消聲器的模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)理念

齊 昀，賈維新，趙 明，李 恒

（上海大創(chuàng)汽車技術(shù)有限公司，上海201804）

消聲器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[1]，已然成為動(dòng)力裝置管路系統(tǒng)NVH開發(fā)的重要內(nèi)容。進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器進(jìn)出氣管系統(tǒng)、泵系統(tǒng)，風(fēng)道系統(tǒng)等，幾乎所有管路系統(tǒng)的NVH問題改善與解決，都會(huì)普遍涉及消聲器結(jié)構(gòu)。

抗性消聲器[2-3]，作為管路系統(tǒng)NVH 設(shè)計(jì)中最為常見的消聲技術(shù)與手段，具備工藝簡(jiǎn)單、成本較低、聲學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)其它性能影響較小等優(yōu)點(diǎn)，也常常是NVH技術(shù)人員首選的調(diào)音方案。因此，本文內(nèi)容主要基于抗性消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，暫不討論阻性/復(fù)合式消聲器（內(nèi)部填充吸聲材料[4]）。首先論述消聲器結(jié)構(gòu)的模塊化開發(fā)理念，其次重點(diǎn)研究典型模塊化消聲器的聲學(xué)特性，最后基于實(shí)際工程案例探究了增壓中冷管NVH問題，有效論證模塊化消聲器在管路系統(tǒng)NVH開發(fā)過程中的優(yōu)勢(shì)。

1 模塊化開發(fā)理念

針對(duì)樣件NVH調(diào)音階段而言，常規(guī)消聲器的開發(fā)，過程一般為：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—樣件試制—裝車驗(yàn)證。當(dāng)消聲器樣件試制完畢即表征聲學(xué)狀態(tài)基本凍結(jié)，若有效通過整車聲學(xué)驗(yàn)證，那么NVH調(diào)校工作即可完成。但實(shí)際工作過程中往往并非如此，需考慮整車狀態(tài)下的實(shí)際工作環(huán)境、溫度、壓力、氣流等因素影響（尤其是增壓管路工作條件下），實(shí)際的聲學(xué)特性并非與設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致。此時(shí)便需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與調(diào)校，因此不得不重啟新的一輪“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—樣件試制—裝車驗(yàn)證”工作。同樣地，主機(jī)廠面對(duì)的是所有車型、發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目，而很多情況下同一款發(fā)動(dòng)機(jī)將配置到多款不同車型，同時(shí)多款發(fā)動(dòng)機(jī)也常常會(huì)配置同一套進(jìn)氣管路系統(tǒng)，這就需要考慮單個(gè)零部件的通用化率的問題。傳統(tǒng)的消聲器開發(fā)思路，通常只能適用于特定的一款車型，多款車型必然需要啟動(dòng)多副模具，這在產(chǎn)品開發(fā)階段將占據(jù)相當(dāng)大的成本。

為了解決常規(guī)消聲器NVH調(diào)音效率低、單個(gè)零件無法平臺(tái)化通用化、生產(chǎn)成本高等問題，模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)理念應(yīng)運(yùn)而生，模塊化消聲器的主體結(jié)構(gòu)由外殼體與內(nèi)芯子組成，如圖1所示。外殼體的設(shè)計(jì)，需分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲特點(diǎn)，定義合適的聲學(xué)腔體尺寸，以滿足解決實(shí)際噪聲問題的需求。此外，外殼體結(jié)構(gòu)亦可根據(jù)管路布置、整車邊界等因素進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，而內(nèi)部芯子結(jié)構(gòu)即采用模塊化設(shè)計(jì)理念。芯子結(jié)構(gòu)嚴(yán)格定義了外形尺寸，以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、多項(xiàng)目之間的通用化應(yīng)用目的，主要區(qū)別則在于芯子表面穿孔/開槽等形式以及相應(yīng)的參數(shù)。從NVH 技術(shù)角度分析，確定外殼體消聲容積后，僅通過調(diào)整內(nèi)部芯子的聲學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同頻段的消聲特性。由此，實(shí)際消聲器聲學(xué)調(diào)校時(shí)僅需通過選擇更換芯子實(shí)現(xiàn)特定消聲特性的快速調(diào)整，可大大提高NVH工作效率。

