兩個腔室諧振箱在汽車進氣系統(tǒng)降噪中的應(yīng)用①

湯志鴻， 侯永平， 朱貞英， 門永新

(1.同濟大學(xué)，上海 201804;2.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州 311228)

0 引言

發(fā)動機進氣噪聲是汽車最主要的噪聲源之一.進氣系統(tǒng)噪聲主要是指進氣口處的噪聲，這個噪聲源離車廂很近，所以對車內(nèi)噪聲貢獻非常大.同時，進氣口噪聲也是汽車最主要的通過噪聲源[1].因此，進氣噪聲控制在整車NVH性能中具有非常重要的作用.

發(fā)動機進氣噪聲的主要成分包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、汽缸的赫姆霍茲共振噪聲、進氣管的氣柱共振噪聲等.改善進氣噪聲主要有兩種途徑，分別是降低發(fā)動機自身噪聲水平和提高進氣系統(tǒng)降噪能力.在發(fā)動機已定型的情況下一般都采用后者，而增加諧振箱是提高進氣系統(tǒng)降噪性能的主要手段之一.

文獻[3]介紹了進氣系統(tǒng)常用消聲元件及傳遞損失分析方法.文獻[4]對多腔消聲器數(shù)字優(yōu)化技術(shù)進行了討論.

1 赫姆霍茲消聲器工作原理

赫姆霍茲消聲器是由一個剛性容器和一個連通的頸所組成的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

當聲波進入孔頸時，由于孔頸的摩擦阻尼，聲能變?yōu)闊崮埽孤暡ㄋp.當聲波頻率接近共振器的固有頻率時，共振器孔頸處的空氣柱振動特別強烈，聲能吸收較大;遠離共振頻率時，則較小.赫姆霍茲共振器的吸聲頻帶比較窄，在共振頻率時吸收最大.赫姆霍茲共振器的共振頻率可由下式求得:

式中，V為共振器空腔體積(m3)，L為頸的實際長度(m)，R為頸口半徑(m)，c為聲速(m/s).提高空氣濾清器的降噪能力，常見的諧振箱即是一個赫姆霍茲消聲器.

圖1 單個腔室赫姆霍茲消聲器

2 兩個腔室赫姆霍茲消聲器結(jié)構(gòu)及特點

赫姆霍茲消聲器只能消除一個頻率及其附近頻帶的噪聲.除了傳統(tǒng)單個腔室結(jié)構(gòu)外，也有兩個腔室的赫姆霍茲消聲器，圖2(a)和(b)分別表示外部串聯(lián)和內(nèi)部串聯(lián)的腔室結(jié)構(gòu).

兩個腔室的赫姆霍茲消聲器可以消除兩個頻率的噪聲，如果兩個腔室的容積與一個腔室消聲器容積一樣的話，那么兩個腔室消聲器傳遞損失對應(yīng)的峰值要低些.圖3表示一個腔室和兩個腔室赫姆霍茲消聲器傳遞損失對比.

圖2 兩個腔室赫姆霍茲消聲器[1]

圖3 一個腔室和兩個腔室赫姆霍茲消聲器傳遞損失對比[1]

3.2 改進思路及方案:采用兩個腔室結(jié)構(gòu)的諧振箱

首先，對原進氣系統(tǒng)進行傳遞損失分析，判斷是否存在設(shè)計缺陷，分析結(jié)果如圖5.

圖5 原進氣系統(tǒng)傳遞損失分析結(jié)果

傳遞損失曲線在245Hz附近并未出現(xiàn)低谷，由此判斷非進氣系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷，而是由發(fā)動機本身在此頻率存在噪聲峰值.改進方法為針對噪聲峰值，增加工作頻率為245Hz的諧振箱.考慮原進氣系統(tǒng)有三個諧振箱，結(jié)合布置空間、模具修改和成本控制等因素，采用將消聲容積為4L的諧振箱隔成兩個腔室的方案，如圖6.

