發動機進氣系統消聲量試驗與仿真分析

王珺 袁建軍 劉一杰

摘? 要：以某非增壓發動機的進氣系統為研究對象，簡介進氣系統的主要聲學設計方法，并對變更前后的進氣系統消聲量進行試驗，采用聲學有限元法進行仿真分析。試驗和仿真結果表明，兩套進氣系統的消聲量水平總體相當，仿真分析可以反映出不同頻率段的差異和趨勢，且與試驗結果是相似的;在中低頻率范圍，仿真與試驗的峰值頻率對應較好。

關鍵詞：進氣系統;消聲量;試驗與仿真分析

中圖分類號：U463.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2019）04-0072-04

Abstract：? The rearch was studied on an intake system of a non-supercharged engine. The main acoustic design method of intake system was introduced. The noise reduction test was proceed before and after modification， and the acoustic finite element method was used for simulation analysis. Experiments and simulation results indicated that， noise reduction level of both intake systems was generally equal. Simulation analysis can reflect the differences and trends of different frequency bands， and the results are similar to the test results. In the middle and low frequency range， the peak frequency of simulation and experiment corresponds well.

Key Words： Engine intake system; Noise Reduction; Test and Simulation Analysis

1? ? 引言

發動機噪聲作為汽車的主要噪聲源之一，直接影響汽車整車噪聲水平和乘坐舒適性，降低發動機噪聲是改善汽車振動噪聲的重要途徑。進氣系統的噪聲是發動機最主要的噪聲源之一，進氣系統的噪聲主要是指進氣口處的噪聲，這個噪聲源離車廂的距離很近，所以對車內噪聲貢獻非常大。對非增壓發動機，進氣系統噪聲源主要包括周期性壓力脈動噪聲、管道氣柱共振噪聲、渦流噪聲及氣缸的赫姆霍茲共振噪聲等。噪聲沿進氣口向外傳播，一大部分從進氣口向外輻射，另一部分引起管道振動成為壁面輻射噪聲[1]。進氣管道和空氣濾清器對聲波傳遞有著直接的影響，對整體進氣系統聲學特性的研究具有重要意義。

消聲量定義為消聲器進口和出口處的聲壓級之差，與管口輻射特性有關，是一種重要的聲學性能評價指標[2]。對非增壓發動機，進氣系統是由進氣管、空氣濾清器、穩壓腔和進氣管等組成。本文對某非增壓發動機的進氣系統變更前后的消聲量進行試驗，并采用聲學有限元法進行仿真分析，對比試驗與仿真的差距，可以尋找改進噪聲特性的途徑，改進仿真分析方法。

2? ? 發動機進氣系統聲學設計

發動機進氣系統的聲學設計，應在保證發動機的可靠性（如雨、雪等不能進入）和控制進氣系統流阻的基礎上，盡量降低進氣口噪聲。降低進氣口噪聲的要求和進氣系統流阻的控制常常是互相矛盾的，在設計中應注意平衡這對矛盾。

消聲器是進氣系統最常用的消聲單元。主動消聲器由于成本高，在汽車上應用很少;運用廣泛的是被動消聲器，它可分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合式消聲器、微穿孔板消聲器等。阻性消聲器是一種吸收型消聲器，利用聲波在多孔吸聲材料中傳播時，將一部分聲能轉化為熱能，從而達到消聲的目的，進氣系統中空氣濾清器的濾芯是良好的多孔吸聲材料。阻性消聲器一般具有良好的中高頻消聲性能，對低頻消聲性能較差。抗性消聲器與阻性消聲器不同，它不使用吸聲材料，依靠管道截面的突變或旁接共振腔等方法，在聲傳播過程中引起阻抗的改變，產生聲能的反射、干涉，從而達到消聲的目的。抗性消聲器消聲的頻率范圍較窄，且集中在中低頻段，但相比阻性消聲器，流阻大幅降低，且經濟實用。常用的抗性消聲器有擴張式、共振腔式、干涉式、穿孔板式等。抗性消聲器的傳遞損失計算方法，可參見相關文獻資料[1]，[2]，在此不再贅述。

