發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)加速氣流噪聲問(wèn)題分析與研究

王金友 閆晨 劉月普 宋兆哲 高鋒軍 陳萬(wàn)軍

1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

·振動(dòng)·噪聲·

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)加速氣流噪聲問(wèn)題分析與研究

王金友1，2閆晨1，2劉月普1，2宋兆哲1，2高鋒軍1，2陳萬(wàn)軍1，2

1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

針對(duì)某SUV發(fā)動(dòng)機(jī)在加速工況下存在噪聲問(wèn)題，進(jìn)行了聲源特性分析，設(shè)計(jì)了共振式消聲器，利用LMS Virtual Lab軟件進(jìn)行傳遞損失仿真計(jì)算和傳遞損失試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整車測(cè)試，結(jié)果使駕駛員右耳噪聲降低了2.8 dB（A），加速氣流噪聲主觀評(píng)價(jià)達(dá)到可接受。

氣流噪聲消聲器傳遞損失主觀評(píng)價(jià)

引言

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能關(guān)注度也越來(lái)越高。在汽車的眾多噪聲源中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，已成為當(dāng)前汽車噪聲優(yōu)化控制，提高整車NVH性能不可忽略的研究?jī)?nèi)容[1]。本文針對(duì)某SUV發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問(wèn)題，進(jìn)行聲源特性分析，確定聲源位置，采用被動(dòng)降噪的方法，在聲源位置近場(chǎng)設(shè)計(jì)消聲器，并進(jìn)行仿真分析與傳遞損失試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行整車測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，加速氣流噪聲主觀評(píng)價(jià)達(dá)到可接受。

1聲源特性分析

在對(duì)整車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)中，發(fā)現(xiàn)在駕駛室內(nèi)存在加速噪聲大的問(wèn)題，為識(shí)別此問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，圖1為車內(nèi)駕駛員右耳噪聲頻譜圖，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波回放，確認(rèn)在3擋全負(fù)荷加速1 400～2 400 Hz頻段內(nèi)噪聲較大。

針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題排查測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)壓后管路近場(chǎng)噪聲與右耳噪聲頻譜一致，圖2為壓后管路近場(chǎng)噪聲頻譜。從圖中頻譜可以看出，在1 400～2 400 Hz內(nèi)聲壓級(jí)較大，此噪聲符合Whoose噪聲特征，屬于寬頻噪聲。產(chǎn)生原因?yàn)椋寒?dāng)進(jìn)氣流速較小時(shí)，增壓器壓輪葉片根部發(fā)生了氣體分離，從而產(chǎn)生了紊流噪聲，噪聲經(jīng)過(guò)壓后管路振動(dòng)傳播，從而使得壓后管路噪聲較大。

圖1 駕駛員右耳噪聲頻譜圖

對(duì)Whoose噪聲的解決主要是有源控制和路徑控制兩種，前者主要通過(guò)采用大壓葉輪或者進(jìn)行葉型優(yōu)化等方法進(jìn)行主動(dòng)控制；后者主要是通過(guò)消聲或者隔聲等被動(dòng)降噪方法進(jìn)行控制。有源控制方法成本高且周期長(zhǎng)，考慮到實(shí)際情況，本文采用在壓后管路增加消聲器的被動(dòng)降噪方法。

圖2 壓后管路近場(chǎng)噪聲

2消聲器設(shè)計(jì)與計(jì)算

針對(duì)試驗(yàn)中確定的1 400～2 400 Hz氣流噪聲問(wèn)題，需要在壓后管路設(shè)計(jì)消聲器予以解決。由于產(chǎn)生噪聲屬于寬頻噪聲，因此需要設(shè)計(jì)多節(jié)共振式消聲器。共振式消聲器是根據(jù)亥姆霍茲共振器原理而設(shè)計(jì)的，所設(shè)計(jì)的多節(jié)共振式消聲器，中心管為穿孔管，外殼為共振腔。當(dāng)孔心距為孔徑的5倍以上時(shí)，可以認(rèn)為各孔之間聲輻射互不干涉，因此可以看成為許多亥姆霍茲共振器并聯(lián)。單節(jié)共振式消聲器共振頻率f計(jì)算公式為

式中：V為共振腔容積，m3；G為小孔的傳導(dǎo)率，m。其中n為孔數(shù)；s為每個(gè)小孔面積，m2；t為穿孔板厚，m；d為小孔直徑。

公式（1）就是所設(shè)計(jì)消聲器的理論依據(jù)[2]。所設(shè)計(jì)的消聲器數(shù)模如圖3所示。

圖3 消聲器幾何模型

為了評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)消聲器的性能好壞，需要對(duì)消聲器進(jìn)行傳遞損失計(jì)算，傳遞損失是評(píng)價(jià)消聲器本身性能好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。傳遞損失為聲音經(jīng)過(guò)消音元件后聲音能量的衰減，即入射升功率級(jí)和透射聲功率級(jí)的差值。傳遞損失用TL（Transmission Loss）表示：

式中：LTL為聲功率傳遞損失；LW1、LW2為消聲器入口和出口的聲功率級(jí)；W1、W2為消聲器入口處和出口處的聲功率，W；p1、p2為消聲器入口處和出口處的聲壓，Pa。

