某商用車進(jìn)氣噪聲問題分析及改善

梁光輝，施朝坤，覃 晟

（1.廣西壯族自治區(qū)汽車拖拉機(jī)研究所有限公司，廣西 柳州 545006；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545000）

目前，隨著國(guó)家環(huán)境噪聲法規(guī)的越來越嚴(yán)格及汽車市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展，汽車噪聲性能逐步被客戶關(guān)注。商用車進(jìn)氣結(jié)構(gòu)一般都是布置在駕駛室后面，距離駕駛艙很近，對(duì)駕駛舒適性有重要的影響。經(jīng)研究表明，進(jìn)氣噪聲有時(shí)比內(nèi)燃機(jī)本體噪聲高5～10 dB（A），不僅對(duì)車外噪聲有重要影響，而且在汽車低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)對(duì)車內(nèi)噪聲也有很大程度的影響[1]。因此，對(duì)進(jìn)氣噪聲進(jìn)行研究及控制具有重要意義。

本文以某商用車進(jìn)氣噪聲“咚咚聲”問題為例，對(duì)商用車進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及控制的策略進(jìn)行研究，運(yùn)用整車道路噪聲試驗(yàn)和頻頻分析手段，確定進(jìn)氣“咚咚聲”根本原因，然后結(jié)合CAE仿真分析技術(shù)，制訂優(yōu)化方案，通過驗(yàn)證有效解決了該進(jìn)氣噪聲問題，從而為改善進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲提供了一種可借鑒的工程實(shí)用方法。

1 商用車進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生原理

進(jìn)氣噪聲為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)空氣動(dòng)力性噪聲，一般來說，進(jìn)氣噪聲隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而變大，同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷有一定相關(guān)性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加或負(fù)荷率增大，進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣量加大，進(jìn)氣系統(tǒng)管道的渦流強(qiáng)度、壓力脈動(dòng)及噪聲頻率也隨著增大，一般表現(xiàn)為周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲和氣柱共振噪聲等。

針對(duì)商用車比較常見的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，其特點(diǎn)是存在明顯的階次特性和周期性。周期性壓力脈動(dòng)噪聲是指在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，由于進(jìn)氣門周期性的打開與關(guān)閉，引起進(jìn)氣系統(tǒng)管道中的速度波動(dòng)和空氣壓力變化產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)進(jìn)氣門打開時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)管道中產(chǎn)生壓力脈沖，由于有空氣阻尼的存在，壓力脈沖會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的下行而消失。當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)管道中也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖，由于有空氣阻尼影響，壓力脈沖也會(huì)很快消失，因此在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)缸的工作循環(huán)過程中，產(chǎn)生2個(gè)壓力脈沖，隨著進(jìn)氣門的周期性的打開與關(guān)閉，就會(huì)產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng)噪聲[2]。根據(jù)周期性壓力脈動(dòng)噪聲的產(chǎn)生原理，其噪聲頻率f0可以通過公式（1）表示：

1.2 商用車進(jìn)氣噪聲優(yōu)化策略

針對(duì)已開發(fā)量產(chǎn)車型，解決進(jìn)氣噪聲一般采用增加消聲器來實(shí)現(xiàn)，消聲器的種類有很多種形式。根據(jù)消聲器消聲原理，一般分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合消聲器[3]，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)這些進(jìn)氣噪聲的聲音特性來選擇合適的消聲器，總結(jié)如下。

（1）抗性消聲器利用管道截面的突變導(dǎo)致通道內(nèi)聲阻抗產(chǎn)生突變，當(dāng)聲波頻率與諧振腔固有頻率接近時(shí)，將引起聲腔共振，聲能消耗，從而實(shí)現(xiàn)消聲效果；其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的低頻消聲性能，缺點(diǎn)是消聲頻帶較窄，適用于窄帶噪聲和中低頻噪聲的控制，1/4的波長(zhǎng)管及赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔為常見的此類消聲器。

（2）阻性消聲器為聲波吸收型消聲器，阻性消聲器利用聲波在多孔且串通的吸聲材料中傳播時(shí)，通過黏滯阻力和摩擦的方式將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，達(dá)到消聲的目的。此類消聲器的優(yōu)勢(shì)在于能在較寬的中高頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消聲；缺點(diǎn)在于容易受到環(huán)境的影響而導(dǎo)致其使用壽命變短，且其對(duì)低頻噪聲消聲效果較差，目前車用空氣濾清器的濾芯是最常用的阻性消聲器。

（3）在實(shí)車應(yīng)用時(shí)，通常要求消聲器在較寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生良好的消聲效果，一般都采取既有阻性吸聲材料又有抗性濾波元件的形式，即阻抗復(fù)合消聲器，汽車的進(jìn)氣系統(tǒng)就是一個(gè)典型的阻抗復(fù)合消聲器。

2 進(jìn)氣噪聲案例分析

2.1 問題描述

根據(jù)市場(chǎng)客戶反饋，某中型載貨車原地怠速工況室內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的“咚咚聲”，經(jīng)初步排查是該聲音從進(jìn)氣口傳出，嚴(yán)重影響乘客舒適性，不可接受，要求對(duì)該問題進(jìn)行分析整改。

2.2 試驗(yàn)分析

為了準(zhǔn)確識(shí)別造成進(jìn)氣管“咚咚聲”的主要噪聲源，針對(duì)反饋樣車進(jìn)行了整車NVH排查試驗(yàn)和頻譜分析工作，試驗(yàn)排查方案為分別斷開引起波紋管、斷開發(fā)動(dòng)機(jī)連接端和斷開空壓機(jī)膠管3個(gè)方案。主要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下。