進氣系統的消聲容積對進氣系統噪聲有重要影響。一般來說，消聲容積越大越好，對四缸和六缸發動機，通常消聲元件容積達到10～15L。空氣濾清器由于體積較大，是進氣系統最大的擴張消聲器，一般要求其容積滿足發動機排量的3～6倍。

發動機進氣系統的聲學設計，應根據發動機進氣口的噪聲頻譜進行，在薄弱環節設計相應的共振腔。對非增壓發動機，首先應該消減進氣閥周期性啟閉產生的基頻噪聲及其各次諧波噪聲，一般來說，4缸發動機中2、4、6、8階噪聲是進氣系統的主要噪聲源[3]。

本文中設計的發動機排量為1.4L，空濾器主體容積為6.1L，兩個大諧振腔容積分別為2.6L和2.0L，加上各波長管、小諧振腔及管道體積，進氣系統總容積為15.7L。根據發動機進氣口噪聲頻譜，設計了共振頻率為80Hz、150Hz、260Hz等多個赫姆霍茲共振腔，共振頻率為700Hz、1000Hz、1700Hz等多個1/4波長管。

3? ? 發動機進氣系統消聲量試驗

3.1? ?試驗條件及試驗方法

本文中進氣系統的消聲量試驗在簡易半消聲室中進行，試驗設備包括LMS多通道分析系統，聲源及麥克風等。麥克風布置如圖1所示。在聲學入口處的引入管靠近進氣系統處布置麥克風安裝孔，孔中心距離進氣系統聲學入口100mm;在聲學出口處布置兩種不同位置的麥克風，第一種為近場測試，麥克風位置在聲學出口附近，如圖1-（a）所示;第二種為遠場測試，麥克風位置在聲學出口上方45度200mm位置處，如圖1-（b）所示。

將進氣系統上與聲學無關的孔隙和連接處包裹隔聲材料，關閉消聲室中不必要的設施以減小環境噪聲，打開白噪聲聲源，同時開啟數據采集設備，設置相關參數后開始測試進氣系統的消聲量。測試頻率范圍0～8192Hz，采樣間隔2Hz，試驗進行三次并取平均值。由于這是一臺自然吸氣發動機的進氣系統，故數據分析時重點關注2500Hz以內中低頻范圍內的消聲量。

3.2? ?試驗數據處理及分析

由于客戶邊界變更，進氣系統模型略有調整，分別記為進氣系統A和進氣系統B，如圖2所示，為兩套進氣系統的快速成型件。兩套進氣系統的設計基本相同，三個調整后有區別的位置，已在圖中標出。試驗對比兩套進氣系統的近場和遠場的消聲量。進氣系統A、B的近場和遠場消聲量對比分別如圖3所示。

由圖3中的試驗結果可以看出，進氣系統A、B的消聲量總體差別不大，局部有區別。在280～350Hz頻率范圍內，進氣系統A的消聲量高于進氣系統B;在570～750Hz和950～1100Hz頻率范圍內，進氣系統B的消聲量總體高于進氣系統A。兩套進氣系統的消聲量水平差距不大，是否滿足要求，仍應根據整車進氣口噪聲頻譜確定。

4? ? 發動機進氣系統仿真分析

4.1? ?進氣系統有限元仿真分析

聲學中的數值仿真方法一般有三種：分別是基于波動方程的有限元和邊界元方法，基于幾何聲學的聲線或聲錐跟蹤法，以及基于統計能量分析的統計能量法。當所求解問題的最小波長小于求解區域的尺度的時候，可采用有限元法或邊界元法。對于有界空間中聲學仿真問題，有限元法比邊界元法具有更高的計算精度和求解穩定性[4]。