本文利用LMS Virtual Lab軟件采用管道聲模態(tài)的方法計(jì)算了消聲器的傳遞損失，管道聲模態(tài)的方法與傳統(tǒng)方法相比，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單且計(jì)算效率高。管道聲模態(tài)適用于大截面積管道（即管道截面積大于聲音最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半）或計(jì)算頻率較高時(shí)的情況，傳統(tǒng)計(jì)算方法適用于小截面積管道，當(dāng)管道截面積較大或者計(jì)算頻率較高時(shí)，聲音在管道中不再以平面波的形式進(jìn)行傳播，從而不完全沿管路的軸線方向進(jìn)行傳播，平面波的一些理論就不再適用了。這種情況就必須適用管道聲模態(tài)的相關(guān)理論[4-5]。

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的消聲器抽取內(nèi)表面，按照聲學(xué)網(wǎng)格的要求，劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入到LMS Virtual Lab軟件中，賦予流體屬性，在消聲器入口端施加單位聲功率，在出口端設(shè)置AML層，實(shí)現(xiàn)無(wú)反射邊界環(huán)境的模擬。計(jì)算過(guò)程如圖4所示。消聲器的傳遞損失結(jié)果如圖5所示。

圖4 消聲器傳遞損失計(jì)算過(guò)程

圖5 消聲器傳遞損失

從圖5中可以看出，所設(shè)計(jì)的消聲器在1 400～2 400 Hz之間平均傳遞損失達(dá)到25dB，消聲性能較好。由于傳遞損失受溫度影響較大，并且本次設(shè)計(jì)的消聲器是針對(duì)壓后管路，因此必須考慮溫度對(duì)消聲器傳遞損失的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況測(cè)得壓后管路溫度變化范圍在60～120℃之間，計(jì)算這兩種極限溫度下消聲器傳遞損失。圖6為考慮溫度后的消聲器傳遞損失曲線。

圖6 考慮溫度后的消聲器傳遞損失

從圖6中可以看到，消音器的傳損損失會(huì)隨溫度升高而向高頻移動(dòng)；60℃時(shí)，消音器工作范圍為1 400 Hz到2 400 Hz，消聲量均在25 dB以上；120℃時(shí)，消音器工作范圍為1 600 Hz到2 600 Hz，消聲量均在25 dB以上。

可見，所設(shè)計(jì)的消聲器消聲性能較好。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)的消聲器制作樣件，進(jìn)行傳遞損失試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試。本文利用阻抗管法在全消聲室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)測(cè)試要求，分別在阻抗管末端放置柱塞和吸聲棉進(jìn)行兩次測(cè)試，圖7為傳遞損失測(cè)試圖。圖8為傳遞損失試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖?？梢钥闯?，傳遞損失仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試在趨勢(shì)、幅值、頻率上吻合度較好，證明仿真結(jié)果可信。將消聲器裝在整車上進(jìn)行測(cè)試。圖9為壓后管路加消聲器后噪聲對(duì)比。可以看出壓后增加消聲器后，駕駛員右耳1 400～2 400 Hz頻段噪聲減弱2.8 dB（A），壓后管路近場(chǎng)，1 400～2 400 Hz頻段噪聲降低4.5 dB（A）。

為進(jìn)一步研究加消聲器后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，在壓后管路鉆孔安裝傳感器進(jìn)行進(jìn)氣背壓測(cè)試。測(cè)

圖7 消聲器樣件傳遞損失測(cè)試

圖8 傳遞損失試驗(yàn)與仿真對(duì)比

圖9 壓后管路加消聲器后噪聲對(duì)比

試結(jié)果如圖10所示。進(jìn)氣背壓在最高轉(zhuǎn)速5 600 r/ min全負(fù)荷工況下增加了0.64 kPa。按統(tǒng)計(jì)規(guī)律：進(jìn)氣背壓每增加1 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失比大約增加0.21%。功率損失通常指發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下功率損失[6]。本發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為120 kW，估算功率損失為0.16 kW，降幅很小。此次設(shè)計(jì)的消聲器不僅能降低寬頻噪聲，還能保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。

Analysis and Research on Intake System Accelerated Airflow Problem of a Vehicle Engine

Wang Jinyou1,2,Yan Chen1,2,Liu Yuepu1,2,Song Zhaozhe1,2,Gao Fengjun1,2，Chen Wanjun1,2
1-Technical Center,Great Wall Motor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China) 2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

In order to solve the 1 400-2 400 Hz airflow sound problems under the accelerating working condition of the engine in certain SUV,a resonant muffler was designed,and the transmission loss was calculated.In addition,experimental tests were done to verify the simulation results.On the basis of it,the prototype was made and the test was done on the vehicle.The test results show that the driver′s right ear noise is reduced by 2.8 dB(A),and the effect of the accelerated airflow sound is accepted by Subjective evaluation.

Airflow noise,Muffler,Transmission loss,Subjective evaluation

TK421.6

A

2095-8234（2016）06-0081-04

王金友（1985-），男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲。