汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的消聲設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉　順

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系，安徽 蕪湖 241002）

汽車產(chǎn)生的噪聲主要來源于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，按噪聲產(chǎn)生的機(jī)理劃分，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。進(jìn)氣噪聲就是進(jìn)氣過程中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生的空氣動(dòng)力噪聲，因此優(yōu)化整車消聲設(shè)計(jì)和降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是降低汽車噪聲的重要手段［1-3］。在某型汽車的研發(fā)過程中，筆者在3檔節(jié)氣門全開工況（3^WOT）條件下的測試中，發(fā)現(xiàn)司機(jī)左耳（DLE,driver left ear）位置的噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于3 150 r/min時(shí)產(chǎn)生，其中6階激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲最為突出。針對這一問題，筆者從進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改進(jìn)了諧振腔的結(jié)構(gòu)，降低了進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲，在一定程度上消除了噪聲對整車的影響。

1　赫姆霍茲共振消聲器的設(shè)計(jì)

1.1　赫姆霍茲消聲器的結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣系統(tǒng)的共振消音器包括赫姆霍茲消聲器和四分之一波長管兩部分。赫姆霍茲消聲器的傳遞損失是指針對某一個(gè)頻率和以該頻率為中心的窄帶噪聲。通常情況下，低頻噪聲都是通過赫姆霍茲消聲器降低的，圖 1 為赫姆霍茲消聲器的結(jié)構(gòu)示意圖［4－5］。

圖1　赫姆霍茲消聲器的結(jié)構(gòu)

赫姆霍茲消聲器的諧振頻率為

其中，c為空氣中的聲速，lc為連接管長度，Sc為連接管的截面積，V為諧振腔的容積。

1.2　諧振腔的工作原理

赫姆霍茲消聲器類似于動(dòng)力減振器（圖2）。動(dòng)力減振器中附加一個(gè)質(zhì)量為m2的吸振器和一個(gè)阻尼為k2的彈簧組成的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可以抵消主系統(tǒng)中某個(gè)頻率的振動(dòng)。

赫姆霍茲消聲器的空腔類似于彈簧，連接管中的空氣類似于動(dòng)力減振器中的吸振器。聲波在管道中傳播，經(jīng)過赫姆霍茲消聲器時(shí)，聲波的阻抗發(fā)生了變化，部分聲能被反射，構(gòu)成了反射波，該反射波與進(jìn)氣管道中聲波的對應(yīng)頻率的相位正好相反，能量可以相互抵消，這就起到了消除某個(gè)頻率聲波的作用，因而也就降低了某個(gè)頻率的噪聲。

圖2　動(dòng)力減振器的結(jié)構(gòu)

由式（2）和式（1）可以看出，影響赫姆霍茲消聲器傳遞損失的因素有容器的容積、連接管的長度和連接管的截面積。

2　實(shí)際問題的分析及解決

在某型汽車的開發(fā)和后期驗(yàn)證階段，筆者發(fā)現(xiàn)在3^WOT工況條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于3 150 r/min時(shí)，駕駛室內(nèi)DLE位置的噪聲峰值是由進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的。在該轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的6階激勵(lì)產(chǎn)生的影響最突出。

頻率f、轉(zhuǎn)速r和階次n的關(guān)系為

由于噪聲峰值在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于3 150 r/min時(shí)產(chǎn)生，故由式（3）可以得出峰值噪聲的頻率為315 Hz。

針對進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的315 Hz噪聲，筆者在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加了一個(gè)諧振腔。根據(jù)式（1），在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，應(yīng)根據(jù)駕駛室內(nèi)為進(jìn)氣系統(tǒng)增加赫姆霍茲消聲器預(yù)留空間的大小確定lc與Sc，再把f代入式（1）算出V，最后得出赫姆霍茲諧振腔的尺寸。

圖3　初始設(shè)計(jì)的赫姆霍茲諧振腔

在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加赫姆霍茲諧振腔以后，根據(jù)插入損失原理（系統(tǒng)中插入消聲器前后在系統(tǒng)外某定點(diǎn)測得的聲級差）通過進(jìn)氣口噪聲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，測得的赫姆霍茲諧振腔的消聲頻率約為270 Hz，而要求的消聲頻率為315 Hz，造成這種不一致的原因是在手工制作樣件時(shí)，赫姆霍茲諧振腔的本體尺寸存在誤差，同時(shí)，諧振腔連接管的長度和截面積也存在一定的誤差。

圖4　赫姆霍茲諧振腔消聲頻率的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，筆者對此赫姆霍茲諧振腔進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。根據(jù)赫姆霍茲諧振腔的計(jì)算公式和赫姆霍茲諧振腔的試驗(yàn)結(jié)果，通過人工手段逐步減小它的體積來提高其消聲頻率。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，確定了改進(jìn)后的赫姆霍茲諧振腔的尺寸，它們分別為改進(jìn)前后的赫姆霍茲諧振腔結(jié)構(gòu)對比如圖5所示。

圖5　改進(jìn)前后的諧振腔

改進(jìn)了赫姆霍茲諧振腔以后，筆者利用插入損失原理測試了其消聲頻率，發(fā)現(xiàn)其消聲頻率為319 Hz，而進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲時(shí)，其峰值頻率為315 Hz，這說明改進(jìn)后的諧振腔基本上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

改進(jìn)后的諧振腔的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，改進(jìn)取得了比較好的消聲效果。

圖6　改進(jìn)后的赫姆霍茲諧振腔消聲頻率的試驗(yàn)結(jié)果

將改進(jìn)后的赫姆霍茲諧振腔安裝到試驗(yàn)車的進(jìn)氣系統(tǒng)中，并在3^WOT工況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測量進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲及3^WOT工況下駕駛室DLE位置的噪聲。圖7是赫姆霍茲諧振腔改進(jìn)前后3^WOT工況下的進(jìn)氣口噪聲及車內(nèi)噪聲的overall對比結(jié)果。

從圖7可以看出，增加赫姆霍茲諧振腔以后，進(jìn)氣口噪聲和車內(nèi)噪聲都明顯降低。因此，改進(jìn)后的赫姆霍茲諧振腔具有明顯的消音效果。

圖7　改進(jìn)前后3^WOT工況下進(jìn)氣口噪聲及車內(nèi)噪聲的overall對比結(jié)果

3　結(jié)束語

針對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于3 150 r/min時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲峰值對駕駛室內(nèi)環(huán)境的影響，加裝319 Hz的諧振腔能取得比較明顯的消聲效果，達(dá)到了降低車內(nèi)噪聲的目的。

赫姆霍茲消聲器是進(jìn)氣系統(tǒng)中重要的降低特定頻段噪聲的部件，采用分析、計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法才能取得滿意的消聲效果。