聲學有限元法首先把計算的聲場離散成一定數量的小聲場，每個小聲場之間通過一定數量的節點首尾連接。其內部的聲場由屬于節點上的聲壓確定，獲得小聲場的近似聲壓函數，再將每個小聲場整合，運用邊界條件，最后用線性代數的方法計算出每個節點的聲壓，從而求解出整個聲場。

本文利用聲學計算軟件LMS Virtual.Lab，對兩套進氣系統的消聲量進行仿真分析。首先將模型離散化，注意為測量遠場噪聲，應提前在出口處設置半球面，如圖4所示。

由于空氣濾清器不僅是一個擴張式消聲器，內部的濾芯也是良好的吸聲材料，故空氣濾清器是阻抗復合型消聲器，需要設置描述多孔材料的參數。影響多孔材料吸聲性能的主要參數如下[5]：

（1）流阻率它是在穩態氣流狀態下，單位厚度材料中的壓力差與氣流線速度之比，單位為Pa.s/m2

（2）孔隙率它是穿透材料內部自由空間孔隙的體積與材料總體積的比值來確定，一般在70%以上，多數達90%。

（3）結構因子它是在理論上處理材料間隙的雜亂排列而對毛細管沿厚度方向排列的模型所作的一項修正，一般在2～10之間。材料結構的改變會導致這些參數的變化，從而改變材料的吸聲特性。

聲學有限元仿真分析，設置模型入口為單位速度激勵，出口為無反射阻抗，并設置空氣濾清器濾芯為多孔材料。仿真分析時設置濾芯流阻率為5000Pa.s/m2，孔隙率97%，結構因子2.5。仿真分析結果如圖5所示。

由仿真分析結果，進氣系統A、B在500～800Hz頻率范圍內消聲量有一定差別，這與試驗結果在570～750Hz頻率范圍內，進氣系統B的消聲量總體高于A的結論是相似的;在330Hz附近，進氣系統A的消聲量略高于進氣系統B，但相比試驗中的差異較小;其他在試驗中有區別的頻率段未在仿真中有明顯表現。

4.2? ?仿真與試驗結果對比

如圖6所示，根據試驗和仿真結果，分別對進氣系統A和進氣系統B的近場消聲量結果進行對比。

由圖6中可以看出，在1500Hz頻率范圍內，有限元法仿真計算結果與試驗結果的各峰值頻率比較吻合，但部分頻率的幅值有差異;在高于此頻率段，各峰值頻率有一定偏移，很難吻合。分析差異原因，主要有以下幾個方面：

（1）試驗聲源為白噪聲，仿真設置為單位速度激勵，但消聲量的計算與聲源的阻抗是有關系的;

（2）試驗的數據采集步長為2Hz，仿真計算取10Hz，故一些頻譜特性未能采集到;

（3）仿真對濾芯的描述與實際有差異，濾芯的多孔介質參數在不同頻率段應是不同的。

5? ? 結論

本文對某非增壓發動機的進氣系統變更前后的消聲量進行試驗，并采用聲學有限元法對其進行仿真分析，結果表明兩套進氣系統的消聲量水平總體相當;仿真可以反映出一些頻率段的差異，且與試驗結果是相似的;在中低頻率段（1500Hz內），仿真與試驗的峰值頻率對應較好。對濾芯的聲學特性參數可以進行進一步的研究，以得到更精確的分析結果。

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，2008.

[2]郭榮. 車用渦輪增壓進氣系統消聲器聲學理論及應用[M].上海：同濟大學出版社，2017.

[3]張志華，王桂林，劉遲. 乘用車進氣系統NVH&CFD開發案例[J].內燃機與配件，2010，2：4～13.

[4]王晶，劉美蓮，馮濤. 消聲器傳遞特性的有限元分析方法[J].北京工商大學學報，2005，7.

[5]湯志鴻，彭鴻. 汽車進氣系統傳遞損失分析及優化研究[C].SAE-C2009P110：43～46.