發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲量試驗(yàn)與仿真分析

王珺 袁建軍 劉一杰

摘? 要：以某非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，簡介進(jìn)氣系統(tǒng)的主要聲學(xué)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)變更前后的進(jìn)氣系統(tǒng)消聲量進(jìn)行試驗(yàn)，采用聲學(xué)有限元法進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量水平總體相當(dāng)，仿真分析可以反映出不同頻率段的差異和趨勢，且與試驗(yàn)結(jié)果是相似的;在中低頻率范圍，仿真與試驗(yàn)的峰值頻率對(duì)應(yīng)較好。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng);消聲量;試驗(yàn)與仿真分析

中圖分類號(hào)：U463.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0072-04

Abstract：? The rearch was studied on an intake system of a non-supercharged engine. The main acoustic design method of intake system was introduced. The noise reduction test was proceed before and after modification， and the acoustic finite element method was used for simulation analysis. Experiments and simulation results indicated that， noise reduction level of both intake systems was generally equal. Simulation analysis can reflect the differences and trends of different frequency bands， and the results are similar to the test results. In the middle and low frequency range， the peak frequency of simulation and experiment corresponds well.

Key Words： Engine intake system; Noise Reduction; Test and Simulation Analysis

1? ? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲作為汽車的主要噪聲源之一，直接影響汽車整車噪聲水平和乘坐舒適性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是改善汽車振動(dòng)噪聲的重要途徑。進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的噪聲源之一，進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲主要是指進(jìn)氣口處的噪聲，這個(gè)噪聲源離車廂的距離很近，所以對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)非常大。對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲源主要包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、管道氣柱共振噪聲、渦流噪聲及氣缸的赫姆霍茲共振噪聲等。噪聲沿進(jìn)氣口向外傳播，一大部分從進(jìn)氣口向外輻射，另一部分引起管道振動(dòng)成為壁面輻射噪聲[1]。進(jìn)氣管道和空氣濾清器對(duì)聲波傳遞有著直接的影響，對(duì)整體進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)特性的研究具有重要意義。

消聲量定義為消聲器進(jìn)口和出口處的聲壓級(jí)之差，與管口輻射特性有關(guān)，是一種重要的聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣系統(tǒng)是由進(jìn)氣管、空氣濾清器、穩(wěn)壓腔和進(jìn)氣管等組成。本文對(duì)某非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)變更前后的消聲量進(jìn)行試驗(yàn)，并采用聲學(xué)有限元法進(jìn)行仿真分析，對(duì)比試驗(yàn)與仿真的差距，可以尋找改進(jìn)噪聲特性的途徑，改進(jìn)仿真分析方法。

2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性（如雨、雪等不能進(jìn)入）和控制進(jìn)氣系統(tǒng)流阻的基礎(chǔ)上，盡量降低進(jìn)氣口噪聲。降低進(jìn)氣口噪聲的要求和進(jìn)氣系統(tǒng)流阻的控制常常是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意平衡這對(duì)矛盾。

消聲器是進(jìn)氣系統(tǒng)最常用的消聲單元。主動(dòng)消聲器由于成本高，在汽車上應(yīng)用很少;運(yùn)用廣泛的是被動(dòng)消聲器，它可分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器、微穿孔板消聲器等。阻性消聲器是一種吸收型消聲器，利用聲波在多孔吸聲材料中傳播時(shí)，將一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到消聲的目的，進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣濾清器的濾芯是良好的多孔吸聲材料。阻性消聲器一般具有良好的中高頻消聲性能，對(duì)低頻消聲性能較差?？剐韵暺髋c阻性消聲器不同，它不使用吸聲材料，依靠管道截面的突變或旁接共振腔等方法，在聲傳播過程中引起阻抗的改變，產(chǎn)生聲能的反射、干涉，從而達(dá)到消聲的目的。抗性消聲器消聲的頻率范圍較窄，且集中在中低頻段，但相比阻性消聲器，流阻大幅降低，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。常用的抗性消聲器有擴(kuò)張式、共振腔式、干涉式、穿孔板式等。抗性消聲器的傳遞損失計(jì)算方法，可參見相關(guān)文獻(xiàn)資料[1]，[2]，在此不再贅述。

