基于Virtual Lab的汽車進氣系統NVH性能優化

楊德銀　吳孟兵　麻金賀　張利　何延剛

摘 要：文章針對某MPV汽車車內噪聲大的問題，通過屏蔽法識別進氣噪聲為主要噪聲源，為降低車內噪聲提高汽車NVH性能，運用三維軟件LMS Virtual Lab對進氣系統進行仿真分析，找出問題原因，提出改進措施，通過結構改進有效地降低了進氣噪聲，改善了整車NVH性能。關鍵詞：傳遞損失;赫爾姆茲消聲器;內插管;Virtual Lab中圖分類號：U464.136? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-105-04

Abstract： This paper aims at the problem of high interior noise of a MPV vehicle， the intake noise was identified as the main noise source by shielding method， then 3d software LMS Virtual Lab was used to simulate and analyze the intake system， cause of the problem were discovered， and then modification measures were proposed.Through structure optimization， the intake noise was reduced effectively， and thus the overall NVH performance of the vehicle was improved.Keywords： Transmission Loss; Helmholtz muffler; Internal intubation; Virtual LabCLC NO.： U464.136 ?Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）01-105-04

引言

隨著經濟社會的高速發展，人民生活水平的不斷提高，人們對汽車產品的要求也不只是代步工具那么簡單，對于汽車的品質要求越來越高，對于汽車的振動噪聲性能（NVH）性能提出了更高、更新的要求。汽車的NVH性能的優劣以及聲品質是否滿足消費者的需求，現已成為決定消費者是否購買某車型的重要因素。進氣系統噪聲是汽車的主要噪聲源之一，對汽車的 NVH性能會產生重要影響，因此，進氣系統噪聲優化對改善汽車車內噪聲品質、提高乘坐舒適性意義重大。本文針對某汽車進氣口噪聲大的問題，運用Virtual lab仿真分析軟件對進氣系統氣噪聲進行仿真分析，對進氣系統提出改進意見，然后進行整車試驗驗證其可行性。

1 進氣系統噪聲產生機理[1]

發動機進氣系統結構復雜，其噪聲產生的機理及組成也較復雜，主要有四類：（1）周期性壓力脈動噪聲，即由進氣門開閉引起的進氣管道中空氣壓力、速度及密度的波動而產生的周期性壓力脈動噪聲;（2）渦流噪聲，即高速氣流流入氣缸過程中遇到毛刺、尖角等障礙物形成渦流繼而產生的渦流噪聲;（3）汽缸的赫姆霍茲共振噪聲，即氣缸內產生赫姆霍茲共振所激發的輻射噪聲;（4）進氣管的氣柱共振噪聲，即當發動機進氣閥門關閉后，進氣管可以認為形成了氣柱共振系統，被與其固有頻率接近的周期性進氣噪聲激勵后產生的聲能量較大的輻射噪聲。

2 問題提出

某2.0NA SMPV車在進行整車NVH測試時發現，3檔WOT工況車內可明顯聽到進氣噪聲，嚴重影響了整車乘坐舒適性。

為驗證進氣噪聲對車內噪聲的影響，在進氣口加裝大消聲器對進氣噪聲進行屏蔽，如圖1所示，監測3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內噪聲的變化。

圖2為3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內駕駛員右耳的測試結果對比，圖3為3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內后排的測試結果對比，測試數據顯示屏蔽進氣噪聲后，車內前后排在2000rpm-3800rpm總噪聲曲線明顯下降，整體平均降低約4dB（A），階次噪聲分析發現，2000rpm-3300rpm常用轉速區間二階次噪聲明顯下降，整體平均降低約8dB（A），因此需要對進氣系統2000rpm-3200rpm 2階次噪聲進行優化。

3 階次噪聲頻率與發動機轉速關系[2]如下

其中，f為頻率，τ為沖程常數，4沖程選2，2沖程選1，i為發動機缸數，n為發動機轉速。

經上式計算得出進氣系統需衰減頻率段為66Hz-110Hz。

4 模型建立、分析及優化

4.1 聲學模型的建立及分析

前面的數據測試及分析結果表明，要改善車內噪聲水平，即需要提升進氣系統在60Hz-110Hz的降噪能力。消聲元件和系統的消聲性能通常有四個衡量指標：傳遞損失 TL、插入損失IL、聲壓級差和聲壓級。本文采用傳遞損失進行評價。

其中，TL為傳遞損失;Win、Wout分別為進、出氣口聲功率;pin、pout分別為進、出口處的聲壓;Sin、Sout分別為進、出氣口的截面積。

近年來，隨著計算機技術的發展，有限元法越來越多被用到進氣系統聲學分析中，其分析結果與實際聲場符合性較好。Virtual lab Acoustics軟件是專門用于聲學仿真計算的CAE軟件，具有強大的計算分析能力，能夠計算各種各樣的聲學數據[3-5]。本文運用Virtual lab Acoustics軟件進行進氣系統傳遞損失分析，采用的是聲學有限元法在頻域內進行計算。聲學有限元用于計算封閉腔體內的聲場，要求把所計算的聲場離散成實體網格。本文采用的是在Altair Hypermesh里根據原進氣系統模型建立有限元體網格，然后將體網格輸入到Virtual lab里進行分析計算。

