內燃機噪聲優化對車內聲學的影響研究

內燃機噪聲優化對車內聲學的影響研究

毛杰,郝志勇

(浙江大學能源工程學系，杭州310027)

摘要：提出了內燃機結構輻射噪聲的仿真與優化方法，評價了內燃機噪聲優化前后車內噪聲的變化。建立了內燃機和前圍板的有限元模型，通過模態分析驗證了模型的精度。采用柔性多體動力學方法計算了內燃機的振動響應，并結合邊界元算法得到了結構輻射噪聲。完成了機體的結構優化，通過提升剛度使整體模態頻率與激勵峰值頻率分離，從而降低機體結構響應，減小輻射噪聲。搭建了內燃機與前圍板的聲學耦合模型，計算得到經機體結構優化前后的內燃機輻射噪聲通過前圍板后進入車內的聲功率。結果顯示，機體的優化方案大幅降低了其輻射噪聲，從而減小了整機的輻射噪聲。研究內燃機噪聲與車內噪聲的傳遞路徑后，發現車內噪聲有了明顯的下降，從而證實了優化設計的可行性和有效性。

關鍵詞：內燃機噪聲；機體優化；前圍板；車內噪聲；耦合優化

中圖分類號:TB532文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51408228);華南理工大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(2013ZB0023);中國博士后科學基金資助項目(2013M540656)

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-03-07

Coupledoptimizationofinternalcombustionengineradiatednoiseandinteriornoise

MAO Jie, HAO Zhi-yong(DepartmentofEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:A simulation and optimization method for noise reduction of an internal combustion engine was proposed and used to evaluate the interior noise change before and after the engine noise optimization. Finite element models of the engine and dash panel were constructed and validated by modal analysis technology. The flexible multi-body dynamic method was employed to calculate the engine vibration response with which the structural radiated noise was detected via boundary element codes. Then, the optimal design of the engine block was implemented to improve its stiffness and make global modal frequencies apart from excitation peak frequencies, aiming at reducing the structural response and radiated noise. An acoustic coupled model of the engine and dash panel was constructed to calculate the acoustic power transmitted from the engine surface through the dash panel into the interior before and after the block optimization. The results show that the optimal scheme for the block substantially lower the structural radiated noise, as well as that of the engine. After making clear the acoustic transmission path between the engine and interior, it is found that the interior noise can be distinctly reduced, which proves the feasibility and effectiveness of the optimal design.

Keywords:internalcombustionenginenoise;blockoptimization;dash;interiornoise;coupledoptimization

在汽車的行駛過程中，引起車內噪聲的因素涉及到每個系統，如車體、發動機、懸架、進氣、排氣等系統[1]。其中，發動機的振動與噪聲與其他系統的結構響應有著密不可分的關系。因此，對發動機的結構實施改進，優化其振動響應與輻射噪聲，不僅可以在一定程度上削弱發動機激發其他系統振動的能力，還可以降低發動機傳遞到車內的噪聲量。

目前，學者們已完成了多項內燃機及其零部件的振動噪聲性能優化工作。在內燃機薄壁件NVH性能研究方面，賈維新等[2]采用形貌優化方法以提高某階模態頻率，并結合油底殼的振動噪聲分析方法預測了優化前后油底殼的輻射噪聲，優化效果非常明顯；王連生等[3]運用有限元-邊界元法對柴油機缸蓋罩結構輻射噪聲進行了虛擬預測，得到噪聲貢獻量突出的模態，并對缸蓋罩實施多目標形貌優化，使改進后的缸蓋罩整體剛度加強，輻射聲功率級下降3.5dB(A)。在內燃機主體零部件方面，楊陳等[4]采用有限元、邊界元和柔性多體動力學相結合的方法預測了整機的輻射聲功率級，通過對機體的結構優化，實現了降噪和輕量化的雙重目標。在內燃機電控技術方面，胡國強等[5]通過改變轉速、預噴油量、預噴間隔角、軌壓和主噴正時，研究上述參數對怠速噪聲的影響，并確定最佳參數的組合，改善了怠速聲品質。

但是，當把發動機安裝在引擎艙后，人耳通常不再關心發動機的本體噪聲，而是發動機振動激發其他系統的能力和發動機噪聲經前圍板傳遞到車內的聲能。其中，發動機的振動可以通過懸置系統得到有效控制[6]，并且由于振動傳遞路徑非常復雜，本文對此不展開分析。

