基于GT-Power的進氣系統建模

雷雨田

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

1 引言

隨著人們生活水平的提高，消費者對車輛的關注點不僅局限于其動力性、經濟性，對汽車的NVH性能，尤其是內燃機噪聲也越來越重視。目前汽車主要依靠進氣系統和排氣系統進行噪聲控制和聲品質的調教。由于受機艙空間的限制，進氣系統的布置空間非常狹小，而進氣噪聲在整車噪聲中占據了較大的比例，因此進氣系統的設計就顯得尤為重要。傳統的設計方法為先進行理論設計，隨后進行樣件試制和實驗驗證，這往往會耗費大量的時間和資源，加大開發周期和開發經費。近年來，計算軟件的發展給設計帶來了巨大的革新。GT-Power[1～3]軟件在發動機性能和進排氣系統聲學仿真上有著較高的精度，利用該軟件可以較好地解決傳統開發方法中的弊端，因此該軟件廣泛地應用于發動機和進排氣系統設計開發。

在進氣系統空濾器的建模中[4～9]，大多數學者往往不考慮濾芯對聲學性能的影響，胡先鋒等[5]對帶空濾器的進氣系統的進氣噪聲階次成分進行分析，運用三維有限元的方法通過將空濾器不考慮濾芯來獲得聲學性能。金巖等[6]通過將空濾器考慮成不帶濾芯的情況，研究了進氣噪聲的聲品質。近幾年，學者們考慮到了濾芯對空濾器聲學性能存在較大的影響，賈維新[7]將濾芯定義為多孔材料，對空濾器進行聲學特性研究。劉聯鋆等[8]通過建立帶濾芯的空濾器模型，基于傳遞損失，研究了空濾器的聲學性能。

對某1.5 L自然吸氣車型，在整車半消實驗室中進行進氣噪聲測試實驗[10～16]。提出了一種空濾器濾芯的建模方法，即使用雙層穿孔隔板中間填充吸聲材料，并用吸聲材料的參數設置表征濾芯的聲學、毛孔參數，并基于傳遞損失驗證模型的精度。基于GT-Power軟件建立其進氣系統仿真模型，并將模型的仿真值與試驗值進行對標，驗證了模型的準確性，使該模型可用于進氣系統聲學仿真研究。并對車輛進氣噪聲進行了測試。

2 整車進氣噪聲測試實驗

對整車進氣噪聲測試實驗在整車半消實驗室中進行。測試設備采用LMS SCADAS Mobile 40通道數據采集系統及麥克風等。實驗時2個前輪用隔音箱隔離，以此排除2前輪胎噪對進氣口噪聲的干擾；現需要排除發動機噪聲對進氣口噪聲的干擾，采用的方法是先在發動機上端鋪一層吸音棉，再鋪一層鉛板，最后再鋪一層吸音棉，同時發動機機艙周圍使用鉛板隔圍，縫隙處用吸音棉填充。麥克風測點位于離進氣口1.4 m處。實驗環境與麥克風布置位置如圖1所示，車輛在三檔全加速(3G_WOT)工況下的進氣口1.4 m處噪聲測試結果如圖2所示。

圖1 試驗環境與傳感器布置位置

圖2 進氣管口1.4 m出進氣噪聲測試結果

3 進氣系統建模

原車的進氣系統模型如圖3所示，進氣系統為車輛進氣口到進氣歧管之間的管路及消聲元件，其對車輛噪聲水平及聲品質有著相當重要的作用。由圖3可知該進氣系統相對復雜，與一般的進氣系統頗為不同，其消聲元件由空濾器、1/4波長管、諧振腔1和諧振腔2組成。現利用GT-Power軟件進行建模。

圖3 進氣系統數模

3.1 諧振腔、1/4波長管的建模

諧振腔、1/4波長管的建模方法相對簡單，分別將諧振腔1、諧振腔2、1/4波長管CATIA數模導入GT-Power的前處理模塊GEM3D，并離散后導入GT-Power軟件。

3.2 物理空濾器的建模

空濾器由一個外殼體和濾芯組成，由于GT-Powe中無濾芯模擬模塊，現用雙層穿孔隔板形成一個腔體，腔體中添加吸音棉的方法來模擬濾芯進行仿真。其中雙隔板穿孔率為98%，雙隔板間距為50 mm。本文通過吸聲材料的參數設置來表征濾芯的聲學、毛孔參數。聲學參數上，動力粘度系數、流體密度、熱傳導率等用初始溫度及比熱容來表征；毛孔參數上，Biot因子、孔隙率及流阻率等用材料密度與直徑、填充密度及流阻系數來表征。濾芯參數見表1。現需要驗證所建立的空濾器模型的模型精度。

3.3 空濾器濾芯傳遞損失

傳遞損失(TL)為聲波流經聲學元件的入射聲功率級Lwi與透射聲功率Lwt的差值，反映消聲元件本身的聲學特性，因此廣泛將傳遞損失應用于消聲性能評價，傳遞函數表達式為：

(1)

基于GT-Power軟件建立空濾器傳遞損失模型，如圖4所示，通過揚聲器發出隨機的白噪聲作為聲源信號，進口端和出口端的分別布置2個傳聲器，分別測量進口端的入射聲壓和出口端的透射聲壓，通過4個聲壓信號互譜和自譜運算，求解模型的傳遞損失。現以此模型進行空濾器傳遞損失仿真計算。計算結果如圖5所示，由空濾器傳遞損失仿真值結果與實驗值的對比可知，該空濾器模型在0～1000 Hz頻率下傳遞損失仿真值與實驗值誤差在7%以內，且趨勢基本一致，所以可以使用該方法替代空濾器濾芯進行仿真，即該空濾器模型可用于仿真計算。

表1 空濾濾芯材料參數

圖4 空濾傳遞損失模型

由于發動機模型已經建立并完成對標，現將諧振腔1、諧振腔2、1/4波長管、空濾器等模型在GT-Power軟件中與標定好的發動機模型耦合，建立進氣系統聲學仿真模型。根據之前整車進氣噪聲測試時麥克風測點的布置情況，在模型中將麥克風測點布置在離進氣口1.4 m處，麥克風模型考慮了流體的影響，自由流體密度為1.205 kg/m3，即25 ℃時常壓下的空氣密度，流體速度為平均速度25 m/s，流體噪聲為80 dB,流體噪聲溫度為298 K。建立的進氣系統仿真模型如圖6所示，現進行模型聲學性能仿真計算。

經過仿真計算，圖7為進氣口1.4 m處噪聲模型總階次噪聲及各主階次噪聲的仿真值與實驗值的對比，由圖可知，總階次噪聲仿真值與實驗值誤差在4.7%以內，2階、4階、6階、8階各主階次噪聲仿真值與實驗值誤差不大且趨勢基本相同。因此該模型符合仿真精度要求，可以用于仿真研究。

圖5 空濾傳遞損失仿真值與實驗值對比

圖6 進氣系統聲學仿真模型

圖7 進氣系統進氣口噪聲模型仿真值與實驗值對比

4 結論

本文通過整車半消實驗室進行了進氣噪聲測試；基于GT-Power軟件建立了空濾器模型，并提出了一種空濾濾芯的建模方法；建立了進氣系統仿真模型，通過仿真值與實驗值進行了對比，驗證了模型的準確性，現得出以下結論：

(1)GT-Power軟件在0～1000 Hz下有較高的聲學仿真精度，可用于聲學產品的研究設計。

(2)在進氣系統建模時，空濾器濾芯的建模可以使用雙層穿孔隔板中間填充吸聲材料，并用吸聲材料的參數設置表征濾芯的聲學、毛孔參數的方法。

(3)本文建立的進氣系統仿真模型具有較高的精度，可用于聲學性能仿真計算及進氣系統消聲性能研究。