原進氣系統由進氣導流管、空氣濾清器及空濾器出氣管組成，無其它聲學消音元件;圖4為該車型原進氣系統的幾何模型，圖5為該進氣系統的聲學分析有限元模型，圖6為Virtual lab軟件分析得到的傳遞損失結果。

由分析結果可知，在110Hz以內進氣系統傳遞損失較低，在10dB（A）以下，說明進氣系統在該頻率段消聲能力很弱，從而造成車內噪聲大，影響了乘坐舒適性。需要對進氣系統進行改進，提升傳遞損失。

4.2 結構優化

針對該車型的進氣系統噪聲頻率特性，要提升60Hz- 110Hz的消聲量，可從以下四個方面考慮進行改進：

4.2.1 增加空濾器容積

原狀態空氣濾清器為典型單節擴張式消聲器，圖7為典型單節擴張式消聲器的結構簡圖[6]：

圖中S0為連接管截面積，S1為擴張室的截面積，L1為擴張室的長度。擴張室與連接管截面面積之比稱為膨脹比m，一般來說膨脹比m越大，則擴張式消聲器的最大消聲量越大，消聲效果越好。但該車型現階段由于發動機艙布置已結束，整車其它部件已完成工裝件開發，不能增大空濾器容積，因此該參數不能改進。

4.2.2 增加進氣臟管長度

增加進氣臟管長度對消減中低頻噪聲有效果[7]，但同樣受制于發動機艙布置空間，無法將進氣導流管長度增加。

4.2.3 增加內插管

可以通過將連接管插入到擴張室中來改變典型單節擴張式消聲器的傳遞損失，并且插入管會大大地提高傳遞損失[8]。優化方案在空濾器下殼體進氣口增加內插管結構，見圖8。

4.2.4 增加諧振腔

原空氣濾清器容積為8L，容積偏小，考慮原進氣系統110Hz以下傳遞損失太低，而該車對應該頻段需要的衰減的聲能量較大，為進一步改善低頻段的消聲性能，通過增加一中心頻率在70Hz的諧振腔進行輔助消聲，圖9為該車型最終優化后進氣系統的幾何模型。

4.3 優化分析

綜上分析，最終通過增加內插管及諧振腔來改進進氣系統的低頻消聲性能。圖10為優化后進氣系統的聲學分析有限元模型，圖11為Virtual lab軟件分析得到的優化前、后的傳遞損失對比結果。改進后進氣系統傳遞損失在250Hz以內均有明顯提升，在66Hz-110Hz頻率段傳遞損失平均增量在10dB（A），明顯優于改進前。

5 試驗驗證

根據改進方案制作樣件，再次進行試驗驗證，測試工況3檔WOT，測點位置為車內前排駕駛員右耳位置、車內后排右側座位，試驗對比結果如圖12、圖13所示，從試驗數據可以看出：

（1）前排駕駛員右耳位置，車內噪聲總聲壓級在4000 rpm以內明顯降低，最大達到5dB（A）;在1800rpm- 3100 rpm，2階次噪聲有大幅度下降，基本達到12dB（A）;主觀感受車內噪聲明顯得到改善。

（2）后排右側座位，車內噪聲總聲壓級在1600rpm-3400 rpm以內均有降低，最大達到3.5dB（A）;在1700rpm-3100rpm，2階次噪聲有明顯下降，最大達到20dB（A）。

綜合以上，進氣系統改進效果良好，車內噪聲得到明顯改善，解決了該車型出現的問題。

6 結論

進氣系統噪聲是汽車噪聲的最主要的噪聲源之一，對車內噪聲貢獻非常大。本文通過對某SMPV車加速過程中車內噪聲大的問題進行分析，運用屏蔽法識別出噪聲源來自于進氣系統（進氣系統對車內噪聲的貢獻量）。在進氣系統優化設計過程中，利用Virtual lab仿真軟件分析原狀態傳遞損失，找出問題原因，為性能優化提供方向，通過增加內插管及諧振腔來提高進氣系統傳遞損失，經試驗驗證優化方案有效地降低了進氣口噪聲，車內噪聲明顯改善。實踐證明，應用 Virtual lab 軟件可以對汽車發動機的進氣系統噪聲進行控制研究，能夠方便地進行結構優化設計，節省大量的試驗和樣件制作工作，縮短產品優化周期，減少研發費用的投入。

參考文獻

[1] 楊誠，鄧兆祥，阮登芳，等.進氣噪聲產生機理分析及其降噪[J].汽車工程，2005，27（1）：68-71.

[2] 李銳，謝志清，林嘉.諧振腔的設計與應用[J].大眾科技，2012（7）：147- 149.

[3] 李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算高級應用實例[M].國防工業出版社，2014：49-72.

[4] 程紅，馬文明.進氣系統聲學性能分析及工程運用[J].中國汽車工程學會年會論文，2013：1233-1235.

[5] 許自順，張強，咸凱，等.基于LMS virtual lab的抗性消聲器聲學性能研究及優化[J].內燃機與動力裝置，2016，33（1）：72-77.

[6] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機械工業出版社， 2002，489-490.

[7] 趙偉豐，趙騫.進氣系統設計參數對進氣噪聲及車內車外噪聲影響研究[J].內燃機，2011（2）：50-56.

[8] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學出版社， 2006：224-226.