在本次研究中，搭建了某四缸柴油機的整機有限元模型，結合多體動力學理論計算了柴油機在標定工況下(75kW/3600r/min)的表面振動響應，采用邊界元算法計算得到結構輻射噪聲。為了評價發動機與車內噪聲的傳遞路徑，建立了柴油機和前圍板的耦合模型，采用耦合邊界元法獲取柴油機在機體優化前后的輻射噪聲，并以此作為入射聲激勵計算前圍板的透射聲功率，評價發動機聲學優化與車內噪聲之間的變化關系。以上研究內容目前暫無報道，因此可以作為內燃機噪聲與車內噪聲傳遞路徑耦合分析的技術參考。

1耦合優化理論

1.1柔性多體動力學基本理論

傳統的多體動力學主要對剛體結構進行研究，但是剛性假設對于計算精度的影響較大，故引入柔性體的概念。柔性多體動力學采用模態縮減技術，將具有多自由度的有限元模型縮減至少量自由度，并能保存系統的動態特性。

柔性體動力學不僅存在剛性運動，還存在局部彈性變形。柔性體動力學方程建立在廣義坐標系上，可以反映柔性體的大尺度剛性體位移和小尺度線彈性變形[7]。

(1)

廣義坐標下，基于拉格朗日方程的控制微分方程的最后形式表示為：

(2)

1.2耦合間接邊界元

本次研究中，耦合間接邊界元由兩部分組成，一是與結構(即前圍板)耦合的邊界元Ωs(具有n1個節點)，用于計算前圍板在發動機噪聲激勵下的結構輻射噪聲，獲取傳遞到車內的透射聲功率；二是未與結構(前圍板)耦合的邊界元Ω2(具有n2個節點)。已知在Ω2上法向速度vn(即柔性多體動力學計算得到的內燃機表面振動速度)，則在整個間接邊界元上的單層勢σ=0，只需雙層勢μ，結構動力學方程[8]如式(3)所示。

(3)

式中：Ks、Cs和Ms分別為結構的剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣；{u}為結構位移向量；{Fs}為作用在結構上的外載荷(不包括聲壓載荷)；Lc{μ}為聲壓作用在結構上的載荷，其中，Lc為耦合矩陣。

2仿真模型搭建與驗證

2.1機體模態分析

模態分析在工程中的應用非常廣泛，而在本文中其作用主要體現在以下兩個方面[9]：

(1)模態是結構固有屬性之一。對于內燃機及其零部件而言，若前十階仿真與試驗模態頻率的誤差在10%以內，則可以保證有限元模型的精度及后續計算的可靠性；

(2)前幾階模態以整體模態為主，在具有這些模態頻率成分的激勵下，結構響應易被激發甚至放大，輻射出較大的噪聲。

本次研究的發動機為一款四缸2.8L共軌柴油機，其機體的有限元模型如圖1(a)所示，由大約16萬個四面體單元離散而成。機體的材料為HT230，密度為7 280kg/m3，楊氏模量為120GPa，泊松比為0.265。

機體的仿真與試驗模態頻率分別通過Lanczos算法和單點激勵—多點響應測試技術獲取。試驗過程中，將機體用柔性繩懸掛，使機體盡可能接近理想的自由邊界狀態。激勵點和測點均不應靠近結構振動節點(即無振動響應或低信噪比)，測點總數為150余個，如圖1(b)所示。

表1列舉了機體前十階仿真與試驗模態的對比結果。可以看出，仿真與試驗模態的誤差非常小，基本都在5%以內，完全滿足工程的需要(通常為15%)。因此，機體有限元模型的精度是足夠高的。

圖1　柴油機機體的有限元模型(a)和模態測點(b) Fig.1 The finite-element model (a) and modal measuring points of the engine block

階次試驗/Hz仿真/Hz誤差/%1628626-0.329539550.23122512602.94152315330.7516491634-0.9617581658-5.7718331820-0.78185518590.29190519793.910203020531.1

