汽車進(jìn)氣系統(tǒng)1/4波長(zhǎng)管的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

當(dāng)前，汽車保有量達(dá)到一個(gè)驚人的數(shù)值，在川流不息的大街上，汽車的噪聲不絕于耳，汽車噪聲污染已成為城市噪聲污染的主要兇手之一。因此，汽車企業(yè)也應(yīng)該嚴(yán)格按照國(guó)家法規(guī)要求，降低汽車噪聲，盡量減少噪聲污染給城市及其居民帶來(lái)的危害。

汽車噪聲多種多樣，喇叭聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、機(jī)械噪聲等為其主要組成部分。進(jìn)氣系統(tǒng)作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的門戶，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及過(guò)濾要求的同時(shí)也帶來(lái)進(jìn)氣口噪聲，它是整車NVH噪聲的重要組成之一。因此降低進(jìn)氣口噪聲對(duì)降低整車NVH噪聲具有重要意義。

進(jìn)氣噪聲主要成分包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、汽缸的赫姆霍茲共振噪聲、進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲等?？諝膺^(guò)濾器的壁板非常薄，當(dāng)高速氣流通過(guò)時(shí)，容易被激勵(lì)而引起輻射噪聲[1]。進(jìn)氣系統(tǒng)與噪聲關(guān)聯(lián)性如圖1所示。

圖1進(jìn)氣系統(tǒng)與噪聲源

進(jìn)氣系統(tǒng)可通過(guò)空氣濾清器的容積、進(jìn)氣管道截面積、內(nèi)插管的設(shè)置、赫姆霍茲共振腔及波長(zhǎng)管等進(jìn)行調(diào)音，以達(dá)到較理想的優(yōu)化效果。其中，空氣濾清器的容積、進(jìn)氣管道截面積及內(nèi)插管主要是通過(guò)截面積的變化，達(dá)到較大的擴(kuò)張比m進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化；赫姆霍茲共振腔主要是針對(duì)低頻較寬頻段對(duì)噪聲峰值進(jìn)行削弱；波長(zhǎng)管則主要是針對(duì)高頻較窄頻段進(jìn)行針對(duì)性地峰值削弱，達(dá)到優(yōu)化進(jìn)氣噪聲的目的。其中1/4波長(zhǎng)管是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)中最有應(yīng)用價(jià)值的消聲調(diào)音元件之一。

本文通過(guò)對(duì)1/4波長(zhǎng)管的應(yīng)用，根據(jù)理論及實(shí)測(cè)值的分析，解決了某款車型的進(jìn)氣口嘯叫聲問(wèn)題。

1 1/4波長(zhǎng)管及其設(shè)計(jì)

1/4波長(zhǎng)管是旁支消聲器的一種，圖2所示的為1/4波長(zhǎng)管，圖3為旁支消聲器示意圖。聲波在管道中傳播，當(dāng)遇到邊界時(shí)會(huì)發(fā)生反射，旁支消聲器即利用反射聲波與入射聲波的相互干涉，達(dá)到消聲的目的。

圖2 1/4波長(zhǎng)管

圖3旁支消聲器

旁支消聲器有管口封閉及管口敞開(kāi)兩種形式。1/4波長(zhǎng)管為安裝在主管道上的一個(gè)封閉旁支管，因而屬于管口封閉型旁支消聲器。入射聲波從主管道進(jìn)入旁支管道后，當(dāng)?shù)竭_(dá)1/4波長(zhǎng)管的封閉端面時(shí)，會(huì)發(fā)生聲波的反射。入射聲波經(jīng)過(guò)1/4波長(zhǎng)管的反射后回到主管道，某些頻率下的反射聲波將與主管道內(nèi)相同頻率的入射聲波相位相反，相互疊加的聲波由于相互抵消而達(dá)到消聲的效果[2]。即使相鄰頻率段入射聲波與反射聲波雖然不能完全地抵消，但也將對(duì)聲波起到一定的削弱作用。在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的管道上廣泛應(yīng)用1/4波長(zhǎng)管對(duì)特定頻段噪聲峰值進(jìn)行削弱，即利用該旁支消聲器的原理。

