發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)（續(xù)1）

李明珠 王暉 閆立濱

（華晨汽車工程研究院NVH 工程室）

汽車的NVH 性能越來(lái)越受到用戶的重視，而動(dòng)力總成系統(tǒng)在噪聲和振動(dòng)方面的貢獻(xiàn)量極其明顯，對(duì)整車噪聲貢獻(xiàn)的比例超過(guò)10%。文章基于某自主品牌車型的進(jìn)氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通過(guò)管道聲學(xué)理論在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)上的應(yīng)用研究，利用聲源特性提取和整車消聲室測(cè)試手段，旨在降低進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣口噪聲，以解決汽車在加速過(guò)程中由進(jìn)氣系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲問(wèn)題，提高乘駕舒適性。

1 進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理及結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)活塞周期性運(yùn)動(dòng)和對(duì)應(yīng)氣缸內(nèi)壓力脈動(dòng)噪聲、進(jìn)出氣流渦流噪聲、氣缸的赫姆霍茲共振噪聲及歧管的氣柱共振噪聲等。

進(jìn)氣系統(tǒng)[1]由空氣濾清器、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣壓力傳感器、節(jié)氣門體、附加空氣閥、怠速控制閥、諧振腔及進(jìn)氣歧管等部件組成，如圖1所示。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，如圖2所示。

2.1 進(jìn)氣噪聲的目標(biāo)設(shè)定

文章所涉及車型的動(dòng)力總成基本參數(shù)中：動(dòng)力總成布置形式為前置縱式；發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.4 L；發(fā)動(dòng)機(jī)為4 缸四沖程；氣門數(shù)為16。將該競(jìng)品車型進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲測(cè)試，并將結(jié)果匯總對(duì)比，從而得到初始的進(jìn)氣噪聲目標(biāo)參數(shù)。制定進(jìn)氣口噪聲目標(biāo)線，如圖3所示。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)存在直接關(guān)系，故在開(kāi)發(fā)中除了整體聲壓級(jí)外還注重其第2，4，6，8 階的能量控制，如圖4所示。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)基礎(chǔ)消聲元件設(shè)計(jì)

2.2.1 四負(fù)載法提取聲源特性

根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)構(gòu)造以及噪聲激勵(lì)機(jī)理得到能量傳遞路徑為：聲源→消聲系統(tǒng)（聲阻抗）→進(jìn)氣口。

在已知最終響應(yīng)（進(jìn)氣口）的目標(biāo)值前提下，只要能夠獲得激勵(lì)（聲源）的特性，進(jìn)而即可獲得需要設(shè)計(jì)的消聲元件的傳遞損失特性。

文章使用試驗(yàn)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門體處聲源特性進(jìn)行提取[2]。該噪聲源可以視為單口聲源，用直管替代進(jìn)氣系統(tǒng)，其噪聲聲源示意圖，如圖5所示。

管子內(nèi)部x=0 處的聲壓可以表示為：

式中：PL——聲源出口聲壓，Pa；

ZL——聲源所連接負(fù)載的聲阻抗，kg/(m2·s)；

Zs——聲源阻抗，kg/(m2·s)；

Ps——聲源聲壓，Pa。

假定發(fā)動(dòng)機(jī)在某一特定工況，聲源特性是恒定的，不隨聲負(fù)載的不同而改變。4 根不同長(zhǎng)度的管子作為聲源下游的聲負(fù)載，如圖6所示。

根據(jù)公式得到4 個(gè)負(fù)載的聲學(xué)方程及聲源聲阻和聲抗，即可求得聲源聲壓。

四缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)階次噪聲研究中，通常取前4 階次，即 2，4，6，8 階噪聲作為研究對(duì)象。使用上述計(jì)算方法，通過(guò)分別測(cè)試與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接各管子的管口處聲壓，從而進(jìn)行聲源特性提取。

測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)在2 擋下進(jìn)行節(jié)氣門全開(kāi)加速，轉(zhuǎn)速范圍由1 000 r/min 升至5 000 r/min。在整個(gè)過(guò)程中分別測(cè)得 2，4，6，8 階的管口聲壓進(jìn)而計(jì)算出2，4，6，8 階的聲源聲壓，取其聲壓級(jí)，整理后的聲壓級(jí)曲線，如圖7所示。

2.2.2 擴(kuò)張型消聲器（空氣濾清器）的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各階次聲源聲壓級(jí)的分析，在1 500～3 500 r/min 范圍內(nèi)，2 階和 4 階的激勵(lì)成分占主要貢獻(xiàn)量，而6 階和8 階能量自3 000 r/min 以后開(kāi)始遞增。通過(guò)階次與頻率的轉(zhuǎn)化計(jì)算，得出2 階成分激振頻率范圍為50～117 Hz，4 階成分激振頻率范圍為100～233 Hz。

根據(jù)以上對(duì)聲源特性的分析，考慮將空氣濾清器作為主體擴(kuò)張型消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，盡量將其1 階的消聲主頻落在2 階低頻激勵(lì)范圍內(nèi)（50～117 Hz）。

將空氣濾清器視為一個(gè)由主要腔室和兩邊與之連接的管道組成的擴(kuò)張型消聲部件，其傳遞損失取決于擴(kuò)張比和擴(kuò)張腔室的長(zhǎng)度。為了提高傳遞損失，擴(kuò)張比越大越好。有2 種辦法提高擴(kuò)張比：一是減小管道的尺寸，二是增加濾清器的截面積。而在實(shí)踐操作中，發(fā)現(xiàn)將進(jìn)入管和輸出管插入濾清器中也可以提高空濾的傳遞損失。

參考設(shè)計(jì)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間，初步確立進(jìn)氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示。

加裝以上基礎(chǔ)進(jìn)氣系統(tǒng)方案后，對(duì)進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。

加裝空濾后，進(jìn)氣口噪聲第2 階與第 4 階在1 500～3 500 r/min 范圍內(nèi)較之聲源聲壓級(jí)有了非常明顯的下降，降幅在14～20 dB。但同時(shí)也注意到，其距離設(shè)定好的目標(biāo)線尚有較大超出量，且各階次存在較多的峰值問(wèn)題。

（待續(xù)）