消聲元件在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用研究

勾喜建

摘 要：汽車是現(xiàn)代十分常見的交通工具，其給人們的生活帶來了巨大便利，但同時(shí)也造成了一些困擾，例如噪聲問題。汽車在運(yùn)行當(dāng)中，其進(jìn)氣系統(tǒng)或其他機(jī)組的運(yùn)行，必然會(huì)因?yàn)椴考\(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)一些聲響，這些聲響的分貝普遍不高，但在長(zhǎng)時(shí)間影響下依舊會(huì)給駕駛者造成不良體驗(yàn)，所以在現(xiàn)代汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中十分提倡消聲元件的運(yùn)用。本文為了了解消聲元件在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，將展開相關(guān)分析工作。

關(guān)鍵詞：消聲元件;汽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì);運(yùn)用

1 引言

汽車進(jìn)氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程當(dāng)中會(huì)因?yàn)闅怏w流動(dòng)而出現(xiàn)振動(dòng)，而這些振動(dòng)現(xiàn)象就會(huì)造成噪聲問題，那么在早期汽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，因?yàn)槭芟抻诋?dāng)時(shí)技術(shù)水平，許多設(shè)計(jì)人員并沒有考慮到噪聲的影響，使得此項(xiàng)問題一直延續(xù)到近代，但隨著科技水平的發(fā)展，為了更好的給駕駛者提供良好體驗(yàn)，相關(guān)研究針對(duì)汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題進(jìn)行了分析，并提出了消聲元件的應(yīng)用，理論上該元件可以有效降低噪聲。

2 汽車進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與噪聲來源

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三部分，即空濾進(jìn)氣管、空氣濾清器、空濾出氣管，各部分功能見下文。

2.1 空濾進(jìn)氣管

空濾進(jìn)氣管是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的最外部部分，其主要起到引進(jìn)氣流的功能。在常規(guī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，關(guān)于空濾進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)要求，主要考慮到進(jìn)氣速率、排除進(jìn)氣阻礙因素，一般會(huì)要求空濾進(jìn)氣管整體平直，且內(nèi)側(cè)表面沒有雜物，同時(shí)會(huì)將空濾進(jìn)氣管設(shè)置在安裝范圍的高處，但與汽車散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)等具有高熱量設(shè)備較遠(yuǎn)的位置，此舉主要是為了避免雨水進(jìn)入空濾進(jìn)氣管、避免溫度對(duì)空濾進(jìn)氣管進(jìn)氣效率的影響[1]。

2.2 空氣濾清器

空氣濾清器主要與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門相互連接，當(dāng)進(jìn)氣完成之后，將會(huì)通過空氣濾清器對(duì)氣體進(jìn)行過濾，以免雜物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于汽車行駛的安全性有一定的幫助。此外，在近代汽車噪聲消聲設(shè)計(jì)當(dāng)中，許多設(shè)計(jì)單位會(huì)采用擴(kuò)張式消聲器作為空氣濾清器的主要形式，從結(jié)果上來看，其具有良好表現(xiàn)[2]。

2.3 空濾出氣管

在空濾出氣管的設(shè)計(jì)要求當(dāng)中，介于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)現(xiàn)象容易引起空氣濾清器位移的問題，一般空濾出氣管都會(huì)采用橡膠管材料、波紋結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過材料與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來抵消振動(dòng)力。

其次圍繞上述分析內(nèi)容，汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲來源一般在于空濾進(jìn)氣管、空濾出氣管兩個(gè)部分，即兩者在運(yùn)行過程當(dāng)中所產(chǎn)生的振動(dòng)以及氣流流動(dòng)都會(huì)造成聲響，而因?yàn)榭諡V進(jìn)氣管、空濾出氣管并不像空氣濾清器一樣具有消聲功能，所以會(huì)出現(xiàn)噪聲，因此在后續(xù)設(shè)計(jì)當(dāng)中，本文將著重對(duì)空濾進(jìn)氣管、空濾出氣管消聲元件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3 汽車進(jìn)氣系統(tǒng)常見消聲元件以及聲學(xué)原理

在現(xiàn)代技術(shù)背景下，通過相關(guān)開發(fā)工作已經(jīng)得出了很多可以用于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)消聲的元件，例如赫爾姆茲消音器、四分之一波長(zhǎng)管，本文為了充分確認(rèn)具體效果，將對(duì)赫爾姆茲消音器、四分之一波長(zhǎng)管的聲學(xué)原理進(jìn)行分析。

3.1 赫爾姆茲消音器聲學(xué)原理

結(jié)合相關(guān)分析得知，在赫爾姆茲消音器條件下，如果聲波進(jìn)入到其消聲容器當(dāng)中，其會(huì)將所有聲波中與噪聲頻率不符的聲波反射出去，而部分與噪聲頻率相符的聲波將會(huì)被保留再容器內(nèi)部進(jìn)行振動(dòng)消能作用，此時(shí)就完成了消聲。此外，結(jié)合早期對(duì)赫爾姆茲消音器的研究理論得知，此類消聲器針對(duì)的噪聲頻率一般為底頻，通過共振原理來實(shí)現(xiàn)消聲（赫爾姆茲消音器共振頻率表達(dá)式見公式（1）），同時(shí)其消聲過程當(dāng)中還存在傳遞損失問題（赫爾姆茲消音器傳遞損失計(jì)算方法見公式（2）），這兩項(xiàng)條件將決定赫爾姆茲消音器的消聲能效。

