汽車進氣系統(tǒng)轟鳴聲傳遞路徑分析

劉煥廣，楊晉

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 前言

隨著可變進氣、進氣增壓等發(fā)動機進氣技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷革新，進氣系統(tǒng)帶來的NVH問題也變得越來越復(fù)雜。

國內(nèi)外文獻主要從控制進氣系統(tǒng)（進氣口、管道、增壓器等）輻射噪聲水平的角度來研究進氣系統(tǒng)NVH問題。龐劍等[1]從管道聲學(xué)理論出發(fā)概述了進氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理和常見消聲器的設(shè)計方法；虞涵仁[2]以某越野車進氣系統(tǒng)噪聲為研究對象，開展了進氣系統(tǒng)消聲裝置的聲學(xué)特性仿真與設(shè)計分析工作；劉恩等[3]在整車半消聲室NVH底盤測功機上研究了進氣噪聲和車內(nèi)噪聲品質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。李桓等[4]通過靜態(tài)測試空濾器的消聲量、傳遞損失和在發(fā)動機臺架上測試進氣口噪聲品質(zhì)，研究了空濾器總成的聲學(xué)特性。但是，行業(yè)內(nèi)仍缺少進氣系統(tǒng)噪聲結(jié)構(gòu)傳遞路徑的研究。

本文針對某轎車進氣系統(tǒng)引起的車內(nèi)轟鳴聲問題，運用傳遞路徑分析方法和“源－路徑－響應(yīng)”的分析思路，分別考察了空氣傳遞路徑和結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻，改進方案經(jīng)試驗驗證可有效解決該轟鳴聲問題。

2 問題診斷

某轎車在加速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000r/min附近時，車內(nèi)后排乘員位置能聽到突兀的低頻聲，有壓迫耳膜的感覺，嚴(yán)重影響車內(nèi)聲學(xué)舒適性。測試3檔全油門加速工況下的噪聲數(shù)據(jù)如圖1所示，車內(nèi)噪聲曲線在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2130r/min時，出現(xiàn)明顯峰值，且為發(fā)動機2階噪聲貢獻，頻率為71Hz。

圖1 3檔全油門加速右后乘員右耳處噪聲

該車進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示：

圖2 進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為了確定進氣系統(tǒng)的影響，將空氣濾清器（簡稱空濾器）和進氣引管拆除，在進氣軟管處增加軟管引出發(fā)動機艙，并連接大寬頻消聲器，屏蔽進氣系統(tǒng)的影響，如圖3、4所示，對比屏蔽前后的車內(nèi)噪聲如圖5所示。

圖4 增加大寬頻消聲器

圖5 屏蔽進氣系統(tǒng)的影響

屏蔽后，轟鳴點2130r/min處車內(nèi)噪聲總聲壓級降低約5dB（A），2階噪聲下降了約8dB（A），主觀感受轟鳴聲消失，可見轟鳴聲來自進氣系統(tǒng)。

3 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析方法的理論基礎(chǔ)[5]為：

式中，yk為各路徑合成的目標(biāo)k的噪聲；Fi為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i的傳遞力；Qj為空氣傳遞路徑j(luò)產(chǎn)生的體積加速度；Hik、Hjk分別為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i、空氣傳遞路徑j(luò)到目標(biāo)k的噪聲傳遞函數(shù)NTF（Noise Transfer Function）。

結(jié)合“源－路徑－響應(yīng)”分析思路，將進氣系統(tǒng)噪聲傳遞路徑梳理如圖6所示。

圖6 進氣系統(tǒng)噪聲傳遞路徑分析

針對空氣傳遞路徑，改進車身（包含聲學(xué)包裝）降低噪聲傳遞函數(shù)Hjk往往成本高、周期長，因而往往通過優(yōu)化進氣系統(tǒng)，降低其輻射噪聲水平，來達到降低車內(nèi)噪聲的目的；赫姆霍茲消聲器是針對低頻率進氣噪聲問題的有效措施[1]。圖7是進氣軟管增加71Hz赫姆霍茲消聲器前后的噪聲對比。