旁支消聲器相關(guān)理論計(jì)算如下：

式（1）為管道聲學(xué)開(kāi)口-封閉管道的固有頻率f0的計(jì)算公式。式中，c為聲速；L表示旁支消聲器管道的長(zhǎng)度。由該公式可知，旁支消聲器的固有頻率f0僅取決于其旁支管道的長(zhǎng)度L，旁支管道越長(zhǎng)，其固有頻率越低。

式（2）為聲速c、頻率f及波長(zhǎng)λ的關(guān)系。將式（2）代入式（1）得到式（3），即旁支消聲器管道長(zhǎng)度L與聲波波長(zhǎng)λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)式（3）中n=1時(shí)，即得到式（4）：

式（4）中，旁支消聲器管道長(zhǎng)度L為聲波波長(zhǎng)λ的1/4倍，此即1/4波長(zhǎng)管的由來(lái)。

1/4波長(zhǎng)管的傳遞損失計(jì)算公式如下：

式（5）中TL為1/4波長(zhǎng)管的傳遞損失值(dB),m為擴(kuò)張比，L為波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度，λ為聲波波長(zhǎng)[3]。

實(shí)際調(diào)音過(guò)程中需要應(yīng)用1/4波長(zhǎng)管時(shí)，先根據(jù)仿真或?qū)崪y(cè)的噪聲曲線，找到其噪聲峰值即所需要削弱的部分，設(shè)定適當(dāng)?shù)膫鬟f損失目標(biāo)值，再結(jié)合以上1/4波長(zhǎng)管的相關(guān)計(jì)算公式，進(jìn)行1/4波長(zhǎng)管參數(shù)的設(shè)定。

2 1/4波長(zhǎng)管的實(shí)際應(yīng)用

在某車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)氣口噪聲實(shí)測(cè)曲線如圖4中曲線所示。

圖4為某進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由噪聲曲線分析可知，4、6 階噪聲分別在（4 500～5 000）r/min及3 250 r/min附近存在噪聲峰值，需要針對(duì)以上峰值進(jìn)行調(diào)音，以達(dá)到較好的聲學(xué)性能。

由式（1）可知，為了設(shè)定合適的1/4波長(zhǎng)管長(zhǎng)度L，首先需要設(shè)定其目標(biāo)共振頻率，即調(diào)音時(shí)該1/4波長(zhǎng)管所針對(duì)噪聲峰值的頻率f0。而進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣口噪聲主要源自發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部噪聲的傳播，其與發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火頻率密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火頻率計(jì)算公式如下：

式（6）中，τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程系數(shù)。該車型匹配發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其沖程系數(shù)τ為2，其發(fā)火階次為二階。由式(6)計(jì)算得圖3所示進(jìn)氣口噪聲曲線峰值對(duì)應(yīng)頻率約為300 Hz.

由圖3可知，噪聲峰值部分需要降低約20dB才能達(dá)到削弱其峰值的目的。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮將該波長(zhǎng)管放置在進(jìn)氣系統(tǒng)清潔空氣管上(準(zhǔn)54),根據(jù)以上參數(shù)，取聲速c為 340 m/s，結(jié)合式（1）～（5），可計(jì)算得：波長(zhǎng)λ≈1133 mm，L≈283 mm，m≈0.28，1/4波長(zhǎng)管直徑d≈28mm。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將該1/4波長(zhǎng)管的參數(shù)設(shè)計(jì)為：準(zhǔn)28×280 mm，預(yù)計(jì)其能滿足預(yù)定的調(diào)音目標(biāo)。

為驗(yàn)證該1/4波長(zhǎng)管的實(shí)際消聲效果，根據(jù)其設(shè)計(jì)參數(shù)，制作該1/4波長(zhǎng)管的快速樣件進(jìn)行實(shí)車噪聲測(cè)試，其實(shí)測(cè)噪聲曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5添加1/4波長(zhǎng)管后進(jìn)氣口噪聲實(shí)測(cè)值對(duì)比