圖1 模塊化消聲器示例

2 模塊化消聲器的聲學(xué)特性

傳遞損失[5]（TL）為入射聲功率級(jí)LWi與透射聲功率級(jí)LWt的差值，反映消聲元件本身的固有聲學(xué)特性，常用于評(píng)價(jià)消聲元件或系統(tǒng)的消聲性能

式中：pi+為消聲元件進(jìn)口處入射聲壓；pt為末端無反射條件下，消聲元件出口處透射聲壓；Si為消聲元件進(jìn)口處截面面積；St為消聲元件出口處截面面積。傳遞損失的實(shí)驗(yàn)主要采用兩負(fù)載法測(cè)量[6-8]，消聲元件上、下游各設(shè)置2個(gè)傳聲器（共4個(gè)傳聲器），分別測(cè)量不同聲學(xué)末端特性的兩次試驗(yàn)，即可通過測(cè)得傳遞矩陣最終獲得系統(tǒng)的TL，如圖2所示。

圖2 兩負(fù)載法測(cè)量傳遞損失

圖3所示為設(shè)計(jì)的典型模塊化消聲器，能滿足市面上多數(shù)渦輪增壓中冷管尺寸邊界。該消聲器為直段式穿孔管抗性消聲器，主管路內(nèi)徑為35 mm，即消聲器進(jìn)、出口內(nèi)徑均為35 mm，共有4個(gè)聲學(xué)腔體，聲學(xué)容積由大至?。?#-4#）依次為120 ml、80 ml、50 ml、30 ml，內(nèi)芯尺寸先后共設(shè)計(jì)了多達(dá)20多種，適用于不同頻段的針對(duì)性消聲。傳遞損失實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，通過更換不同的內(nèi)芯即可獲得相應(yīng)的TL曲線結(jié)果。

圖3 四腔模塊化消聲器

圖4所示為該模塊化消聲器的傳遞損失實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，下面一條黑色曲線表征選取的4 個(gè)芯子為最低頻芯子，以確認(rèn)該模塊化消聲器的消聲頻率下限，同理，上面一條藍(lán)色曲線表征該模塊化消聲器的消聲頻率上限。TL結(jié)果顯示：1#聲腔可調(diào)頻率范圍900 Hz～1 900 Hz，4#聲腔可調(diào)頻率范圍2 000 Hz～3 800 Hz；而整體消聲器的消聲特性可實(shí)現(xiàn)900 Hz～6 000 Hz 寬頻段內(nèi)任意頻率成分的消聲，TL 幅值均高于20 dB 以上；而實(shí)際的消聲頻段更高，能滿足12 000 Hz～15 000 Hz 超高頻成分的消聲，這主要是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試存在截止頻率，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試最高可信頻率上限為6 000 Hz 左右。

模塊化消聲器，尤其適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的平臺(tái)化應(yīng)用，相同發(fā)動(dòng)機(jī)采用同一外部結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整內(nèi)部聲學(xué)模塊來匹配不同的車型，可大幅度提升單個(gè)零件的平臺(tái)化率。目前團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)開發(fā)的模塊化消聲器，涵蓋了直管式、彎管式、圓周式、偏心式等多種不同外形的結(jié)構(gòu)，還開發(fā)了近20款內(nèi)芯結(jié)構(gòu)以適用于不同的消聲特征。

圖4 四腔模塊化消聲器TL實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3 增壓管路模塊化消聲器

在工程實(shí)際開發(fā)過程中，國(guó)內(nèi)某款尚未上市的小型乘用車，發(fā)動(dòng)機(jī)為三缸1.5 T 汽油機(jī)，整車加速行駛過程中，車內(nèi)主觀能明顯感知“嘶嘶”聲，以三檔滿負(fù)荷加速1 400 r/min～2 000 r/min轉(zhuǎn)速工況最為明顯。經(jīng)整車NVH 噪聲源測(cè)試與傳遞路徑排查分析，其噪聲源主要為渦輪增壓器，低流量高壓比工況下增壓器的不穩(wěn)定工作引起的不穩(wěn)定氣流噪聲（亦稱“Hiss”聲）[9]，且其主要傳遞路徑為增壓中冷管管路表面輻射?；谡囋欣涔苈返牟贾糜谶吔?，設(shè)計(jì)了彎管/偏心式增壓管路模塊化消聲器，如圖5所示。