圖6 原進氣系統(tǒng)示意圖

3 兩個腔室諧振箱降噪應(yīng)用案例

3.1 問題來源:加速過程中存在進氣噪聲問題

NVH試驗發(fā)現(xiàn):某中高級轎車在加速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2410rpm和3650rpm附近出現(xiàn)噪聲峰值，主要由進氣系統(tǒng)噪聲引起，噪聲頻率為245Hz左右，如圖4所示.

圖4 加速工況下駕駛員外耳噪聲及階次圖

根據(jù)赫姆霍茲消聲器工作原理，用一個帶管子的隔板將發(fā)動機罩諧振箱隔成2個腔，根據(jù)隔板位置不同，提出兩種改進方案，位置及尺寸如圖7.方案1中較小諧振箱遠離進氣主管道，尺寸為頸長L=50mm，半徑 R=15mm，容積 V=0.48L，根據(jù)赫姆霍茲共振器的共振頻率計算公式得f0=245Hz.方案2中較小諧振箱靠近進氣主管道，頸與原諧振箱共用，通過計算得到諧振箱容積為1.05L.對兩種方案進行傳遞損失分析，結(jié)果如圖8、圖9所示.

對比兩種方案傳遞損失分析結(jié)果可以看到，方案1諧振箱作用頻帶很小，實際降噪能力可能不夠理想.方案2諧振箱作用頻帶比方案1大，初步判斷可滿足優(yōu)化要求.

圖7 進氣系統(tǒng)改進方案示意圖

圖8 進氣系統(tǒng)改進方案1傳遞損失分析結(jié)果

圖9 進氣系統(tǒng)改進方案2傳遞損失分析結(jié)果

此外，方案1原諧振箱傳遞損失幾乎不受影響，而方案2原諧振箱傳遞損失峰值和頻率均降低.對于此現(xiàn)象，專門建立了諧振箱模型進行研究，如圖10所示.

用一個帶管子的隔板將諧振箱分隔為2個腔室，隔板靠近和遠離主管道分別為位置A和B，較小的兩個腔室消聲容積接近，對其進行傳遞損失分析，結(jié)果如圖11.分析結(jié)果與上述進氣系統(tǒng)改進方案相似.另外，兩個腔室容積比例關(guān)系的影響情況值得進一步研究.

3.3 試驗驗證:加速噪聲明顯降低

基于方案2制作進氣系統(tǒng)樣件，并裝車進行驗證.改進前后試驗結(jié)果對比如圖12所示，改進后發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2410rpm和3650rpm附近噪聲峰值有明顯降低，改善效果較好.

4 結(jié)語

通過優(yōu)化諧振箱有效地解決了進氣系統(tǒng)噪聲問題，與單獨增加一個諧振箱相比，分隔諧振箱形成兩個腔室的方案有如下優(yōu)點:

(1)不影響布置空間;

圖10 不同隔板位置的兩個腔室諧振箱模型示意圖

圖11 不同隔板位置的兩個腔室諧振箱傳遞損失分析結(jié)果

圖12 進氣系統(tǒng)改進前后加速工況下駕駛員外耳噪聲對比

(2)模具改動小;

(3)單臺成本增加較少.

機艙內(nèi)的布置空間有限，兩個腔室的諧振箱在節(jié)約空間和成本上具有一定的優(yōu)勢，在進氣系統(tǒng)需要兩個及以上諧振箱時可優(yōu)先考慮此類設(shè)計方案.

對于將原諧振箱分隔成兩個腔室的方案，當較小諧振箱靠近進氣主管道時，其消聲性能優(yōu)于遠離主管道，但對原諧振箱消聲性能的影響也較大.兩個腔室容積比例關(guān)系的影響情況值得進一步研究.

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]湯志鴻.汽車進氣系統(tǒng)傳遞損失分析及優(yōu)化研究[C].2009中國汽車工程學(xué)會年會論文集.

[3]林進修，林曉.空氣濾清器與進氣消聲[J].振動與噪聲，1996，(6).

[4]Numerical Optimization of a Three－Chamber Muffler Hybridized with a Side Inlet and a Perforated Tube by SA Method[J].Journal of Marine Science and Technology，2010，Vol.18，No.4，pp.484－495.