圖7 增加71Hz赫姆霍茲消聲器的效果

增加消聲器后，車內(nèi)轟鳴點2階噪聲降低近6dB（A），主觀感受不到轟鳴聲。

為了確定結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻，斷開進氣系統(tǒng)（空濾器）與車身的連接，對比車內(nèi)噪聲的變化如圖8所示。

斷開連接點后，車內(nèi)噪聲2階峰值下降了約4dB（A），主觀感受轟鳴聲不明顯。

圖8 斷開進氣連接點車內(nèi)噪聲對比

如圖9所示，空濾器有3個連接點P1、P2和P3，分別通過橡膠軟墊連接到車身側(cè)支架。由式（1）可知，通過降低傳遞到車身側(cè)的力Fi和降低車身側(cè)連接點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)Hik均可減小結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻。

圖9 空濾器連接點結(jié)構(gòu)

將3個連接點處軟墊橡膠硬度降低，改善隔振，可減小傳遞力。

仿真計算空濾器3個車身側(cè)安裝點到車內(nèi)的NTF發(fā)現(xiàn)，P3點Z向NTF最大，且在70-80Hz范圍存在明顯峰值。P3點為蓄電池托盤為安裝空濾器延伸出的安裝點，如圖10所示為近似懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過加強后NTF顯著降低，70-80Hz范圍峰值降低約10dB，如圖11所示。

圖10 P3點車身側(cè)支架（蓄電池托盤）

為驗證以上分析結(jié)果，橡膠軟墊硬度由50HA降低為40HA，制作P3點手工加強的支架如圖所示12（a），裝車測試車內(nèi)噪聲對比如圖13所示。

圖11 空濾器P3點支架加強NTF仿真

采用結(jié)構(gòu)路徑改進方案后，2130r/min車內(nèi)2階噪聲降低近10dB（A），主觀感受轟鳴聲完全消除。

圖13 40HA軟墊+P3點支架加強方案驗證

4 工業(yè)化方案分析

總結(jié)以上，解決該進氣系統(tǒng)轟鳴聲問題有兩條途徑：

1）改進空氣傳遞路徑，增加71Hz赫姆霍茲消聲器；

2）改進結(jié)構(gòu)傳遞路徑，采用40HA硬度橡膠軟墊和加強P3點后蓄電池托盤（如圖12（b）所示）。

增加赫姆霍茲消聲器，需要在進氣引管附近留出空間約400mL（含布置間隙要求），周邊件的設(shè)計變更較多，且新增消聲器單件成本。

結(jié)構(gòu)路徑的改進方案，橡膠軟墊硬度降低，結(jié)構(gòu)不變，只需調(diào)整橡膠硫化配方，無成本增加；蓄電池支架P3點加強，僅需加焊一小加強件， 不新增零部件，成本低。

對比看出，結(jié)構(gòu)路徑改進方案優(yōu)勢明顯，最終工業(yè)化實施。

5 結(jié)束語

運用傳遞路徑分析方法，結(jié)合“源－路徑－響應(yīng)”的分析思路，梳理了進氣系統(tǒng)噪聲問題的整車控制方法，通過測試和仿真手段，分析了某轎車進氣轟鳴聲問題空氣傳遞路徑和結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻，并分別制定改進方案，經(jīng)過試驗驗證，均能有效解決該轟鳴聲問題，也說明了進氣系統(tǒng)傳遞路徑分析方法的正確性。

案例中重點討論了結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻和改進對策：通過降低橡膠軟墊硬度，減小空濾器連接軟墊的傳遞力；加強車身側(cè)面安裝支架，降低安裝點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)；經(jīng)試驗驗證，方案能有效解決該轟鳴聲問題，且相比赫姆霍茲消聲器有明顯優(yōu)勢，為解決進氣系統(tǒng)噪聲問題提供了新的參考。