某車進氣系統噪音的優化與改進

馮博 楊繼城 趙雨雷 靖海宏

摘要：對某車發動機進氣噪音的頻譜特性，對原空氣濾清器和進氣管的結構進行改進與優化設計。利用有限元方法計算進氣系統的傳遞損失，并比較改進前后的消音性能。同時，通過整車進氣系統噪音試驗，進一步驗證改進前后進氣系統的消音特性。試驗結果表明，改進后的進氣系統的聲壓級明顯下降。

關鍵詞：進氣系統噪音;空氣濾清器;有限元法;傳遞損失;

中圖分類號：TB535+2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2018） 02-0094-05

1 引言

隨著NVH在轎車開發中扮演越來越重要的角色，進氣系統的噪聲也正逐漸受到重視。進氣系統噪聲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，因為該噪聲源距離車廂很近，所以非常影響車輛乘坐舒適性。

進氣噪聲是內燃機的空氣動力噪聲，亦是內燃機的噪聲源之一。對大功率內燃機來講，進氣噪聲有時候可比內燃機自身的噪聲（燃燒噪聲、機械噪聲）還高。一般內燃機轉速顯著提高，其進氣噪聲也會顯著增大。所以研究進氣噪聲對內燃機整機噪聲的影響是很必要的。

本文針對某車三擋全油門狀態下進氣噪聲的頻譜特性，借助仿真與試驗手段，研究了進氣系統的特性，找到了問題產生的原因，進而提出相應的整改措施降低噪聲，改善了加速進氣噪聲水平。

2 進氣系統的聲學理論

消音元件和系統的消音效果通常有四個評價指標：傳遞損失、插入損失、聲壓級差和聲壓級。傳遞損失一般用來評價單個消音元件，而插入損失和聲壓級一般用來評價整個系統的消音效果。聲壓級差可以用于單個消音元件和整個系統的評價。所以，利用插入損失來評價整個進氣系統的消音效果，是最為簡單的一種方法。

2.1插入損失的聲學理論

插入損失是指一個系統中插入了消音元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級（或者聲壓級）的差值，其計算公式如下所示：

式中，W1是沒有安裝消音元件系統在測量點的聲功率;W2是安裝了消音元件后在同一點測量的聲功率。具體見下圖1所示。

2.2傳遞損失的聲學理論

空氣過濾器的功能有兩個：過濾空氣和消除進氣口的噪聲?？諝膺^濾器相當于一個擴張消音器，其容積大小和尺寸決定了傳遞損失和中心頻率。

一般來說，容積越大，消音效果就越好。而影響傳遞損失的因素有兩個：擴張比m和過濾器的長度L。在設計進氣系統的管道和過濾器時，有時候，進入管和輸出管會插入到過濾器之中，如圖2所示。這種情況，插入的長度對傳遞損失有影響，傳遞損失可以用以下公式來表達：

式中，L_a是進入管在過濾器中的長度，L_b是輸出管在過濾器中的長度。

3 進氣噪音問題分析

3.1問題描述

對某款新開發的進氣系統進行噪音測試，在三檔節氣門全開工況下，測得150 Hz～280 Hz頻段內駕駛員右耳處噪音水平整體偏高，如圖3所示。同時主觀評價進氣噪聲較大，并且測得進氣口噪音在150 Hz～280 Hz頻段內（220 Hz、270 Hz）有能量偏高現象，如圖4所示;說明進氣系統在此頻段內的噪音對車內噪音影響較大，有必要對進氣系統進行噪音分析與改進。

3.2傳遞損失的仿真計算

根據上述的聲學理論，對該進氣系統進行傳遞損失仿真分析，得到了的傳遞損失曲線如圖5。從傳遞損失的仿真曲線上可以看出，在150 Hz—280 Hz頻段內TL值偏低，保持在3～5 dB之間，幾乎沒有消音能力。正好解釋了上述試驗測得的數據，為了消除該頻段內220 Hz和270 Hz對車內噪音的影響，以下主要針對220 Hz和270 Hz進行噪音優化。

3.3插入損失的直管試驗分析

對發動機的進氣口進行直管插入損失試驗，結果如下圖6所示。從圖中可以看出，150Hz-280Hz噪音明顯。結合前面的進氣口噪音頻譜及傳遞損失計算結果確定了進氣系統消聲效果不佳;并且發動機階次頻率與空濾殼體模態可能在170Hz處發生共振。

4 進氣系統噪音的優化設計

在實際工程中，對進氣系統噪音問題的解決，主要方法是在原進氣系統上增加消音元件，對問題頻段進行有針對性地消音降噪。此進氣系統在150～280Hz頻段內的噪音屬于窄帶低頻噪音。

4.1方案制定

由于受到空濾空間的限制，所以對170 Hz采取赫姆赫茲消音器方案不可取，只能采取增加空濾殼體的剛度來達到避頻消音的效果。220 Hz和270 Hz采取1/4波長管的方法來消音。以下針對此類消音器進行具體論述。

（1）增加空濾殼體剛度改善170 Hz噪音

對空濾殼體進行模態分析，得知空濾殼體一階模態為165 Hz，與插入損失試驗中的170 Hz共振頻率基本吻合，如下圖7所示。因此，通過增加空濾殼體剛度來達到避頻消音的效果。具體改善方案為：A和B區采取填充措施、C區溝槽加深、D區加筋板增厚等，如下圖8所示。

（2）增加1/4波長管改善220 Hz和270 Hz噪音

通過在進氣管處增加1/4波長管來消除220 Hz和270 Hz頻率，對于1/4波長管的參數模型，其共振頻率為：其中，f₀為共振頻率;c為聲速;L為波長管的長度;R₀為1/4波長管的半徑;R為進氣管的半徑。

根據上述公式（3），分別計算出220 Hz和270 Hz頻率對應1/4波長管的長度為38 cm、32cm，并且在保證1/4波長管的圓管直徑小于進氣管直徑一半的前提下，設計合適的1/4波長管來達到消音的效果，如下圖9～10所示。

4.2方案分析

將上述設計的1/4波長管和空濾殼體加筋等方案增加到原進氣系統中，其結構如上圖8-9所示。對其進行傳遞損失仿真計算，并與原狀態的傳遞損失進行對比，結果如下圖11所示。

從上圖11中可以看出，優化后的進氣系統在150—280 Hz頻段內的傳遞損失值有明顯地提高，尤其是針對220 Hz和270 Hz頻率的提升更為明顯。從而，進一步驗證了1/4波長管有效性。從下圖12中可以看出，優化后的進氣系統比原進氣系統有明顯的改善，消除了170 Hz的共振頻率，車內噪聲聲品質也得到相應改善;論證了空濾殼體加筋方案的可行性。

5試驗驗證

將優化后的進氣系統應用到整車上，進氣口噪音和車內駕駛員耳旁噪音測試結果如下圖13-15所示，圖13-14分別驗證了在160—280 Hz頻段內的車內駕駛員耳旁噪音和進氣口噪音水平明顯降低;如圖15所示，車內駕駛員耳旁噪聲降低1.5 dBA左右;進氣口噪聲降低5 dBA左右，最大降低8 dBA。

6結束語

本文針對某車進氣系統噪音頻譜特性，進行進氣系統噪音分析，運用了進氣系統傳遞損失仿真計算，發動機臺架插入損失直管試驗，查找出進氣系統消聲能力低，針對問題提出了優化方案，并進行了試驗驗證;驗證了進氣系統傳遞損失仿真計算的準確性和1/4波長管旁支消音器消除窄帶噪音的有效性，為進氣系統設計提供了理論依據。