2.2前圍板仿真模型

前圍板作為汽車上隔絕乘客艙和發動機艙的薄壁件，其良好的隔聲性能對于提高車內聲品質具有非常大的作用。前圍板的有限元模型如圖2(a)所示，大約由17000個四邊形單元組成；其精度同樣需要經過模態驗證，測點總數為30余個，如圖2(b)所示。隨著頻率升高，前圍板的局部模態開始起主導作用，這為模態試驗帶來了一定的困難。因此，表2只列舉了前圍板前6階仿真與試驗整體模態對比結果。仿真與試驗模態頻率誤差最大為6.9%，滿足工程要求，可以保證前圍板有限元模型及其用于后續計算的精度。

圖2　前圍板有限元模型(a)和模態試驗(b) Fig.2 The finite-element model (a) and modal experiment (b) of the dash panel

階次試驗/Hz仿真/Hz誤差/%11616.51.322222.31.432829.55.445255.66.955756.7-0.566362.9-0.5

圖3　內燃機整機有限元模型 Fig.3 The finite-element model of the internal combustion engine

3機體結構優化

3.1多體動力學仿真

為了使機體的動力學響應結果與試驗相仿，搭建了整機有限元模型，如圖3所示。整機模型包括機體、曲軸系、缸蓋、薄壁件(缸蓋罩、油底殼等)、附件(支架、螺栓等)，并在飛輪端用桿單元模擬變速箱與內燃機的相互與作用，共約43萬個單元。

動力學仿真在內燃機的標定工況下(75kW/3 600r/min)進行，約束條件與臺架試驗相同，即機體兩側和變速箱側的支架進行位移約束，形成三點固定支撐。機體受到的激勵繁多且復雜，并以三種主要途徑作用在機體上：①缸內燃燒引起的氣體壓力通過缸蓋螺栓傳遞到機體上；②缸套—活塞作用引起的側向力通過缸套作用在機體上；③閥系力直接作用于機體上(如氣門落座力)或通過軸承作用于機體上(如軸系旋轉產生的力)。

在上述激勵中，氣體壓力是通過試驗測量得到，即在燃燒室頂端開一個小孔安裝壓力傳感器。對于一臺典型的直列四缸內燃機，其作功沖程按照氣缸順序1-3-4-2進行，相鄰兩次作功沖程之間的曲軸轉角間隔為180°。如圖4所示為作用在活塞頭部的氣體壓力隨頻率變化的曲線。從圖中可以看到，在600Hz以下頻域，氣體壓力較大，主要影響內燃機的振動情況；而在高頻域出現的峰值，對結構輻射噪聲影響較大。

在氣體力的激勵下，結合活塞動力學和閥系動力學可以分別獲得側向力和閥系力。在上述力的共同作用下，得到機體等其他零部件表面的振動響應。

為了驗證動力學仿真的準確性，保證后續聲學計算的可信度，在標準的半消聲室內設計并執行了內燃機臺架試驗。試驗工況與仿真相同，即將轉速穩定在標定工況(75kW/3 600r/min)，在機體表面隨機選擇振動測點1和2(非節點，位置如圖3所示)并采集響應結果。如圖5所示為動力學仿真與臺架試驗獲得的機體表面振動加速度級對比結果。其中，振動速度級的公式定義為：

(4)

式中：Lv表示速度級；v表示測點的振動速度；v0表示參考速度，值為5×10-8m/s。

從圖5(a)中可以看出，測點1的仿真振動速度級的變化趨勢和幅值，總體上與試驗結果十分接近。在個別頻率上出現誤差的原因是內燃機受到非常復雜的激勵和約束，在保證準確度的前提下需要對結構、激勵和約束實施一定的簡化處理，以提升分析效率，故導致了相關誤差的產生，但是滿足工程需要。測點2的對比結果與測點1相似，如圖5(b)所示。總體而言，在0~3 000Hz頻率范圍內，仿真與試驗獲得的機體表面振動速度響應的趨勢和幅值是基本吻合的，可以保證了內燃機有限元模型和動力學仿真結果的精度。

圖4 缸內燃燒產生的氣體力Fig.4In-cylindercombustioninducedgaspressure圖5 動力學仿真與臺架試驗獲取的機體表面振動速度級對比Fig.5Thedynamicsimulatedandbench-testedblocksurfacevibrationvelocitylevelcomparison

