某微型商用車進氣系統噪聲優化

李 銳，劉淑玉，張玉巧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0　前言

進氣系統是汽車發動機空氣管理系統的重要組成部分，進氣系統設計的好壞直接影響發動機的動力性及經濟性。完整的進氣系統由發動機進氣歧管系統和空氣過濾系統兩部分組成，兩者在功能上相輔相成且聯系緊密，但是在整車模塊設計劃分上卻又相互獨立的，所以基于整車集成的角度而言，通常將空氣過濾系統稱為進氣系統，本文中提到的進氣系統指的是節流閥體之前部分，主要包括進氣管、空氣濾清器、干凈空氣管及1/4波長管、諧振腔等消音元件。常用進氣系統結構如圖1所示。

圖1　常用進氣系統

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[1]。進氣系統中常用的消聲元件有擴張消聲器、赫姆霍茲諧振腔、1/4波長管等。本文結合進氣消聲元件消聲作用和消聲原理，針對某款商用車存在的進氣系統噪聲問題提出合理的進氣系統結構改進方案，并通過整車噪聲測試驗證了方案成效。

1　進氣聲源

進氣門周期性開/閉引起進氣管道內空氣壓力波動，進而產生進氣噪聲。進氣噪聲主要成分為進氣脈動噪聲、渦流噪聲、空氣柱共振噪聲[2]。

進氣脈沖噪聲是由于進氣門開啟時，空氣密度與壓力呈周期性變化所產生的周期性的噪聲。它是進氣噪聲的主要構成部分，主要頻率集中在200 Hz以下的低頻范圍，見圖2.

圖2　脈沖噪聲

渦流噪聲是由于高速氣流流經障礙物時，氣流受阻在下游區域產生渦流，壓力脈動大，從而輻射出噪聲，渦流噪聲主要是中高頻噪聲。

空氣柱共振噪聲是由于進氣閥門關閉，進氣管道形成一端開口的腔體結構，當振動頻率與反射頻率相同，相位相同時，從而產生的共振噪聲。

2　常用消聲元件

擴張消聲器由一個擴張腔和兩端連接管組成，空氣濾清器就是典型的擴張型消聲器。主要是利用界面突變引起聲波反射來消聲的；也可在腔體內增加插入管，使入射聲波和界面反射的聲波相位相反從而達到消聲目的，消聲性能取決于擴張腔的擴張比和長度。如圖3所示。

圖3　擴張消聲器

赫姆霍茲諧振腔是在主管道上增加一個一定容積的共振腔，如圖4所示。主要是通過共振腔與主管道交界處聲阻抗發生變化，聲波通過時，經過諧振腔空氣振動抵消部分聲能量。影響諧振腔消聲帶寬的主要參數是諧振器的容積，頻率越低需要的消聲容積越大。

圖4　赫姆霍茲諧振腔

1/4波長管是在主管道上增加一個一定長度的管道，如圖5所示。主要是通過聲波反射回到主管，抵消由于相位相反頻率相同的噪聲。1/4波長管的消聲量取決于與主管道連接的截面積，為了使波長管有足夠的消聲帶寬，波長管直徑必須大于主管道直徑的1/2.

圖5　1/4波長管

3　某微型車噪聲優化實例

本案例微車發動機為中置發動機，放置在駕駛員座椅下方，根據總布置要求，進氣系統放置在副駛員座椅正下方，進氣口布置在大梁外側。該進氣系統由三部分組成：臟側進氣管、空氣濾清器總成、干凈空氣管，初步設計的方案見圖6.設計初期進氣系統不附帶消聲元件，主要通過空濾容積消聲。

圖6　進氣系統

首先完成方案樣件制作后，整車進入消聲室，對發動機進行包裹見圖7，在進氣口100 mm，偏置45°的位置放置一個麥克風，對進氣系統進氣口噪聲進行測量，得到進氣口聲壓水平如圖8所示。

圖7　進氣口噪聲測量

圖8　初始狀態進氣口噪聲

根據測量結果顯示，進氣口總體噪聲在1 750 r/min到4 000 r/min時超過目標曲線，階次噪聲在2300 r/min時2階噪聲和3 750 r/min時6階噪聲超過目標值，對應的頻率分別為76.7 Hz和375 Hz，針對測試結果，需要對貢獻較大頻率的噪聲進行消除。

在空濾內部增加插入管能降低進氣口總體噪聲，且一定的長度能夠消除對應頻率噪聲，成本低同時不會額外增加進氣系統的容積。針對總體和375 Hz的噪聲采用插入管作為消聲元件，插入管長度與消聲頻率關系式：

式中：c為空氣聲速；L為插入管長度；f為消聲頻率。

為了消除375 Hz這一頻率的噪聲，依據式（1）需要在空濾內部增加227 mm插入管。根據目前空濾結構，在空濾下殼體入口內部增加插入管，通過卡扣的方式固定在殼體底部，設計結構見圖9.

圖9　下殼體增加內插管

增加赫姆霍茲諧振腔對中低頻具有很明顯的消聲效果，且相對于1/4波長管有較寬的消聲頻帶，針對該進氣系統的低頻噪聲，采用赫姆霍茲諧振腔作為消聲元件。見圖10.

圖10　諧振腔示意圖

赫姆霍茲諧振腔的共振頻率關系式為

式中：S0為孔頸截面積，V 為密閉空腔容積，為孔頸有效長度，＝l0+△l，這里l0為小孔頸長；△l為修正項，對于直徑為d的圓孔，△l=0.8d.

為了消除76.7 Hz這一噪聲頻率，依據式（2）設計在進氣系統上增加一個容積1.5 L，孔頸直徑為18 mm，孔頸長度為78 mm的赫姆霍茲諧振腔。根據空氣濾清器的結構，將赫姆霍茲諧振腔集成在空濾上蓋出口端上，諧振腔通過焊接形成密閉的腔體，內部增一段內插管將空濾出口和干凈管連接起來，整體機構緊湊，不需單獨為諧振腔增加安裝點，其設計結構見圖11.

圖11　空濾出氣管增加諧振腔

完成增加消聲元件的進氣系統樣件制作，再次在消聲室對新方案進氣系統進行進氣口噪聲測試，測量方法與初步方案的保持一致，并根據測試結構，對消聲元件結構進行微調，最終測試結果見圖12.

圖12　更改后進氣口噪聲

在進氣口增加內插管，進氣口總體噪聲在發動機整個轉速范圍都有8 dB左右的降低，并且很好的消除了3 750 r/min時6階的噪聲。

在空濾出氣管上增加76.7 Hz的赫姆霍茲諧振腔，消除了進氣口低速2階的峰值。

比較現在的進氣口噪聲與目標噪聲，可以看到總體噪聲及階次噪聲已滿足目標線的要求。經過消聲結構改進，并根據周圍的物理邊界將消聲結構進行了集成設計，最終的方案如圖13.

圖13　最終進氣系統

4　結論

本文以消聲元件消聲作用和消聲原理為基礎，探索進氣系統噪聲控制的方法，通過一款微型商用車進氣系統調音的案例，根據消聲室中進氣口噪聲測量結果，結合進氣消聲元件消聲作用和消聲原理，提出合理的進氣系統結構改進方案，為進氣系統設計指明方向。并對進氣系統噪聲控制方法進行展望，希望本文能對大家以后工作能起到借鑒的作用。

參考文獻：

[1]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，2007：2-4.

[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，2006：182.