車用進氣系統(tǒng)的氣動噪聲研究

韋唐凌，蔣程學，張佳煦

(柳州日高濾清器有限責任公司，廣西柳州 545616)

0 引言

隨著汽車技術不斷的發(fā)展和人們生活水平的日益提高，顧客在選擇汽車時越來越關注汽車的駕乘舒適性，在談論此類問題時通常會引入一個術語：NVH，即是噪聲(Noise)、振動(Vibration)和聲音粗糙度(Harshness)3個英文單詞首字母的縮寫。對駕乘舒適性影響最直接的車內噪聲來說，噪聲源主要有以下幾個：排氣系統(tǒng)輻射噪聲、進氣系統(tǒng)輻射噪聲、發(fā)動機結構噪聲、車身結構噪聲、風噪和路噪等。進氣噪聲是汽車最主要的噪聲源之一，因此進氣系統(tǒng)的降噪設計也是非常重要的環(huán)節(jié)。

1 設計原理

發(fā)動機運轉時產生的進氣噪聲是由進氣門周期性開、閉而產生的壓力波動所形成的，它主要包括三種成分[1]：

(1)進氣門開啟時活塞作變速運動所引起的進氣脈動噪聲。

(2)進氣門關閉時進氣管道中的空氣柱共振噪聲。

(3)氣流流經進氣門環(huán)隙時產生的渦流噪聲。

沿“節(jié)氣門→出氣軟管→空濾器→前進氣管”向外傳播，屬于氣動噪聲，將其定義為進氣口輻射噪聲。

在進氣系統(tǒng)的降噪設計時，優(yōu)先關注的是消聲性能。空濾器本身就是一個擴張消聲器，進氣口氣動噪聲與消聲容積有關，一般來說，消聲容積越大越好，但由于發(fā)動機艙空間有限，在消聲容積一定的情況下如果想降低進氣系統(tǒng)噪聲，最好的辦法是縮小進氣管的截面積，因為截面積越小，擴張消聲器的擴張比就越大，消聲效果就越好。但問題是管道的截面積如果太小，會導致進氣阻力升高，發(fā)動機充氣效率降低。另外，進氣系統(tǒng)可通過增加消聲單元來提高消聲性能，例如：旁通管諧振器、穿孔消聲器、1/4 波長管以及開在進氣管上的消聲孔等。

通常評價進氣系統(tǒng)的消音效果采用兩個評價指標：傳遞損失(Transmission Loss)和插入損失(Insertion Loss)。傳遞損失表明聲音經過消音元件后聲音能量的衰減，即入射聲功率級和透射聲功率級的差值，一般用來評價單個消音元件；而插入損失是指一個系統(tǒng)中插入了消音元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級的差值，與傳遞損失只考慮消音元件本身不同，插入損失是考慮整個系統(tǒng)[1]。也就是說除了消音元件本身外，插入損失還包括了聲源和出聲口(如進氣口和排氣尾管)的聲學特征，因此這種方法是描述整個系統(tǒng)消音效果的最佳表達方式。

2 設計實例

2.1 原始方案

在某案例中，某公司根據主機廠發(fā)布的發(fā)動機艙數模邊界進行進氣系統(tǒng)的設計，盡量爭取獲得最大的空濾容積，并設置合理的進出氣管走向和形狀。通過CFD仿真計算，在進氣阻力滿足設計要求后，確定了進氣系統(tǒng)的原始方案(如圖1所示)，并預留諧振腔位置，開始進入噪聲分析階段。首先進行的是進氣口輻射噪聲(插入損失)的計算。通常采用的是一維有限體積法(Fintie Volume Method)進行求解，目前該技術在行業(yè)內得到了廣泛應用，而GT-POWER就是其中較成熟的一款商用軟件。

進氣系統(tǒng)原始方案中空濾器容積為6.1 L，空濾器進氣管內徑為43 mm，出氣管內徑為60 mm,經過幾何離散(如圖2所示)，在軟件中建立了進氣系統(tǒng)GT模型(如圖3所示)，按測試標準在進氣管口10 cm的位置設置麥克風，聯合發(fā)動機模型和排氣系統(tǒng)模型進行進氣口輻射噪聲的計算。