進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲容積對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲有重要影響。一般來說，消聲容積越大越好，對(duì)四缸和六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，通常消聲元件容積達(dá)到10～15L?？諝鉃V清器由于體積較大，是進(jìn)氣系統(tǒng)最大的擴(kuò)張消聲器，一般要求其容積滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排量的3～6倍。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的噪聲頻譜進(jìn)行，在薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的共振腔。對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，首先應(yīng)該消減進(jìn)氣閥周期性啟閉產(chǎn)生的基頻噪聲及其各次諧波噪聲，一般來說，4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中2、4、6、8階噪聲是進(jìn)氣系統(tǒng)的主要噪聲源[3]。

本文中設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.4L，空濾器主體容積為6.1L，兩個(gè)大諧振腔容積分別為2.6L和2.0L，加上各波長管、小諧振腔及管道體積，進(jìn)氣系統(tǒng)總?cè)莘e為15.7L。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口噪聲頻譜，設(shè)計(jì)了共振頻率為80Hz、150Hz、260Hz等多個(gè)赫姆霍茲共振腔，共振頻率為700Hz、1000Hz、1700Hz等多個(gè)1/4波長管。

3? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲量試驗(yàn)

3.1? ?試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

本文中進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量試驗(yàn)在簡易半消聲室中進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備包括LMS多通道分析系統(tǒng)，聲源及麥克風(fēng)等。麥克風(fēng)布置如圖1所示。在聲學(xué)入口處的引入管靠近進(jìn)氣系統(tǒng)處布置麥克風(fēng)安裝孔，孔中心距離進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)入口100mm;在聲學(xué)出口處布置兩種不同位置的麥克風(fēng)，第一種為近場測試，麥克風(fēng)位置在聲學(xué)出口附近，如圖1-（a）所示;第二種為遠(yuǎn)場測試，麥克風(fēng)位置在聲學(xué)出口上方45度200mm位置處，如圖1-（b）所示。

將進(jìn)氣系統(tǒng)上與聲學(xué)無關(guān)的孔隙和連接處包裹隔聲材料，關(guān)閉消聲室中不必要的設(shè)施以減小環(huán)境噪聲，打開白噪聲聲源，同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后開始測試進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量。測試頻率范圍0～8192Hz，采樣間隔2Hz，試驗(yàn)進(jìn)行三次并取平均值。由于這是一臺(tái)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，故數(shù)據(jù)分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注2500Hz以內(nèi)中低頻范圍內(nèi)的消聲量。

3.2? ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

由于客戶邊界變更，進(jìn)氣系統(tǒng)模型略有調(diào)整，分別記為進(jìn)氣系統(tǒng)A和進(jìn)氣系統(tǒng)B，如圖2所示，為兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的快速成型件。兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本相同，三個(gè)調(diào)整后有區(qū)別的位置，已在圖中標(biāo)出。試驗(yàn)對(duì)比兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的近場和遠(yuǎn)場的消聲量。進(jìn)氣系統(tǒng)A、B的近場和遠(yuǎn)場消聲量對(duì)比分別如圖3所示。

由圖3中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，進(jìn)氣系統(tǒng)A、B的消聲量總體差別不大，局部有區(qū)別。在280～350Hz頻率范圍內(nèi)，進(jìn)氣系統(tǒng)A的消聲量高于進(jìn)氣系統(tǒng)B;在570～750Hz和950～1100Hz頻率范圍內(nèi)，進(jìn)氣系統(tǒng)B的消聲量總體高于進(jìn)氣系統(tǒng)A。兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量水平差距不大，是否滿足要求，仍應(yīng)根據(jù)整車進(jìn)氣口噪聲頻譜確定。

4? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真分析

4.1? ?進(jìn)氣系統(tǒng)有限元仿真分析

聲學(xué)中的數(shù)值仿真方法一般有三種：分別是基于波動(dòng)方程的有限元和邊界元方法，基于幾何聲學(xué)的聲線或聲錐跟蹤法，以及基于統(tǒng)計(jì)能量分析的統(tǒng)計(jì)能量法。當(dāng)所求解問題的最小波長小于求解區(qū)域的尺度的時(shí)候，可采用有限元法或邊界元法。對(duì)于有界空間中聲學(xué)仿真問題，有限元法比邊界元法具有更高的計(jì)算精度和求解穩(wěn)定性[4]。