（1）通過初步排查：①斷開引氣管，室內(nèi)噪聲降低3.2 dB（A），主觀感受“咚咚聲”依然存在，說明“咚咚聲”不是引氣管引起，是由空壓機(jī)或是發(fā)動(dòng)機(jī)引起的；②斷開發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管，室內(nèi)噪聲只降低1.1 dB（A），主觀感受“咚咚聲”依然存在；③斷開空壓機(jī)連接管，室內(nèi)噪聲降低2.8 dB（A），主觀感受“咚咚聲”明顯降低，因此可以初步判定該問題是由于空壓機(jī)進(jìn)氣引起的（表1）。

表1 排查方案噪聲性能及測(cè)評(píng)

（2）經(jīng)過頻譜濾波分析，影響車內(nèi)主觀感受的主要噪聲頻率為80～320 Hz，其中160 Hz峰值最高；斷開空壓機(jī)連接管后，室內(nèi)噪聲降低2.6 dB（A），中心頻率160 Hz明顯降低，主觀感受“咚咚聲”改善明顯，同時(shí)進(jìn)氣口噪聲在該頻率下也降低7.2 dB（A）（圖1）。再經(jīng)過階次分析發(fā)現(xiàn)：該噪聲成分表現(xiàn)為明顯的階次關(guān)系，進(jìn)氣口噪聲階次與室內(nèi)噪聲峰值完全吻合，該車型匹配空壓機(jī)為單缸機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)，通過階次計(jì)算可以判斷該階次為空壓機(jī)噪聲階次，從而進(jìn)一步確認(rèn)該聲音是空壓機(jī)進(jìn)氣閥門周期性開閉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)噪聲，該噪聲通過進(jìn)氣管往外傳播，進(jìn)而傳遞到駕駛室內(nèi)。

2.3 方案對(duì)策

試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)氣“咚咚聲”是由于空壓機(jī)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)噪聲，通過進(jìn)氣管往外傳播所導(dǎo)致，主要問題頻率為80～320 Hz；根據(jù)進(jìn)氣控制策略，目前最常用的赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔能較好地消除中低頻噪聲。當(dāng)前行業(yè)評(píng)價(jià)消聲系統(tǒng)的消聲性能通常用傳遞損失這一指標(biāo)[4]。根據(jù)聲學(xué)理論可知，赫姆霍茲（Helmholtz）諧振腔的共振頻率f0和傳遞損失可以用公式（2）和公式（3）計(jì)算：

根據(jù)公式（2）和公式（3）得出，諧振腔的傳遞損失和共振頻率f0相關(guān)影響的參數(shù)為主管道截面積sp、連接管截面積sc、共振腔體積V、連接管長(zhǎng)度l。

針對(duì)空壓機(jī)目標(biāo)頻率，設(shè)計(jì)諧振腔幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，定義諧振腔連接管直徑sc=20 mm，連接管長(zhǎng)度l=137 mm，共振腔體積為V=1.9 L，聲速。

2.4 有限元驗(yàn)證

本文進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)氣管道、空氣濾清器和諧振腔，應(yīng)用Virtual.lab軟件聲學(xué)仿真軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，建立進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)腔空氣介質(zhì)，CAE有限元模型如圖2所示。

圖2 CAE有限元模型示意圖

假設(shè)聲波在管道內(nèi)以平面波的方式進(jìn)行傳播，定義在諧振腔入口施加單位振動(dòng)速度激勵(lì)，在出口處定義為無反射邊界條件，計(jì)算入口和出口的聲壓響應(yīng)分析傳遞損失[5]。濾芯對(duì)低頻消音性能影響較小，本次分析頻段為10～400 Hz，為考慮濾芯的影響，計(jì)算傳遞損失曲線如圖3所示。

圖3 傳遞損失仿真分析

從圖3可以看出，原車進(jìn)氣系統(tǒng)在80 Hz、160 Hz和320 Hz附近傳遞損失最高只有25 dB，在這些頻率消聲能力較弱；通過增加諧振腔后，在這3個(gè)頻率下傳遞損失提高到39 dB，在160 Hz傳遞損失達(dá)到最大。

2.5 實(shí)車效果驗(yàn)證

基于諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和CAE驗(yàn)證結(jié)論，對(duì)諧振腔零件進(jìn)行3D打印并裝車進(jìn)行噪聲性能驗(yàn)證，實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果

如圖4所示，進(jìn)氣系統(tǒng)增加諧振腔后，怠速工況下室內(nèi)噪聲明顯降低3.3 dB（A），改善效果明顯，主觀感受原來的進(jìn)氣“咚咚聲”完全消除，在原來主要噪聲峰值頻率80 Hz、160 Hz和320 Hz下噪聲降低6～8 dB（A），通過在進(jìn)氣管路增加諧振腔，進(jìn)氣噪聲問題得到徹底解決。

3 結(jié)論

（1）本文針對(duì)進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理和控制策略進(jìn)行探討，并通過運(yùn)用整車道路噪聲試驗(yàn)、頻譜濾波分析及階次分析等手段對(duì)某商用車進(jìn)噪聲問題進(jìn)行有效識(shí)別、確定問題產(chǎn)生的原因，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的商用車NVH設(shè)計(jì)具有一定的參考借鑒意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

（2）基于某商用車存在的進(jìn)氣噪聲問題，本文通過理論分析、諧振腔方案設(shè)計(jì)和CAE仿真分析提出解決方案，并經(jīng)實(shí)車效果驗(yàn)證，有效地解決了某商用車進(jìn)氣噪聲問題，改善車輛整體駕乘舒適性，降低了顧客對(duì)噪聲抱怨，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。