3.2機體聲學仿真與優化

當通過柔性多體動力學獲得結構表面的垂向振動響應后，結合邊界元理論即可得到結構的輻射噪聲。對于內燃機機體而言，其輻射聲能主要集中在1 000~3 000Hz[10]，因此，采用動力學仿真結果和邊界元理論計算得到機體的輻射聲功能級LW，如圖6所示。在標定工況下，機體結構輻射聲功率級的仿真結果顯示，在1 550~1 900Hz和2 350~2 800Hz頻段內，曲線具有較大的幅值。比如，在1 977Hz和2 500Hz處，機體結構輻射聲功率分別為68.2dB(A)和70.8dB(A)。

機體的結構優化需要滿足以下前提條件：①除振動噪聲特性以外的其他性能(如燃油經濟性、動力性等)不能受到負面的影響；②優化模型不存在加工工藝、結構連接、組裝等問題。

優化方案的核心思想是提升機體的剛度，從而分離整體模態頻率和激勵峰值頻率。該優化思想已經被多位學者證明其有效性：YUAN等[11]采用遺傳算法研究了一個復合圓柱結構的最小內部聲壓，并基于聲傳遞向量法建立了結構表面振動速度與觀察點聲學響應的對應關系，最后通過提升圓柱的彎曲剛度降低了低頻域的噪聲；CHOY等[12]研究了板式消聲器的降噪性能，通過提升剛度不僅實現了結構輕量化，還提升了消聲性能。

圖6　機體優化前后的結構輻射聲功率級對比 Fig.6 Structural radiated acoustic power level comparison before and after the block optimization

對于任一種優化方案，上述計算流程需要重新執行，觀察是否能獲得理想的頻率分離效果。若某一方案使機體的輻射聲功率級峰值得到了下降，則它可以作為參考方案繼續下一輪的優化。經過這樣的優化流程后，通過對比不同方案的性能，得到機體主推力側、副推力側和飛輪側的最優方案如圖7所示(圖中深色處為結構優化區域)。加強筋在提升機體剛度的同時，還可以為振動能量的傳遞提供合理的導向，避免局部響應集中或整體響應過大的不利現象，最終降低結構輻射噪聲。

圖7　機體聲學優化設計方案 Fig.7 Acoustic optimal design scheme of the block

優化前和優化后機體的輻射聲功率級對比結果如圖6所示。總體上，機體的輻射聲功率級曲線在優化后有了整體的下降。比如，在1977Hz和2 500Hz處，聲功率級由原機的68.2dB(A)和70.8dB(A)分別降低至66.3dB(A)和68.5dB(A)，下降幅度為1.9dB(A)和2.3dB(A)。

4內燃機與車內噪聲耦合仿真

圖8　內燃機與前圍板聲學耦合仿真模型 Fig.8 Acoustic coupled simulation model of the internal combustion engine and the dash panel

上文已經驗證了內燃機和前圍板有限元模型的精度，并且提出了機體結構輻射噪聲的優化方案。為了評價機體結構優化對于內燃機-車內噪聲傳遞路徑的影響，搭建了兩者的聲學耦合模型，如圖8所示。從圖中可以看到，已知內燃機的垂向振動速度，則結合公式(3)可以求得內燃機表面的輻射噪聲并將其作為前圍板入射側的聲學激勵(圖9)，再與前圍板的約束模態產生耦合，得到內燃機聲激勵傳遞到車內的透射聲功率。需要說明的是，耦合模型的聲學介質均為空氣(聲速為340m/s，密度為1.225kg/m3)，并且為了模擬發動機艙內的近似混響效應，將除前圍板入射側以外的其他面定義為剛性面。機體結構優化前后的內燃機輻射噪聲與前圍板耦合后傳遞到車內的聲功率級對比結果如圖10所示。

圖9　機體優化前后的內燃機結構輻射噪聲 Fig.9 Structural radiated noise ofthe engine before and after the block optimization

圖10　優化前后的內燃機輻射噪聲經 前圍板傳遞到車內的聲功率級對比 Fig.10 Interior acoustic power level comparison from acoustic transmission from the engine radiated noise before and after the optimal design through the dash panel

從圖9和圖10可以看到，機體結構優化不僅降低了內燃機的輻射噪聲，還減小了車內的聲學響應。比如，車內噪聲在2500Hz處下降了2dB(A)左右。

5結論

本次研究完成了某四缸內燃機輻射噪聲和車內噪聲的耦合仿真、試驗和優化研究，相關創新點和結論總結如下：

(1)研究了內燃機噪聲經過前圍板到達車內的聲傳遞路徑，評價了內燃機噪聲優化與車內噪聲變化的對應關系，該項工作目前在國內外技術文獻中尚未報告；文中雖然將聲學包裝、車體模型等實施了簡化處理，但研究思想可以為內燃機-車內噪聲傳遞路徑的分析和優化提供技術參考；