如圖5所示的噪聲曲線中，實(shí)線表示添加1/4波長(zhǎng)管前的進(jìn)氣口噪聲曲線，虛線表示添加1/4波長(zhǎng)管后的進(jìn)氣口噪聲曲線。

由圖中噪聲曲線分析可知，進(jìn)氣口噪聲在4階和6階得到明顯改善，其在(4 500～5 000)r/min及3 250 r/min轉(zhuǎn)速下的噪聲峰值得到顯著削弱，且噪聲曲線走向較為平滑，添加該1/4波長(zhǎng)管后進(jìn)氣口噪聲達(dá)到了預(yù)期的噪聲性能優(yōu)化目標(biāo)。

3 1/4波長(zhǎng)管的整車布置及感知質(zhì)量

完成了1/4波長(zhǎng)管的參數(shù)設(shè)計(jì)后，其最終需要作為整車及子系統(tǒng)的一個(gè)零部件，呈現(xiàn)在客戶面前，因而美觀性也是需要考慮的一個(gè)重要因素。

1/4波長(zhǎng)管的消聲性能僅與其截面積及管長(zhǎng)有關(guān)，與具體走向無(wú)關(guān)。在整車實(shí)際布置時(shí)，往往無(wú)法為1/4波長(zhǎng)管找到一個(gè)足夠的空間將其設(shè)計(jì)為一根長(zhǎng)直管，因而很多情況下均對(duì)1/4波長(zhǎng)管的走向進(jìn)行適當(dāng)處理，在復(fù)雜的三維空間為其尋找最佳的布置空間。

在確定好該1/4波長(zhǎng)管的技術(shù)參數(shù)后，根據(jù)該車型進(jìn)氣系統(tǒng)的周邊環(huán)境，為該波長(zhǎng)管設(shè)計(jì)了如圖6和圖7中A、B、C三個(gè)方案。

圖6 1/4波長(zhǎng)管布置方案（仰視）

圖7 1/4波長(zhǎng)管布置方案（俯視）

在圖6及圖7所示1/4波長(zhǎng)管的三個(gè)方案中，方案A將波長(zhǎng)管隱藏在清潔空氣管底部，方案B將波長(zhǎng)管隱藏至進(jìn)氣管底部，方案C將波長(zhǎng)管外露在進(jìn)氣管上部即清潔空氣管前端。

由圖7可知，在打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋后，方案B及方案C的波長(zhǎng)管直接外露，美觀性較差，方案A的隱藏效果較好，因此最終方案選定為方案A。

該1/4波長(zhǎng)管的最終設(shè)計(jì)方案如圖8所示。

如圖8所示，1/4波長(zhǎng)管三維走向較為復(fù)雜，圖9所示為該車型進(jìn)氣系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋打開(kāi)后，隱藏的1/4波長(zhǎng)管能避免引起客戶對(duì)管路布置的不滿意。在滿足消聲性能的前提下，該1/4波長(zhǎng)管的布置方案能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙的感知質(zhì)量，有利于整車品質(zhì)的提升。

圖8 1/4波長(zhǎng)管

圖9進(jìn)氣系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

1/4波長(zhǎng)管是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)常用的消聲元件，由于其對(duì)噪聲峰值的針對(duì)性強(qiáng)，因而對(duì)噪聲性能優(yōu)化效果十分明顯。1/4波長(zhǎng)管設(shè)計(jì)原理相似，但是其不同尺寸參數(shù)對(duì)噪聲的優(yōu)化效果造成一定差異。在實(shí)際車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，找出其對(duì)應(yīng)的噪聲峰值及頻率，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，合理設(shè)計(jì)1/4波長(zhǎng)管，使其滿足進(jìn)氣口噪聲性能優(yōu)化的要求。這對(duì)降低整車噪聲，提升整車品質(zhì)具有一定的意義。

[1]趙要珍，許雪瑩，韓國(guó)華.汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲控制與優(yōu)化[J].上海汽車，2012，(12):47.

[2]龐 劍，諶 剛，何 華.汽車噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006:214.

[3]岳貴平，張義民.非正態(tài)隨機(jī)參數(shù)的旁支消聲器聲學(xué)可靠性靈敏度設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，(6):721.