圖5 彎管式模塊化消聲器

消聲器整體由于管路走向設(shè)計(jì)為彎管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共設(shè)計(jì)了3個(gè)聲學(xué)腔體，3個(gè)芯子外輪廓相同而相互獨(dú)立可分別調(diào)節(jié)。將消聲器置于靜態(tài)傳遞損失測(cè)試臺(tái)架，采用前述二負(fù)載法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)過多輪內(nèi)芯的選型與調(diào)整，最終得到最優(yōu)的消聲器聲學(xué)特性如圖6所示。

圖6 增壓管路模塊化消聲器TL實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

該模塊化消聲器在1 050 Hz～2 850 Hz 其TL幅值均高于20 dB，消聲峰值體現(xiàn)在1 700 Hz～2 200 Hz，其幅值達(dá)36 dB 左右，能有效針對(duì)加速工況增壓中冷管“Hiss”輻射噪聲成分。

將該模塊化消聲器安裝于增壓中冷管處（壓氣機(jī)出口段）進(jìn)行整車道路試驗(yàn)，于增壓管路表面近場(chǎng)約2 mm設(shè)置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量管路表面輻射噪聲；同時(shí)，于駕駛員右耳旁設(shè)置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量車內(nèi)噪聲水平。聲學(xué)采樣頻率設(shè)為25 600 Hz，最高分析頻率可達(dá)12 800 Hz，基本滿足聲學(xué)分析所需，時(shí)域信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換（Fast Fourier Transfer，F(xiàn)FT）得到測(cè)點(diǎn)噪聲時(shí)頻譜。

圖7所示即為安裝模塊化消聲器前后的各測(cè)點(diǎn)噪聲時(shí)頻譜結(jié)果，圖7(a)為增壓中冷管路近場(chǎng)輻射噪聲，原狀態(tài)加速工況1 400 Hz～3 000 Hz 存在明顯的“Hiss”成分，且能量較高貢獻(xiàn)量較大。優(yōu)化后的管路輻射噪聲整體聲壓級(jí)水平降低明顯，尤其在2 000 Hz～3 000 Hz 頻段內(nèi)的噪聲成分得到顯著降低，優(yōu)化后1 400 r/min～2 000 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間基本無明顯“Hiss”聲成分。圖7(b)為車內(nèi)駕駛員右耳處噪聲對(duì)比，與中冷管路輻射噪聲相對(duì)應(yīng)，中低轉(zhuǎn)速區(qū)域車內(nèi)噪聲1 500 Hz～3 000 Hz成分也有明顯的降低。由于車內(nèi)噪聲量級(jí)本身并不高，因此從客觀數(shù)據(jù)反映不如增壓管近場(chǎng)噪聲明顯，但車內(nèi)主觀感受“Hiss”聲成分基本消失，優(yōu)化效果明顯，也提升了車內(nèi)聲品質(zhì)水平與乘駕舒適性。

圖7 安裝模塊化消聲器前后測(cè)點(diǎn)噪聲時(shí)頻譜對(duì)比

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了模塊化開發(fā)的理念，深入探究了模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)在消聲器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合工程項(xiàng)目解決了實(shí)際NVH問題，聲學(xué)優(yōu)化效果明顯，且大大提高了工作效率。

模塊化開發(fā)理念在管路系統(tǒng)消聲器的應(yīng)用將是未來NVH領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。從技術(shù)層面考量，可實(shí)現(xiàn)NVH 調(diào)音由傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—樣件—驗(yàn)證”循環(huán)往復(fù)蛻變?yōu)椤斑x芯—驗(yàn)證”的簡(jiǎn)單工作；從經(jīng)營(yíng)角度考量，模塊化產(chǎn)品將實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)共用，大大節(jié)約了技術(shù)開發(fā)、模具生產(chǎn)等成本；從管理角度考量，模塊化內(nèi)芯便于實(shí)現(xiàn)聲學(xué)調(diào)校與匹配，也有效降低了產(chǎn)品開發(fā)后期的風(fēng)險(xiǎn)。