計算結果如圖4所示。進氣系統(tǒng)總噪聲在轉速為1 200～3 600 r/min超出目標值；階次噪聲方面，多處噪聲峰值超出要求，先針對比較突出的2階轉速2 600 r/min(86 Hz)、6階轉速4 800 r/min和8階轉速3 600 r/min(同為480 Hz)峰值設計消聲元件。

圖1 進氣系統(tǒng)原始方案

圖2 進氣系統(tǒng)模型的幾何離散

圖3 GT模型

2.2 優(yōu)化方案

在設計消聲元件的時候，先評估消聲元件的最優(yōu)連接位置，然后再根據空間位置設計合適的消聲元件。通常采用聲學有限元法(Acoustic Finite Element Method,AFEM)進行進氣系統(tǒng)壁面聲壓計算，當頻率一定時，在壁面聲壓級高的地方設置消聲元件可以取得更好的消聲效果。LMS Virtual.Lab軟件作為國際領先的功能品質工程集成解決方案，其中的sysnoise模塊可以很好地完成壁面聲壓計算；首先劃分網格，再將進氣系統(tǒng)與發(fā)動機接口處設置為振動速度邊界，進氣口設置為聲阻抗，然后進行計算(如圖5所示)。

從分析結果可知(如圖6所示)，86 Hz和480 Hz消聲元件均可設置在進氣管中段，根據進氣管周邊的空間位置，開始設計消聲元件。將接在進氣管道上消聲元件稱為旁支消音器，較常用的有兩種結構：赫爾姆茲消聲器(諧振腔)和1/4波長管，其中，赫姆霍茲消聲器的共振頻率為：

式中：V為空濾器容積；lc為連接管長度；Sc為連接管截面積。

優(yōu)化方案預計采用2個諧振腔，容積分別為1.5 L和0.3 L，并導入GT-POWER軟件進行優(yōu)化方案計算(如圖7所示)。從分析結果看(如圖8所示)，階次噪聲基本符合要求， 6階轉速4 800 r/min和8階轉速3 600 r/min的480 Hz噪聲峰值已徹底消除，各階次噪聲也明顯降低，而2階轉速2 600 r/min(86 Hz)的峰值略為下降但依然存在，主要是因為諧振腔的消聲容積不足造成的。

圖6 原始方案的壁面聲壓級云圖

圖7 在進氣管道增加2個諧振腔的優(yōu)化方案

圖8 優(yōu)化方案進氣口輻射噪聲的仿真結果

3 測試驗證

后續(xù)制作了進氣系統(tǒng)原始方案和優(yōu)化方案的快速樣件到整車半消聲室進行進氣口輻射噪聲測試，結果顯示：

(1)計算結果與測試結果較吻合(如圖9和圖10所示)，優(yōu)化方案在增加諧振腔后，消除了6階轉速4 800 r/min和8階轉速3 600 r/min的480 Hz噪聲峰值(如圖11所示)；

(2)2階轉速2 600 r/min(86 Hz)存在噪聲峰值，后經驗證，對車內噪聲無明顯影響，優(yōu)化方案通過認可。

圖9 原始方案的進氣口輻射噪聲測試結果

圖10 優(yōu)化方案的進氣口輻射噪聲測試結果

圖11 原始方案和優(yōu)化方案的測試結果比對

4 結論

在進氣系統(tǒng)設計過程中，可先通過GT-POWER軟件計算進氣口輻射噪聲，再針對噪聲峰值采用LMS Virtual.Lab軟件計算流體域的壁面聲壓級云圖，由此可選擇最佳的連接位置增加消聲元件，即可達到良好的消聲效果。經比對，兩款軟件聯合計算的仿真結果與測試結果吻合，可以為進氣系統(tǒng)的消聲設計提供快速準確的方案依據。