上述兩個(gè)公式當(dāng)中V代表消聲容器容積;f代表共振頻率;lc代表連接管長(zhǎng)度;Sc代表連接管截面積;Sm代表主管截面積;c代表實(shí)際聲速。那么通過兩個(gè)公式說明，在赫爾姆茲消音器的設(shè)計(jì)應(yīng)用當(dāng)中，需要重點(diǎn)控制V消聲容器容積、lc連接管長(zhǎng)度、Sc連接管截面積、Sm主管截面積四個(gè)部分，否則會(huì)導(dǎo)致赫爾姆茲消音器能效下降。

3.2 四分之一波長(zhǎng)管聲學(xué)原理

針對(duì)四分之一波長(zhǎng)管，首先結(jié)合相關(guān)理論得知，其一端主要安裝于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的主管道上，另一端則封閉，所以該管道是一個(gè)具有良好密封性的管道，在應(yīng)用當(dāng)中當(dāng)聲波通過主管道進(jìn)入密封管道內(nèi)，會(huì)與封閉端接觸形成聲波反射，反射后聲波會(huì)沿著相反方向回到主管道，此時(shí)介于主管道中的聲波與反射聲波之間頻率相同，接觸后就會(huì)相互抵消，即實(shí)現(xiàn)了消聲目的。公式（3）為四分之一波長(zhǎng)管的共振頻率表達(dá)式;公式（4）為四分之一波長(zhǎng)管的傳遞損失。

上述兩個(gè)公式當(dāng)中L代表波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度;m代表波長(zhǎng)管截面積與主管截面積之比;n代表1、2、3等整數(shù)。那么在公式（3）計(jì)算當(dāng)中可見，四分之一波長(zhǎng)管的頻率只與管長(zhǎng)度有關(guān)，即管道長(zhǎng)度越大，頻率越低;在公式（4）計(jì)算當(dāng)中可見，四分之一波長(zhǎng)管傳遞損失參數(shù)與管長(zhǎng)度、波長(zhǎng)管截面積與主管截面積之比相關(guān)。

4 汽車進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

為了了解消聲元件對(duì)汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的消聲能效，本文將進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，但為了確保設(shè)計(jì)工作實(shí)踐性，將選擇常規(guī)車型作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。本文所選車型在加速噪聲測(cè)試當(dāng)中顯示，其進(jìn)氣系統(tǒng)的4階、6階是主要噪聲來源，并對(duì)汽車的NVH性能造成了影響，所以有必要進(jìn)行消聲設(shè)計(jì)。

4.2 設(shè)計(jì)條件以及設(shè)計(jì)結(jié)果

介于赫爾姆茲消音器、四分之一波長(zhǎng)管在消聲性能上的不同表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中不能隨意將兩類消聲元件安置，需要針對(duì)噪聲實(shí)際條件來進(jìn)行確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)3300時(shí)，4階噪聲峰值頻率達(dá)到了220赫斯、6階噪聲峰值頻率達(dá)到了330赫斯，所以在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，赫爾姆茲消音器、四分之一波長(zhǎng)管必須具備消除220赫斯、330赫斯的能效，那么圍繞兩者能效差距，針對(duì)4階噪聲主要采用赫爾姆茲消音器、針對(duì)6階噪聲主要采用四分之一波長(zhǎng)管來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

同時(shí)為了確保消聲元件的能效不受干擾，本文參考相關(guān)理論了解到消聲元件設(shè)計(jì)的基本要求，即空氣流動(dòng)要求、溫度要求?？諝饬鲃?dòng)要求方面，因?yàn)榭諝馀c聲波會(huì)同時(shí)進(jìn)入消聲元件當(dāng)中，那么在空氣的介入的條件下，會(huì)因?yàn)樽枇Χ鴮?dǎo)致元件內(nèi)部的氣流體壓力上漲，此時(shí)當(dāng)元件局部氣流體壓力與周邊壓力存在較大誤差時(shí)，不但無法保障消聲效果，還會(huì)制造較大的噪聲，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中本文充分考慮了空氣流通體積，對(duì)元件管道口徑進(jìn)行了調(diào)整，以規(guī)避了此類問題;溫度要求方面，因?yàn)槠囘\(yùn)行過程當(dāng)中其其他組件容易出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，那么在高溫影響下可能會(huì)導(dǎo)致消聲元件受到溫度腐蝕，相應(yīng)無法保障元件能效，同時(shí)介于機(jī)械振動(dòng)與氣流的碰撞，也行形成相應(yīng)噪聲，所以在本文設(shè)計(jì)當(dāng)中，盡可能的將消聲元件設(shè)置在遠(yuǎn)離高溫的位置上[3]。

4.3 測(cè)試

針對(duì)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試工作，首先對(duì)赫姆霍茲消音器噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖1，其次對(duì)四分之一波長(zhǎng)管進(jìn)行測(cè)試。綜合結(jié)果顯示，本文赫姆霍茲消音器可以將原105分貝噪聲降低至92分貝;四分之一波長(zhǎng)管可以將原107分貝噪聲降低至93分貝，說明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)消聲元件在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行了分析，通過分析得到結(jié)論：早期汽車進(jìn)氣系統(tǒng)存在噪聲問題，其噪聲源來自于空濾進(jìn)氣管、空濾出氣管;針對(duì)空濾進(jìn)氣管、空濾出氣管，本文采用赫姆霍茲消音器、四分之一波長(zhǎng)管元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)工作，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳貴平，盧炳武，劉英杰，et al.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].汽車技術(shù)，2014（2）：1-4.

[2]郭凱，李世偉，楊洋，et al.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海汽車，2015（7）：24-28.

[3]李志遠(yuǎn)，劉濤，劉淑軍.渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)泄壓噪聲的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海汽車，2015（8）：14-17.