聲學(xué)有限元法首先把計(jì)算的聲場離散成一定數(shù)量的小聲場，每個(gè)小聲場之間通過一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)首尾連接。其內(nèi)部的聲場由屬于節(jié)點(diǎn)上的聲壓確定，獲得小聲場的近似聲壓函數(shù)，再將每個(gè)小聲場整合，運(yùn)用邊界條件，最后用線性代數(shù)的方法計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的聲壓，從而求解出整個(gè)聲場。

本文利用聲學(xué)計(jì)算軟件LMS Virtual.Lab，對(duì)兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量進(jìn)行仿真分析。首先將模型離散化，注意為測量遠(yuǎn)場噪聲，應(yīng)提前在出口處設(shè)置半球面，如圖4所示。

由于空氣濾清器不僅是一個(gè)擴(kuò)張式消聲器，內(nèi)部的濾芯也是良好的吸聲材料，故空氣濾清器是阻抗復(fù)合型消聲器，需要設(shè)置描述多孔材料的參數(shù)。影響多孔材料吸聲性能的主要參數(shù)如下[5]：

（1）流阻率它是在穩(wěn)態(tài)氣流狀態(tài)下，單位厚度材料中的壓力差與氣流線速度之比，單位為Pa.s/m2

（2）孔隙率它是穿透材料內(nèi)部自由空間孔隙的體積與材料總體積的比值來確定，一般在70%以上，多數(shù)達(dá)90%。

（3）結(jié)構(gòu)因子它是在理論上處理材料間隙的雜亂排列而對(duì)毛細(xì)管沿厚度方向排列的模型所作的一項(xiàng)修正，一般在2～10之間。材料結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致這些參數(shù)的變化，從而改變材料的吸聲特性。

聲學(xué)有限元仿真分析，設(shè)置模型入口為單位速度激勵(lì)，出口為無反射阻抗，并設(shè)置空氣濾清器濾芯為多孔材料。仿真分析時(shí)設(shè)置濾芯流阻率為5000Pa.s/m2，孔隙率97%，結(jié)構(gòu)因子2.5。仿真分析結(jié)果如圖5所示。

由仿真分析結(jié)果，進(jìn)氣系統(tǒng)A、B在500～800Hz頻率范圍內(nèi)消聲量有一定差別，這與試驗(yàn)結(jié)果在570～750Hz頻率范圍內(nèi)，進(jìn)氣系統(tǒng)B的消聲量總體高于A的結(jié)論是相似的;在330Hz附近，進(jìn)氣系統(tǒng)A的消聲量略高于進(jìn)氣系統(tǒng)B，但相比試驗(yàn)中的差異較小;其他在試驗(yàn)中有區(qū)別的頻率段未在仿真中有明顯表現(xiàn)。

4.2? ?仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如圖6所示，根據(jù)試驗(yàn)和仿真結(jié)果，分別對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)A和進(jìn)氣系統(tǒng)B的近場消聲量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

由圖6中可以看出，在1500Hz頻率范圍內(nèi)，有限元法仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的各峰值頻率比較吻合，但部分頻率的幅值有差異;在高于此頻率段，各峰值頻率有一定偏移，很難吻合。分析差異原因，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）試驗(yàn)聲源為白噪聲，仿真設(shè)置為單位速度激勵(lì)，但消聲量的計(jì)算與聲源的阻抗是有關(guān)系的;

（2）試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集步長為2Hz，仿真計(jì)算取10Hz，故一些頻譜特性未能采集到;

（3）仿真對(duì)濾芯的描述與實(shí)際有差異，濾芯的多孔介質(zhì)參數(shù)在不同頻率段應(yīng)是不同的。

5? ? 結(jié)論

本文對(duì)某非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)變更前后的消聲量進(jìn)行試驗(yàn)，并采用聲學(xué)有限元法對(duì)其進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明兩套進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量水平總體相當(dāng);仿真可以反映出一些頻率段的差異，且與試驗(yàn)結(jié)果是相似的;在中低頻率段（1500Hz內(nèi)），仿真與試驗(yàn)的峰值頻率對(duì)應(yīng)較好。對(duì)濾芯的聲學(xué)特性參數(shù)可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以得到更精確的分析結(jié)果。

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