3檔工況時的噪聲影響比較大，噪聲對應的頻率主要為230Hz左右的頻率帶，其次空氣濾清器的殼體輻射噪聲值相對來說也比較大，經過主觀判斷車內駕駛員耳側令人不舒服的噪聲大部分來自于空氣濾清器的殼體輻射噪聲，以下為我們簡單的對空氣濾清器系統做了殼體屏蔽處理之后的噪聲特性曲線，圖9中藍色為處理后，圖10中虛線為處理之后。

通過屏蔽處理之后發現噪聲改善情況相當可觀，因此需要增加赫姆霍茨諧振腔和1/4波長管等消聲元件進行消聲，需要指出的是空氣濾清器系統的調音過程相當的繁雜，需要調試很多輪才能達到合格的狀態，以下為重要的調音步驟：

為了方便測試，在實際操作過程中不對發動機等背景噪聲作屏蔽處理，僅測試增加或者減少消聲元件之后的噪聲值，通過對比分析得出消聲元件的消聲效果，下圖虛線所示噪音曲線為增加了赫姆霍茨諧振腔之后的噪聲曲線，從噪聲曲線可以看出二階噪聲在2 200rpm左右消聲效果非常明顯，其他各階次噪聲變化不大，總體上對降低進氣口噪聲是有效的。

以下是增加赫姆霍茨諧振腔之后測得的諧振腔殼體輻射噪聲的對比值，虛線所示噪音曲線為沒有諧振腔時的狀態，可以看出諧振腔的殼體輻射噪聲是比較大的，尤其是二階的殼體輻射噪聲必須考慮適當的方法進行優化，圖13所示為增加諧振腔和未加諧振腔之前車內駕駛員側噪聲的對比，從噪聲特性曲線可以看出，諧振腔對車內噪聲幾乎沒有貢獻。從上面的噪聲特性曲線可以看出，該諧振腔的存在雖然消聲效果有效但是產生的殼體輻射噪聲也相當的大，必須考慮加以優化，以下我們將諧振腔的位置更改到連接在波紋膠管處并減小諧振腔的消聲容積以減小諧振腔的殼體輻射噪音并考慮增加1/4波長管以消除特定的高頻噪聲，根據噪聲特性曲線在波紋膠管處增加一個210Hz的諧振腔并增加一個340Hz的1/4波長管之后的噪聲特性曲線圖14可以看出4階和6階噪聲降低明顯，其中4階噪聲在3100rpm之后降低非常明顯，6階在3000rpm-3500rpm的轉速范圍內降低，進氣口總噪聲在2600rpm-3800rpm之間也有明顯的降低，因測試時用同一位置的傳感器測進氣噪聲與殼體輻射噪聲，且噪聲改善明顯，因此可以認為采取的該消音手段是正確的。

由于我們實車調音的基礎是在軟件仿真合格的基礎上進行的，為了調試的方便未對發動機等的噪聲源進行屏蔽處理，只是對比各消音手段的效果，因此在驗證消音手段有效的前提條件下其噪音必然是符合最初設定的調音目標的。

4　總結

本文對空氣濾清器的設計分析主要是基于噪聲控制的角度來進行的，分析影響空氣濾清器系統的各消聲元件的消聲特性并以實際案例來講解整個的調音流程，以噪聲階次分析方法分析各轉速條件下的噪聲特性，根據噪聲特性設計合適的消聲降噪元件，并以實車調試對比各消聲元件的實際消聲效果，對匹配自然吸氣式發動機的空氣濾清器基于噪聲控制的設計開發思路有一定的借鑒意義。

［1］楊誠，鄧兆祥，阮登芳. 進氣噪聲產生機理分析及其降噪［J］.汽車工程，2005.

［2］邵恩坡，程漢華.發動機進氣噪聲產生的機理及其控制 小型內燃機.1994.

［3］劉永長. 內燃機原理. 武漢：華中科技大學出版社.2001.

［4］張小燕. 應用GT-POWER進行發動機進氣系統噪聲仿真，2007年CDAJ-China中國用戶論文集.

［5］岳貴平 盧炳武 劉英杰等. 發動機進氣系統聲學元件設計方法研究.中國第一汽車集團技術中心.

［6］賈維新 郝志勇 空濾器聲學性能預測及低頻噪聲控制的研究.內燃機工程，2006（5）：67-70.

專家推薦

王為人：

作者運用階次分析的方法研究空濾器進氣系統噪聲，針對某些敏感頻段的階次噪聲通過精心設計、匹配赫姆霍茨諧振腔和1/4波長管進行調音降噪，有效降低某車型進氣系統噪聲，使其達到設計目標，工程效果顯著。同時指出雖然赫姆霍茨諧振腔有消聲效果但具體應用時還應考慮其殼體的輻射噪聲，具有應用推廣價值。

Air Cleaner Noise Design Research Based on noise elimination

WEI Xiao-bao1， HE Liu2（1.Shanghai Jiaotong University， Vehicle engineering， Shanghai 200240； 2. SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.Technical center，Liuzhou 545007）

Air induction system is a very important part of engine， it affect air induction efficiency，power and torque performance of engine， and more important it is one of noise source of vehicle. Affect the interior noise and pass-by noise. As more and more people will be have car in the future， it is become a requisite for ride instead of walk， so they care more about noise and comfort of vehicle， so it is very important to research the noise of air induction system. We will use specific example to explain the method of air induction system noise control.

Air cleaner ； Noise control； Noise order analysis method魏小寶

U463

A

1005-2550（2015）03-0006-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.002

2014-09-25