(2)搭建了內燃機和前圍板的有限元模型，并分別通過模態試驗驗證了模型的精度，保證后續計算的可靠性；

(3)基于柔性多體動力學理論完成了標定工況下(75kW/3 600r/min)的內燃機動力學計算，得到各零部件的振動響應。設計了相同工況下臺架試驗，在機體表面隨機選取兩個測點，測點的仿真與試驗結果顯示兩者在分析頻域內的變化趨勢和幅值均保持較高的一致性，驗證了動力學計算精度；

(4)結合動力學結果，計算了并優化了機體表面的結構輻射噪聲；同時，整機噪聲亦有相應的改善；

(5)搭建了內燃機與前圍板的聲學耦合模型，分析了機體聲學優化對于內燃機—車內噪聲傳遞路徑的影響，得到了滿意的優化結果。

參考文獻

[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: 5-7.

[2]賈維新, 郝志勇, 楊金才. 基于形貌優化的低噪聲油底殼設計研究[J]. 浙江大學學報(工學版), 2007, 41(5): 770-773.

JIAWei-xin,HAOZhi-yong,YANGJin-cai.Lownoisedesignofoilpanbasedontopographyoptimization[J].JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience), 2007, 41(5): 770-773.

[3]王連生, 郝志勇, 景國璽. 基于多目標形貌優化的缸蓋罩低噪聲設計[J]. 西南交通大學報, 2012, 47(6): 1064-1068.

WANGLian-sheng,HAOZhi-yong,JINGGuo-xi.Lownoisedesignofcylinderheadcoverbasedonmulti-objectivetopographyoptimization[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity, 2012, 47(6): 1064-1068.

[4]楊陳, 郝志勇, 陳馨蕊. 柴油機機體輻射噪聲預測及低噪聲改進設計[J]. 江蘇大學學報(自然科學版), 2008, 29(4): 301-303.

YANGChen,HAOZhi-yong,CHENXin-rui.Predictionofengineblock’sradiationnoiseandlow-noisedesign[J].JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition), 2008, 29(4): 301-303.

[5]胡國強, 陳曉東, 孫柏林, 等. 4缸柴油機怠速噪聲及聲品質優化研究[J]. 內燃機工程, 2009, 30(4): 78-81.

HUGuo-qiang,CHENXiao-dong,SUNBo-lin,etal.Studyandoptimizationonidlenoiseandsoundqualityoffourcylinderdieselengine[J].ChineseInternalCombustionEngineEngineering, 2009, 30(4): 78-81.

[6]楊驥, 郝志勇, 葛如煒, 等. 基于遺傳算法的發動機冷卻模塊振動優化[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(1): 164-168.

YANGJi,HAOZhi-yong,GeRu-wei,etal.Optimizationofenginecoolingmodulevibrationbasedonageneticalgorithm[J].JournalofVibrationandShock, 2013, 32(1): 164-168.

[7]孫世基, 黃承緒. 機械系統剛柔耦合動力分析及仿真[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[8]李增剛, 詹福良.VirtualLabAcoustics聲學仿真計算高級應用實例[M]. 北京: 國防工業出版社, 2010: 22-24.

[9]PeetersB,De-RoeckG.Stochasticsystemidentificationforoperationalmodalanalysis:Areview[J].JournalofDynamicsystemsMeasurementandControl-TransactionsoftheASME, 2001, 123(4): 659-667.

[10]MaoJ,HaoZY,JingGX,etal.Soundqualityimprovementforafour-cylinderdieselenginebytheblockstructureoptimization[J].AppliedAcoustics, 2013, 74(1): 150-159.

[11]YuanCX,RoozenNB,BergsmaO,etal.Experimental-numericalstudyandoptimizationofsoundinsulationofafinitecompositecylinder[J].EngineeringAnalysiswithBoundaryElements, 2013, 37(2): 250-259.

[12]ChoyYS,LauKT,WangC,etal.Compositepanelsforreducingnoiseinairconditioningandventilationsystems[J].CompositesPartB-Engineering,2009, 40(4): 259-266.

第一作者馬牛靜男，博士后，1986年9月生